Клаузиус и его постулат о развитии Вселенной

Клаузиус и его постулат о развитии Вселенной

Содержание

Введение

1. Космологический парадокс Клаузиуса

1.1 Биографическая справка

1.2 Гипотеза «тепловой смерти» Вселенной

2. Опровержение гипотезы «тепловой смерти» Вселенной

Заключение

Список использованной литературы

Введение

Термодинамический парадокс в космологии, сформулированный во второй половине ХIХ века, непрерывно будоражит с тех пор научное сообщество. Дело в том, что он затронул наиболее глубинные структуры научной картины мира. Хотя многочисленные попытки разрешения этого парадокса приводили всегда лишь к частным успехам, они порождали новые, нетривиальные физические идеи, модели, теории. Термодинамический парадокс выступает неиссякаемым источником новых научных знаний. Космологические парадоксы оставались неразрешенными до двадцатых годов нашего столетия, когда на смену классической космологии пришла теория конечной и расширяющейся Вселенной.

Термодинамический парадокс возник впервые в картине мира Ньютона - как острый конфликт между самой этой картиной мира и ее философско-мировоззренческими основаниями, с одной стороны, и выводами вытекающими из экстраполяции на Вселенную принципа возрастания энтропии - с другой. Этот парадокс был сформулирован Р. Клаузиусом и В. Томсоном.

По словам Клаузиуса «…общее состояние Вселенной должно все больше и все больше изменяться» в направлении, определяемом принципом возрастания энтропии и, следовательно, это состояние должно непрерывно приближаться к некоторому предельному состоянию». Отсюда вытекают, по мнению Клаузиуса, следующие формулировки принципов термодинамики:

-       Энергия мира постоянна.

-       Энтропия мира стремится к максимуму. Тем самым неявно вводятся следующие абстракции: в рамках термодинамики можно употреблять понятия состояния мира как целостной системы; мир как целое - замкнутая система; эволюция мира может быть описана как смена его состояний; для мира как целого состояние с максимальной энтропией имеет смысл, также как и для любой конечной системы.

Цель данной работы: попытаться выяснить, что представляет собой гипотеза «тепловой смерти» Вселенной, сформированная Клаузиусом.

Структура работы: работа состоит из введения, 2 глав, заключения и библиографического списка. Общий объем работы 13 страниц.

1. Космологический парадокс Клаузиуса

1.1 Биографическая справка

Клаузиус Рудольф Юлиус Эмануэль, немецкий физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты. Учился в Берлинском университете (с 1840). В 1850-57 преподавал в Берлине и Цюрихе. Профессор университетов в Цюрихе (с 1857), Вюрцбурге (с 1867), Бонне (с 1869). Иностранный член-корреспондент Петербургской АН.

Клаузиусу принадлежат основополагающие работы в области молекулярно-кинетической теории теплоты. Работы Клаузиус способствовали введению статистических методов в физику. Клаузиус удалось с единой точки зрения объяснить такие внешне совершенно различные явления в газах, как внутреннее трение, теплопроводность и диффузия. Он ввёл понятие идеального газа, а также понятие длины свободного пробега молекул, впервые вычислив эту длину. Доказал теорему вириала, связывающую среднюю кинетическую энергию системы частиц с действующими в ней силами. Построил кинетическую теорию перехода вещества из одного агрегатного состояния в другое и в 1850 обосновал уравнение, связывающее изменение температуры плавления с изменением давления (Клапейрона - Клаузиуса уравнение).

Клаузиус внёс важный вклад в теорию электролиза. Теоретически обосновал закон Джоуля - Ленца, развил термодинамическую теорию термоэлектричества и др. Развивая идеи итальянского учёного О.Ф.Моссотти, Клаузиус разработал теорию поляризации диэлектриков, на основе которой установил соотношение между диэлектрической проницаемостью и поляризуемостью (Клаузиуса - Моссотти формула).

Клаузиус первым понял и проанализировал глубокие идеи С.Карно и оценил их значение для теории теплоты и тепловых машин. Развивая эти идеи, Клаузиус в 1850 (одновременно с У.Томсоном) дал первую формулировку второго начала термодинамики: «Теплота не может сама собою перейти от более холодного тела к более тёплому». Клаузиус доказал, что не существует способа передачи теплоты от более холодного тела к более нагретому без того, чтобы в природе не произошло каких-либо изменений, которые могли бы компенсировать такой переход.

В 1865 Клаузиус ввёл понятие энтропии - (от греч. entropia — поворот, превращение), функция состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре системы. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором максимальна. Понятием энтропии широко пользуются в физике, химии, биологии и теории информации.

Клаузиус сформулировал первый и второй законы термодинамики следующим образом: "Энергия мира постоянна, энтропия мира стремится к максимуму". Согласно гипотезе Клаузиуса возрастание энтропии, сопровождаемое уменьшением свободной энергии, приведет к состоянию с максимальной энтропией, когда прекратятся все физические и химические процессы.

На начальной стадии становления термодинамики Клаузиус переоценил ее возможности. Во-первых, эта гипотеза построена на недоказанности гипотезы о конечности Вселенной. Во-вторых, вывод получен для малых промежутков времени, по сравнению с космическими периодами времени. В-третьих, наконец, второй закон термодинамики, описывающий возрастание энтропии в изолированных системах, не выполняется для систем с ограниченным (малым) количеством частиц.

Таким образом, область применения второго закона термодинамики ограничена снизу - системами с малым количеством частиц и сверху - системами с любым количеством частиц, наблюдаемым в течение большого промежутка времени. В результате уточненную формулировку второго закона термодинамики можно представить следующим образом: энтропия изолированной системы, наблюдаемой в продолжении небольших с космической точки зрения промежутков времени, стремится к относительному максимуму

Сформулировал Закон возрастания энтропии, который можно выразить следующим образом: «…в адиабатически изолированной термодинамической системе энтропия не может убывать: она или сохраняется, если в системе происходят только обратимые процессы, или возрастает, если в системе протекает хотя бы один необратимый процесс». С законом возрастания энтропии непосредственно связан парадокс, сформулированный Клаузиусом, совместно с Томсоном и названый гипотезой «тепловой смерти» Вселенной.

1.2 Гипотеза «тепловой смерти» Вселенной

Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы - закону сохранения энергии. При всех своих превращениях из одного вида в другой энергия не исчезает и не возникает из ничего. Общее количество энергии остается постоянным. Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. В самом деле, если в Природе при всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, и материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал, как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в прошлом веке почти всеобщим.

Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго закона термодинамики. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, то есть рассеивается в пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в Природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит «тепловая смерть Вселенной».

Подробный анализ этой гипотезы был выполнен Клаузиусом, и он считал правомерным распространение на всю Вселенную закона возрастания энтропии. Действительно, если рассмотреть Вселенную как адиабатически изолированную термодинамическую систему, то, учитывая ее бесконечный возраст, на основании закона возрастания энтропии можно сделать вывод о достижении ею максимума энтропии, то есть состояния термодинамического равновесия. Но в реально окружающей нас Вселенной этого не наблюдается.

Итак, необратимость реальных тепловых процессов в природе обусловлена стремлением термодинамических систем к равновесию, сопровождающемуся разрушением порядка и переходом к более вероятному неупорядоченному состоянию. И в соответствии со статистической формулировкой второго начала термодинамики «стрела времени» направлена в сторону увеличения энтропии системы. Это фундаментальное положение равновесной термодинамики было положено в основу одной достаточно популярной в свое время космологической гипотезы. Так, применив второе начало термодинамики ко всей Вселенной как к целому, он пришел к выводу, что конечным состоянием Вселенной должно стать состояние теплового равновесия, когда материя окажется равномерно распределенной по всему пространству.

Такая концепция получила название «тепловой смерти» Вселенной. Согласно этой концепции нынешнее состояние Вселенной - это гигантская флуктуация из равновесного состояния, которая в настоящее время «рассасывается», экспоненциально приближаясь к равновесному состоянию. В дальнейшем возможно повторение флуктуационного всплеска, сопровождающегося самопроизвольным упорядочением материи, после чего опять начнется релаксационный процесс, и так будет повторяться до бесконечности.

Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоиспытателей прошлого века вторым началом термодинамики, было особенно сильно еще и потому, что вокруг себя, в окружающей нас Природе они не видели фактов, его опровергающих. Наоборот, все, казалось, подтверждало мрачные прогнозы Клаузиуса. Конечно, есть в Природе и антиэнтропийные процессы, при которых беспорядок, а значит, и энтропия уменьшаются. Таковы процессы, происходящие в органическом мире, в человеческой деятельности. Но при более глубоком рассмотрении ситуации всегда оказывается, что уменьшение беспорядка в одном месте неизбежно сопровождается его увеличением в другом. Более того, возникший по вине человека беспорядок значительно превышает тот порядок, который он внес в Природу, так что, в конечном счете, энтропия и тут продолжает расти.

2. Опровержение гипотезы «тепловой смерти» Вселенной

В постнеклассической науке были сформулированы принципиально новые подходы к анализу принципа Клаузиуса и устранению термодинамического парадокса в космологии. Наиболее значительны перспективы, которых можно ожидать от космологической экстраполяции теории самоорганизации, развитой на основе идей русского космизма. Необратимые процессы в резко неравновесных, нелинейных системах позволяют, по-видимому, избежать тепловой смерти Вселенной, поскольку она оказывается открытой системой.

Мы видим таким образом, что принцип Клаузиуса до сих пор является почти неиссякаемым источником новых идей в комплексе физических наук. Тем не менее, несмотря на появление все новых моделей и схем, в которых тепловая смерть отсутствует, никакого «окончательного» разрешения термодинамического парадокса до сих пор не достигнуто. Все попытки разрубить «гордиев узел» проблем, связанных с принципом Клаузиуса, неизменно приводили лишь к частичным, отнюдь не строгим и не окончательным выводам, как правило, достаточно абстрактным. Содержавшиеся в них неясности порождали все новые проблемы и пока нет особой надежды, что успеха удастся достигнуть в обозримом будущем.

Вообще говоря, это - вполне обычный механизм развития научного познания, тем более что речь идет об одной из наиболее фундаментальных проблем.

Встать на позицию Клаузиуса - это значит признать, что Вселенная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец. Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то в ней давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как этого нет, то, по убеждению Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно. А в будущем, если не случится какое-нибудь чудо, Вселенную ждет тепловая смерть.

На опровержение второго начала термодинамики были брошены силы всех материалистически мыслящих ученых. Найти ошибку в рассуждениях Клаузиуса долго не удавалось. И первым, кто решил вопрос о «тепловой смерти», стал Л.Больцман, который показал, что и в состоянии термодинамического равновесия наблюдаются флуктуации термодинамических параметров. Если считать, что наблюдаемая Вселенная является следствием такой флуктуации, то противоречия парадокса тепловой смерти Вселенной снимаются.

Во-первых, вряд ли предположение о замкнутости (изолированности) Вселенной можно считать убедительно доказанным фактом. Во-вторых, статистическая интерпретация второго начала термодинамики разработана для молекул (точнее, для материальных точек), Вселенная же представляет собой другие объекты - планеты, звезды, галактики и т. п., и совершенно не обоснован перенос с закономерностей одного «мира» на другой. В-третьих, второе начало термодинамики, строго говоря, относится к системам, находящимся вблизи состояния теплового равновесия.

Сделанные Клаузиусом выводы, строго говоря, противоречат и первому началу термодинамики, утверждающему неуничтожимость движения, причем не только количественно, но и качественно. По его гипотезе, возрастание энтропии происходит потому, что состояние беспорядка всегда более вероятно, чем состояние порядка. Но это не означает, что процессы противоположного характера, то есть самопроизвольные с уменьшением энтропии, абсолютно невозможны. Они в принципе возможны, хотя и крайне маловероятны.

Всюду мы наблюдаем, как тепло от более горячего тела переходит к более холодному. Однако в принципе возможно и другое: кусок льда, брошенный в печь, увеличит ее жар. Не исключено и такое событие, что все молекулы воздуха в нашей комнате соберутся вдруг в одном ее углу, а вы погибнете от удушья в другом. Наконец, возможно, что обезьяна, посаженная за пишущую машинку, случайно выстучит пальцем сонет Шекспира. Все эти события возможны, но вероятность их близка к нулю. Такова же, по Больцману, вероятность существования нас с вами.

Больцман не сомневался, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени. В основном и почти всегда она пребывает в состоянии тепловой смерти. Однако иногда в некоторых ее районах возникают крайне маловероятные отклонения (флуктуации) от обычного состояния Вселенной. К одной из них принадлежит Земля и весь видимый нами космос. В целом же Вселенная - безжизненный мертвый океан с некоторым количеством островков жизни.

Заключение

Вот уже почти полтора века научное сообщество занимает вопрос: почему - вопреки принципу Клаузиуса - повсюду во Вселенной мы наблюдаем не процессы монотонной деградации, а напротив, процессы становления, возникновения новых структур.

В чем же состоит эпистемологическая природа рассматриваемого парадокса? Исходным было возникновение термодинамического парадокса на уровне научной картины мира (НКМ), на котором Клаузиус и осуществлял свою экстраполяцию возрастания принципа энтропии на Вселенную. Парадокс выступал как противоречие между выводом Клаузиуса и принципом бесконечности мира во времени. В самом деле, «тепловая смерть» Вселенной, даже если бы она произошла в каком-то отдаленном будущем, пусть даже через миллиарды или десятки миллиардов лет, все равно ограничивает «шкалу времени» человеческого прогресса. Вот почему высказывания о, казалось бы, чисто научной экстраполяции Клаузиуса, которую и обсуждать надо в строго научных рамках, приобретали характер беспрецедентных философско-мировоззренческих дискуссий по поводу физических принципов.

Можно выделить, по крайней мере, пять моментов, характеризующих эвристическую роль термодинамического парадокса в науке, который выступает неиссякаемым источником новых концептуальных достижений:

1.                 Принцип возрастания энтропии (в форме термодинамического парадокса) с самого своего появления не только не вписывался в карту мира Ньютона, но и вступил с ней в непримиримое противоречие, содействовал ее «разрушению». Этот принцип перечеркнул классический образ мира как часового механизма, движение которого полностью детерминировано начальными условиями и законами, отверг идею механического круговорота в природе. Так и не опровергнутый принцип Клаузиуса свидетельствовал: природа гораздо глубже, чем сложившееся до того времени и канонизированные культурой «общепринятые» представления о ней.

2.                 Отторгнутый ньютоновской картиной мира, этот принцип стал краеугольным камнем неклассических взглядов на природу.

3.                 Клаузиус, впервые после Ньютона, вернулся к проблематике мира как целого, впервые сформулировал проблему его эволюции не на философско-мировоззренческом уровне, как это было до него, а языком НКМ. Клаузиус впервые поставил вопрос о связи между эволюцией космических тел и систем и изменением состояния Вселенной как целого.

4.                 Принцип Клаузиуса впервые ввел в науку понимание эволюции как необратимого изменения состояния физических объектов - в противовес идее механического круговорота в классической картине мира.

5.                 Еще более значимыми с философско-мировоззренческой точки зрения следствиями принципа Клаузиуса были конструкты «конца», а значит, возможно, и «начала» мира.

6.                 И, наконец, принцип Клаузиуса сыграл важную эвристическую роль в становлении - почти столетие спустя - теории самоорганизации: «…эволюционная идея возникла в XIX в. в двух прямо противоположных формах: в термодинамике принцип Карно-Клаузиуса формулируется как закон непрерывной деорганизации и разрушения изначально заданной структуры. В биологии, или социологии, идея эволюции, напротив, ассоциируется с усложнением организации».

Противоречие между пониманием эволюции живой и неживой природы, возникшее после появления принципа Клаузиуса и на уровне классической НКМ и разрешавшееся отстаиванием различных вариантов принципам всеобщей обратимости физических процессов, снимается иными концептуальными структурами - теорией самоорганизации.

Вселенная как целое действительно подчиняется законам, «асимметричным по отношению к прошедшему и будущему». Но происходит это в соответствии со вторым началом термодинамики, а не в противоречии с ним.

Список использованной литературы

1.            Базаров И.П. Заблуждения и ошибки в термодинамике / И.П.Базаров. - М.: Едиториал, 2005.

2.            Казютинский В.В. Термодинамический парадокс в космологии / В.В.Казютинский. М.: Российская академия наук, 2004.

3.            Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Учебник для вузов.- М.: Высшая школа, 1998.