Загрузил Quirky Demigod

Referat

Реклама
ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
«МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ИНДУСТРИИ ТУРИЗМА
имени Ю.А.СЕНКЕВИЧА»
Факультет туризма и гостеприимства
Кафедра гуманитарных и социально экономических дисциплин
РЕФЕРАТ
по дисциплине: «Концепции современного естествознания»
Тема: «Критика теории тепловой смерти вселенной»
Выполнил:
Студент 3 курса, группы ТО1601
Добрынин Данил Павлович
Направление подготовки: 43.03.02 Туризм
Профиль: «Технология и организация
турагентской и туроператорской
деятельности»
___________________________________
«___»_________2017 г.
Проверил:
Доцент Платов Алексей Владимирович
_________________________________
«___»__________2017 г.
Москва 2017
Оглавление
Введение
Глава 1. Появление теории в 19 веке........................................................................5
1.1. Развитие теории в 20 веке..................................................................................5
Глава 2. Аргументы против гипотезы “тепловой смерти” Вселенной.................6
Глава 3. Современное представление о “тепловой смерти” Вселенной..............9
Глава 4. Эпоха черных дыр.....................................................................................10
Заключение...............................................................................................................11
Список использованных источников.....................................................................12
2
Введение
Тепловая смерть Вселенной (Т.С. В.) - это вывод о том, что все виды
энергии во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового
движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после
чего в ней прекратятся все макроскопические процессы. Этот вывод был
сформулирован Р. Клаузиусом (1865) на основе второго начала термодинамики.
Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся
энергией с другими системами (для Вселенной в целом такой обмен, очевидно,
исключен), стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию - к так
называемому состоянию с максимумом энтропии. Такое состояние
соответствовало бы Т. С.В. Ещё до создания современной космологии были
сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о Т. С.В. Наиболее
известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872), согласно
которой Вселенная извечно пребывает в равновесном изотермическом
состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда
происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем
большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения.
Современной космологией установлено, что ошибочен не только вывод о
Т.С.В., но ошибочны и ранние попытки его опровержения. Связано это с тем,
что не принимались во внимание существенные физические факторы и прежде
всего тяготение. С учётом тяготения однородное изотермическое
распределение вещества вовсе не является наиболее вероятным и не
соответствует максимуму энтропии. Наблюдения показывают, что Вселенная
резко нестационарна. Она расширяется, и почти однородное в начале
расширения вещество в дальнейшем под действием сил тяготения распадается
на отдельные объекты, образуются скопления галактик, галактики, звёзды,
планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и не требуют
нарушения законов термодинамики. Они и в будущем с учётом тяготения не
приведут к однородному изотермическому состоянию Вселенной - к Т. С.В.
3
Вселенная всегда нестатична и непрерывно эволюционирует.
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. Вместе с тем, его становление в науке
оказалось опутанным множеством предубеждений и совершенно неверных
интерпретаций. Необходим новый взгляд на эту, казалось бы, довольно хорошо
изученную проблему, которая приобретает нетрадиционный смысл в
постнеклассической науке.
4
Глава 1. Появление теории в 19 веке
В результате Второго закона термодинамики любая физическая система,
не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к самому
вероятному состоянию равновесия — к состоянию с наибольшей энтропией
(величина характеризующая степень неупорядоченности и теплового состояния
физической системы). Этот закон впервые был описан Сади Карно в 1824 году.
Как следствие этого, уже в 1852 году Уильям Кельвин предложил гипотезу о
грядущей в будущем “тепловой смерти Земли“ в ходе процесса остывания
нашей планеты до безжизненного состояния. В 1865 году Рудольф Клаузиус
распространил эту гипотезу уже на всю Вселенную.
В 1872 году австрийский физик Людвиг Больцман попытался
количественно оценить энтропию с помощью формулы S = k * ln W (где, S —
энтропия, k — константа Больцмана, W — количество микросостояний,
реализующих макросостояние. Микросостояние — это состояние отдельной
составляющей системы, а макросостояние — состояние системы в целом.
В настоящее время энтропия видимой части нашей Вселенной
оценивается примерно в 1088 или 10 октовигинтиллионов. Это значение
примерно соответствует числу фотонов в нашей Вселенной, для сравнения
число фотонов во Вселенной примерно в миллиард раз превышает число
барионов (обычных элементарных частей состоящих из нескольких кварков –
протонов, нейтронов, и т.д
1.1. Развитие теории в 20 веке
Открытие расширения Вселенной в 20 веке укрепило гипотезу будущей
“тепловой смерти Вселенной“. Астрономические наблюдения наиболее
удаленных частей наблюдаемой Вселенной показали, что наша Вселенная на
масштабе в несколько сотен мегапарсек имеет неупорядоченный ячеистый вид,
в котором сверхскопления галактик чередуются с огромными пустотами
(войдами).
Ещё большим свидетельством справедливости гипотезы стало открытие
реликтового излучения – теплового излучения Вселенной, возникшего во время
5
рекомбинации (соединения протонов и электронов в атомы) первичного
водорода, которое случилось через 379 тысяч лет. Процесс рекомбинации
происходит при температурах в 3 тысячи Кельвинов, в то же время текущая
температура реликтового излучения, определенная по его максимуму
составляет только 2.7 Кельвинов. Изучение реликтового излучения показало,
что оно является изотропным (однородным) для любого направления на небе на
уровне в 99.999%.
Астрономические наблюдения позволяют построить т.н. диаграмму Мадо
(«Madau-diagram»), которая показывает зависимость темпа звездообразования в
зависимости от возраста Вселенной.
Изучение статистики квазаров (ядер активных галактик) позволяет независимо
оценить темп звездообразования. Обзор 2DF, проведенный в 1997-2002 году на
австралийском телескопе ААТ изучил около 10 тысяч квазаров на площади
неба в 1.5 тысяч квадратных градусов в областях обоих галактических полюсов.
Другим доказательством верности теории будущей “тепловой смерти
Вселенной“ стали исследования ядерной физики, которые показали, что
энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре растет по мере
увеличения их числа в ядре большинства химических элементов.
Глава 2. Аргументы против гипотезы “тепловой смерти” Вселенной
Сомнения в справедливости гипотезы неизбежной “тепловой смерти
Вселенной” в будущем можно разделить на несколько моментов (см.
иллюстрацию теории Большого разрыва Вселенной).
Существует неопределенность в прогнозировании будущих изменений
объема нашей Вселенной. Существует как теория Большого разрыва Вселенной
(ускоренного расширения Вселенной до бесконечности), так и теория Большого
сжатия
Вселенной
(в
будущем
Вселенная
начнет
сжиматься).
Неопределенность между этими вариантами вызвана недавними открытиями
загадочной темной материи и энергии.
6
Существует неопределенностью в вопросе количества существующих
Вселенных, и возможности связи между ними. С одной стороны
фотометрический парадокс (парадокс Шезо — Ольберса) темного неба говорит
о конечности размера и возраста нашей Вселенной, а так же об отсутствии её
связи с другими Вселенными.
С другой стороны из принципа заурядности (принципа Коперника)
следует, что наша Вселенная не уникальна, и должно существовать
бесконечное множество других Вселенных с другим набором физических
констант. Кроме того современная физика допускает существование
пространственно-временных туннелей (кротовых нор) между разными
Вселенными.
Ключевыми моментами теории “тепловой смерти” Вселенной является
возможность распада протона и существование “излучения Хокинга“, но эти
гипотетические явления пока не доказаны экспериментально.
Существует большая неопределенность в вопросе влияния жизни и
разума на динамику энтропии Вселенной. В вопросе влияния неразумных
жизненных форм на энтропию Вселенной мало сомнений, что жизнь уменьшает
энтропию. В качестве доказательств этого можно привести факты более
сложной природы живых организмов по сравнению с любыми
неорганическими химическими веществами. Поверхность нашей планеты за
счет биосферы выглядит куда более разнообразной по сравнению с “мертвой“
поверхностью Луны, Марса или Венеры. Кроме того простейшие живые
организмы замечены в деятельности по обогащению земной атмосферы
кислородом (биогенный кислород), а так же генерированию богатых
месторождений полезных ископаемых (биогенез).
В то же время остаётся без ответа вопрос о том, увеличивает или
уменьшает энтропию Вселенной разумная жизнь (то есть человек)? С одной
стороны человеческий мозг является наиболее сложной формой из известных
среди живых организмов, как и то, что научно-технический прогресс позволил
людям достичь невиданных высот в познании и конструирование, в том числе в
синтезировании химических элементов и элементарных частиц, которых не
наблюдается в природе. Современная человеческая цивилизация способна
предотвращать крупные природные катастрофы (лесные пожары, наводнения,
массовые эпидемии и т.д.) и в шаге от возможности предотвращения катастроф
7
планетарного масштаба (падения небольших астероидов и комет.
С
другой
стороны
человеческая
цивилизация
выделяется
и
“энтропийными“ тенденциями. Растет разрушительная мощь оружейных
арсеналов вместе с увеличением числа опасных химических и ядерных
производств,
горная
промышленность
всего
за
десятилетия
способна
опустошить месторождения полезных ископаемых, которые накапливались на
планете многие сотни миллионов лет. Развитие сельского хозяйства привело к
обезлесению большей части поверхности нашей планеты, а так же способствует
деградации почв и опутыванию. Браконьерство, выбросы парниковых газов
(возможное окисление океана) и т.д. быстро сокращают биоразнобразие нашей
планеты, в связи, с чем экологи причисляют нынешнее время к новому
массовому вымиранию. Кроме того в последние десятилетия отмечено сильное
снижение рождаемости и в наиболее развитых странах, не исключено что эта
демографическая ситуация стала следствием запредельного усложнения быта
человеческой цивилизации.
В связи со всеми этими тенденциями, ближайшее будущее человеческой
цивилизации представляет собой огромное количество возможных вариантов:
начиная от эпической картины космической колонизации всей галактики
вместе со строительством сфер Дайсона, расцветом искусственного интеллекта
и установлением контакта с внеземными цивилизациями вплоть до отката в
вечное
средневековье
на
планете
с
подорванными
минеральными
и
биологическими ресурсами. Парадокс Ферми (Великое молчание Вселенной)
добавляет ещё больше неопределенности в вопросе влияния жизни и разума на
динамику энтропии Вселенной, так как существует огромный диапазон для его
объяснения: от огромной редкости биосфер и разумных цивилизаций во
Вселенной до гипотезы, что наша Земля представляет собой некий
“заповедник“ или “матрицу“ в мире разумных сверхцивилизаций.
8
Глава 3. Современное представление о “тепловой смерти“ Вселенной
В
настоящее
время
физики
рассматривают
следующую
последовательность эволюции Вселенной в будущем при условии её
дальнейшего расширения с текущей скоростью:
 1-100 триллионов (1012) лет – завершение процессов образования
звезд во Вселенной и угасание даже самых поздних красных карликов.
После этого момента во Вселенной останутся только звездные остатки:
черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики.
 1 квадратиллионов (1015) лет – все планеты покинут свои орбиты
вокруг звезд в связи с гравитационными возмущениями от близких пролетов
других звезд.
 10-100 квинтиллионов (1018) лет – все планеты, коричневые
карлики и звездные остатки покинут свои галактики по причине постоянных
гравитационных возмущений друг от друга.
 100 квинтиллионов (1018) лет – приблизительное время падения
Земли на Солнце по причине излучения гравитационных волн, в случае если
бы Земля пережила стадию красного гиганта и осталась бы на своей орбите.
 2 анвигинтиллиона (1066) лет – приблизительное время полного
испарения черной дыры массой с Солнце.
 17 септдециллиардов (10105) лет – приблизительное время полного
испарения черной дыры массой в 10 триллионов масс Солнца. Это время
окончания эпохи черных дыр.
В дальнейшем будущее Вселенной распадается на два возможных
варианта в зависимости от того является ли протон стабильной элементарной
частицей или нет:
 А) Протон является нестабильной элементарной частицей;
 А1) 10 дециллионов (1033) лет – наименьшее возможное время
полураспада протона согласно экспериментам ядерных физиков на Земле;
 А2) 2 ундециллиона (1036) лет – наименьшее возможное время
распада всех протонов во Вселенной;
 А3) 100 додециллионов (1039) лет – наибольшее возможное время
полураспада протона, которое следует из гипотезы, что Большой взрыв
объясняется инфляционными космологическими теориями, и что распад
протона вызван тем же процессом, который ответственен за преобладание
барионов над антибарионами в ранней Вселенной;
 А4) 30 тредециллионов (1041) лет – максимальное возможное время
распада всех барионов во Вселенной. После этого времени должна начаться
эпоха черных дыр, так как они останутся единственными существующими
небесными объектами во Вселенной;
 А5) 17 септдециллиардов (10105) лет – примерное время полного
испарения даже наиболее массивных черных дыр. Это время окончания
эпохи черных дыр, и наступления эпохи вечной тьмы, в которой все объекты
Вселенной распались до субатомных частиц и замедлились до наименьшего
9
энергетического уровня.
Б) Протон стабильная элементарная частица;
Б1) 100 вигинтиллионов (1063) лет – время, за которое все тела в твердой
форме даже при абсолютном нуле превратятся в “жидкообразное” состоянии,
вызванное эффектом квантового туннелирования – миграцией в другие части
кристаллической решетки;
Б2) 101500 лет – появление гипотетических железных звезд по причине
процессов
холодного
нуклеосинтеза,
идущего
путём
квантового
туннелирования, в ходе которого легкие ядра преобразуются в наиболее
стабильный изотоп – Fe56 (по другим сведениям самым стабильным изотопом
является никель-62, который обладает наиболее высокой энергией связи.).
Одновременно тяжелые ядра также превращаются в железо по причине
радиоактивного распада;
Б3) 10 в 1026 – 10 в 1076 лет – оценка диапазона времени в течение
которого все вещество во Вселенной аккрецирует в черные дыры.
Глава 4. Эпоха черных дыр
Также следует отметить предположение, что после 10 в 10120 лет все
вещество во Вселенной достигнет минимального энергетического состояния.
То есть это и будет гипотетическое наступление “тепловой смерти“
Вселенной. Кроме того у математиков существует понятие времени возврата
Пуанкаре.
Это понятие означает вероятность того, что рано или поздно любая часть
системы вернется в свое первоначальное состояние. Хорошей иллюстрацией
этого понятия является вариант, когда в сосуде, разделенном на две части
перегородкой, в одной из частей находится некий газ. Если убрать перегородку,
то все равно рано или поздно наступит время, когда все молекулы газа
окажутся в исходной половине сосуда. Для нашей Вселенной время возврата
Пуанкаре оценивается фантастически большой величиной.+
Теория “тепловой смерти“ Вселенной стала популярна и в массовой культуре.
Хорошей иллюстрацией этой теории стал клип группы Комплексные числа:
“Неизбежность”, а так же научно-фантастический рассказ Айзека Азимова
“Последний
вопрос”.
10
Заключение
Итак, мы можем отметить, что 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. Продолжаются и поиски теоретических схем
"антиэнтропийных" процессов, непосредственно предсказываемых научной
картиной мира, основанной на космической философии К.Э. Циолковского;
правда, такой подход разделяется лишь немногими естествоиспытателями.
Сквозь всю новизну постнеклассических подходов к анализу проблем
термодинамики Вселенной "просвечивают", однако, те же самые "темы",
которые сформировались еще во второй половине Х1Х века и порождены
парадоксом Клаузиуса и дискуссиями вокруг него.
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. Но ведь далеко не всякий принцип науки, как и вообще не любой
фрагмент НКМ, является столь эвристичным, каким выступает принцип
Клаузиуса. Можно назвать несколько причин, объясняющих, с одной стороны,
эвристичность этого принципа, который до сих пор не вызывает ничего, кроме
раздражения, у догматиков - безразлично, естествоиспытателей или философов,
с другой - неудачи его критиков.
Первое - сложности любых противостоящих этому принципу "игр с
бесконечностью", каковы бы ни были их концептуальные основания.
Вторая причина - использование неадекватного смысла термина
"Вселенная как целое" - все еще обычно понимаемого в значении "всего
существующего" или "тотальности всех вещей". Неопределенность этого
термина,
вполне
соответствующая
неясностям
употребления
неэксплицируемых смыслов бесконечности, резко противостоит четкости
11
формулировки самого принципа Клаузиуса. Понятие „Вселенная” в этом
принципе не конкретизировано, но именно потому и возможно рассматривать
проблему его применимости к различным вселенным, конструируемым
средствами теоретической физики и интерпретируемым как „все
существующее” лишь с точки зрения данной теории (модели).
И, наконец, третья причина: как сам принцип Клаузиуса, так и попытки
разрешения выдвинутого на его основе термодинамического парадокса
предвосхитили одну из черт постнеклассической науки _ включенность
гуманистических факторов в идеалы и нормы объяснения, а также
доказательности знаний. Эмоциональность, с какой на протяжении более сотни
лет критиковали принцип Клаузиуса, выдвигали различные его альтернативы,
анализировали возможные схемы антиэнтропийных процессов, имеет, пожалуй,
мало прецедентов в истории естествознания - и классического, и
неклассического. Принцип Клаузиуса явно апеллирует к постнеклассической
науке, которая включает „человеческое измерение”. Естественно, в прошлом
эта особенность рассматриваемых знаний еще не могла быть по-настоящему
осознана. Но сейчас, ретроспективно, некие "зародыши" идеалов и норм
постнеклассической науки мы находим в этих старых дискуссиях.
Список использованных источников
А). Основная литература
1. Концепции современного естествознания. / под ред. проф. С.А.
Самыгина, 10-е изд. - Ростов н/Д: "Феникс", 2015. - 580 с.
Б). Интернет-ресурсы
1). http://www.astrotime.ru/ [Электронный ресурс].
2). http://spacegid.com/ [Электронный ресурс].
3). https://studfiles.net/ [Электронный ресурс].
12
Скачать
Случайные карточки
Каталог карточек