Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής: η μηχανή αέναης κίνησης του δεύτερου είδους και ο θερμικός θάνατος του Σύμπαντος. Θερμοδυναμικό παράδοξο «Ο θερμικός θάνατος του Σύμπαντος Η ιστορία των ιδεών για τον θερμικό θάνατο του Σύμπαντος

Ήρθε η ώρα να ασχοληθούμε με το δεύτερο θεμελιώδες αξίωμα της θερμοδυναμικής, το οποίο ονομάζεται δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Ο δεύτερος νόμος δεν μπορεί να αποδειχθεί στο πλαίσιο της κλασικής θερμοδυναμικής. Οι διατυπώσεις του είναι αποτέλεσμα γενίκευσης εμπειριών, παρατηρήσεων και πειραμάτων. Ας προσπαθήσουμε να μιλήσουμε για αυτό σύντομα και ξεκάθαρα.

Στο τελευταίο άρθρο για τη θερμοδυναμική, μιλήσαμε για θερμοδυναμικά συστήματα που αποτελούνται από μεγάλο αριθμό σωματιδίων. Για να περιγράψουμε τέτοια συστήματα, τα λεγόμενα κρατικές λειτουργίες .

Συνάρτηση θερμοδυναμικής κατάστασης (ή θερμοδυναμικό δυναμικό) είναι μια συνάρτηση που εξαρτάται από πολλές ανεξάρτητες παραμέτρους που καθορίζουν την κατάσταση του συστήματος. Για να γίνει πιο σαφές, ας πάρουμε ένα παράδειγμα. Μία από τις λειτουργίες κατάστασης ενός συστήματος είναι η εσωτερική του ενέργεια. Δεν εξαρτάται από το πώς ακριβώς το σύστημα κατέληξε σε αυτή την κατάσταση.

Μια άλλη έννοια που πρέπει να εξοικειωθείτε είναι εντροπία . Για να κατανοήσουμε τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, η εντροπία είναι πολύ σημαντική. Και επίσης αυτό όμορφη λέξη, που βάζει πολλούς σε λήθαργο και που μπορείς να το επιδείξεις στην παρέα.

Στη γενικότερη περίπτωση, εντροπία είναι ένα μέτρο της τυχαιότητας κάποιου συστήματος

Απλό παράδειγμα : Ας υποθέσουμε ότι έχετε ένα συρτάρι για κάλτσες. Εάν όλες οι κάλτσες στο κουτί είναι διάσπαρτες και ανακατεμένες και μία κάθε φορά, η εντροπία ενός τέτοιου συστήματος είναι μέγιστη. Και αν οι κάλτσες συλλέγονται σε ζευγάρια και βρίσκονται τακτοποιημένα στη σειρά - είναι ελάχιστο.

Στη θερμοδυναμική, εντροπία είναι συνάρτηση της κατάστασης του θερμοδυναμικού συστήματος, η οποία καθορίζει το μέτρο της μη αναστρέψιμης διασποράς ενέργειας. Τι σημαίνει? Αυτό σημαίνει ότι κάποιο μέρος της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος δεν μπορεί να μετατραπεί στο μηχανικό έργο που εκτελεί το σύστημα. Για παράδειγμα, η διαδικασία μετατροπής της θερμότητας σε μηχανικό έργο συνοδεύεται πάντα από απώλειες, με αποτέλεσμα η θερμότητα να μετατρέπεται σε άλλα είδη ενέργειας.

Με μη αναστρέψιμες θερμοδυναμικές διεργασίες, αυξάνεται και με αναστρέψιμες διεργασίες, παραμένει σταθερό. Μαθηματική σημειογραφία για την εντροπία (S):

Εδώ, δέλτα Q είναι η ποσότητα θερμότητας που παρέχεται ή αφαιρείται από το σύστημα, T είναι η θερμοκρασία του συστήματος, dS είναι η μεταβολή της εντροπίας.

Υπάρχουν πολλές διαφορετικές διατυπώσεις του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής, και εδώ είναι μία από αυτές:

Η εντροπία ενός κλειστού συστήματος αυξάνεται με τυχόν μη αναστρέψιμες διεργασίες σε αυτό το σύστημα

Δεδομένου ότι μας ενδιαφέρει να κατανοήσουμε την ουσία των πραγμάτων, εδώ είναι ένας άλλος πολύ απλός ορισμός:

Παρεμπιπτόντως, αυτή η διατύπωση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής ανήκει στον Rudolf Clausius, ο οποίος εισήγαγε την έννοια εντροπία .

Και πάλι μια μηχανή αέναης κίνησης

Αφού απογοητεύτηκαν με την ιδέα μιας μηχανής αέναης κίνησης πρώτου είδους, οι άνθρωποι δεν σκέφτηκαν καν να τα παρατήσουν. Μετά από κάποιο χρονικό διάστημα, εφευρέθηκε μια μηχανή αέναης κίνησης δεύτερου είδους, η εργασία της οποίας βασιζόταν στη μεταφορά θερμότητας και δεν έρχεται σε αντίθεση με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας. Ένας τέτοιος κινητήρας μετατρέπει όλη τη θερμότητα που λαμβάνεται από τα γύρω σώματα σε εργασία. Για παράδειγμα, ως εφαρμογή του, υποτίθεται ότι θα αποκτούσε τεράστια ποσότητα θερμότητας ψύχοντας τον ωκεανό. Αλλά ευτυχώς, τα πράγματα δεν ήρθαν να δροσίσουν τον ωκεανό και να παγώσουν τα ψάρια, γιατί. αυτή η ιδέα έρχεται σε αντίθεση με τον δεύτερο νόμο της δυναμικής. Η απόδοση οποιουδήποτε μηχανήματος δεν μπορεί να είναι ίσο με έναόπως η θερμότητα δεν μπορεί να μετατραπεί πλήρως σε εργασία. Έτσι, ανεξάρτητα από το πόσο σκληρά προσπαθείτε, είναι αδύνατο να δημιουργήσετε μια μηχανή αέναης κίνησης δεύτερου είδους, όπως ακριβώς μια μηχανή αέναης κίνησης πρώτου είδους.

Θερμικός Θάνατος του Σύμπαντος

Μετά την εισαγωγή της έννοιας της εντροπίας από τον Rudolf Clausius το 1865, προέκυψαν πολλές διαφωνίες, εικασίες και θεωρίες που σχετίζονται με αυτήν την έννοια. Ένα από αυτά είναι η υπόθεση του θερμικός θάνατος του σύμπαντος, που διατυπώθηκε από τον ίδιο τον Clausius με βάση τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Αυτή η θεωρία, που διατυπώθηκε από τον Clausius, λέει ότι το Σύμπαν, όπως κάθε κλειστό σύστημα, τείνει σε μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, που χαρακτηρίζεται από μέγιστη εντροπία και την πλήρη απουσία μακροσκοπικών διεργασιών, η οποία με τη σειρά της δίνει νόημα στην έννοια του χρόνου οικεία σε εμάς. . Σύμφωνα με τον Clausius: Η ενέργεια του κόσμου παραμένει σταθερή. Η εντροπία του κόσμου τείνει στο μέγιστο» . Αυτό σημαίνει ότι όταν το Σύμπαν φτάσει σε μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, όλες οι διεργασίες θα σταματήσουν και ο κόσμος θα βυθιστεί σε μια κατάσταση «θερμικού θανάτου». Η θερμοκρασία σε οποιοδήποτε σημείο στο Σύμπαν θα είναι η ίδια, δεν θα υπάρχουν πλέον λόγοι που μπορούν να προκαλέσουν την εμφάνιση οποιωνδήποτε διεργασιών.

Η έννοια του θερμικού θανάτου του σύμπαντος ήταν αρκετά διαδεδομένη στο πρόσφατο παρελθόν και αποτέλεσε αντικείμενο ενεργών συζητήσεων. Έτσι, στο βιβλίο του Jeans "Universe around us" (1932) μπορεί κανείς να βρει τις ακόλουθες γραμμές σχετικά με τον θερμικό θάνατο του Σύμπαντος: «Το σύμπαν δεν μπορεί να υπάρχει για πάντα. αργά ή γρήγορα πρέπει να έρθει μια στιγμή που η τελευταία ενέργεια της ενέργειας θα φτάσει στον υψηλότερο βαθμό στη σκάλα της φθίνουσας χρησιμότητας, και εκείνη τη στιγμή η ενεργός ζωή του Σύμπαντος θα πρέπει να σταματήσει..

Κατά την εξαγωγή της θεωρίας του, ο Clausius κατέφυγε στη συλλογιστική του στις ακόλουθες παρεκβολές (προσεγγίσεις):

1. Το Σύμπαν θεωρείται ως ένα κλειστό σύστημα.
2. Η εξέλιξη του κόσμου μπορεί να περιγραφεί ως αλλαγή των καταστάσεων του.

Ενδιαφέρον γεγονός : Ο συλλογισμός για τον θερμικό θάνατο επέτρεψε στην εκκλησία να δηλώσει ότι από επιστημονική άποψη (συμπεριλαμβανομένης της θεωρίας του Clausius) είναι δυνατό να βρεθούν υποθέσεις που υποδηλώνουν την ύπαρξη του Θεού. Έτσι, το 1952, σε μια συνάντηση της «Ποντιφικής Ακαδημίας Επιστημών», ο Πάπας Πίος 12ος είπε στην ομιλία του: «Ο νόμος της εντροπίας, που ανακαλύφθηκε από τον Ρούντολφ Κλαούσιους, μας έδωσε την πεποίθηση ότι οι αυθόρμητες φυσικές διεργασίες συνδέονται πάντα με κάποια απώλεια ελεύθερη ενέργεια που μπορεί να χρησιμοποιηθεί, από όπου προκύπτει ότι σε ένα σύστημα κλειστού υλικού, στο τέλος, αυτές οι διεργασίες σε μακροσκοπική κλίμακα κάποια μέρα θα σταματήσουν. Αυτή η θλιβερή αναγκαιότητα ... μαρτυρά εύγλωττα την ύπαρξη ενός Αναγκαίου Όντος.

Διάψευση της θεωρίας του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος

Όπως σημειώθηκε παραπάνω από τον Clausius, ορισμένες παρεκβολές χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή της θεωρίας του. Σήμερα, παρά κάποιες δυσκολίες, μπορούμε να πούμε με ασφάλεια ότι τέτοια συμπεράσματα είναι αντιεπιστημονικά. Το θέμα είναι ότι υπάρχουν ορισμένα όρια εφαρμογής του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής: κατώτερο και άνω. Έτσι, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δεν μπορεί να εφαρμοστεί για να περιγράψει μικροσυστήματα των οποίων οι διαστάσεις είναι συγκρίσιμες με αυτές των μορίων, και για μακροσυστήματα που αποτελούνται από άπειρο αριθμό σωματιδίων, δηλ. για το σύμπαν συνολικά.

Στην πραγματικότητα, ο πρώτος επιστήμονας που καθιέρωσε τη στατιστική φύση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής και αντιτάχθηκε στη λεγόμενη υπόθεση της διακύμανσης στη θεωρία του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος ήταν ο εξαιρετικός υλιστής φυσικός Boltzmann. Υπάρχει ένας τύπος Boltzmann που μας επιτρέπει να δώσουμε μια στατιστική ερμηνεία του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής

Εδώ S είναι η εντροπία του συστήματος, k είναι η σταθερά Boltzmann, P είναι η θερμοδυναμική πιθανότητα της κατάστασης, η οποία καθορίζει τον αριθμό των μικροκαταστάσεων του συστήματος που αντιστοιχούν σε μια δεδομένη μακροκατάσταση. Σύμφωνα με τον τύπο Boltzmann,

Δηλαδή, η θερμοδυναμική πιθανότητα της κατάστασης ενός απομονωμένου συστήματος για όλες τις διεργασίες που συμβαίνουν σε αυτό δεν μπορεί να μειωθεί. Ωστόσο, από τότε για συστήματα που αποτελούνται από άπειρο αριθμό σωματιδίων, όλες οι καταστάσεις θα είναι εξίσου πιθανές, η παραπάνω σχέση δεν ισχύει για το Σύμπαν. Σε τέτοια συστήματα, υπάρχουν σημαντικά διακυμάνσεις(διακύμανση - απόκλιση της πραγματικής τιμής ενός συγκεκριμένου μεγέθους από τη μέση τιμή του), που είναι αποκλίσεις από τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο. Σύμφωνα με τον Boltzmann, η κατάσταση της θερμοδυναμικής ισορροπίας είναι μόνο η πιο κοινή και πιθανή. Μαζί με αυτό, αυθαίρετα μεγάλες διακυμάνσεις μπορούν να προκύψουν αυθόρμητα σε ένα σύστημα ισορροπίας. Δηλαδή στο Σύμπαν, που βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας, προκύπτουν διαρκώς διακυμάνσεις και μια τέτοια διακύμανση είναι η περιοχή του χώρου στην οποία βρισκόμαστε.

Η σύγχρονη προσέγγιση απορρίπτει άνευ όρων τη θεωρία του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος. Λαμβάνοντας υπόψη την τεράστια ηλικία του Σύμπαντος και το γεγονός ότι δεν βρίσκεται σε κατάσταση θερμικού θανάτου, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το Σύμπαν υφίσταται διεργασίες που εμποδίζουν την ανάπτυξη της εντροπίας, δηλ. διεργασίες με αρνητική εντροπία. Ωστόσο, τα συμπεράσματα του Boltzmann ότι η κατάσταση της θερμοδυναμικής ισορροπίας επικρατεί στο Σύμπαν αντικρούονται όλο και περισσότερο από το αυξανόμενο πειραματικό υλικό της αστρονομίας. Η ύλη έχει την ποτέ χαμένη ικανότητα να συγκεντρώνει ενέργεια και να μετατρέπει μια μορφή κίνησης σε άλλη. Για παράδειγμα, η διαδικασία σχηματισμού αστεριών από διάσπαρτη ύλη υπακούει σε ορισμένους νόμους και δεν μπορεί να περιοριστεί αποκλειστικά σε τυχαίες διακυμάνσεις στην κατανομή της ενέργειας στο Σύμπαν.

Αγαπητοί φίλοι και φίλες! Σήμερα ανακαλύψαμε, αν είναι δυνατόν, τι σημαίνει η έννοια της εντροπίας για τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, μάθαμε ότι μια μηχανή αέναης κίνησης του δεύτερου είδους είναι αδύνατη και επίσης χαιρόμαστε που ο θερμικός θάνατος του Σύμπαντος δεν θα συμβεί τελικά. Ελπίζουμε, όπως πάντα, να σας άρεσε το άρθρο μας, στο οποίο προσπαθήσαμε να μιλήσουμε για τη θερμοδυναμική με απλό, κατανοητό και ενδιαφέρον τρόπο. Σας ευχόμαστε καλή επιτυχία στις σπουδές σας και σας υπενθυμίζουμε ότι είμαστε πάντα έτοιμοι να προτείνουμε, να βοηθήσουμε, να συμβουλεύσουμε και να αναλάβουμε μέρος του φόρτου εργασίας. τους ειδικούς μας. Μάθετε και απολαύστε τη ζωή σας!

Είναι απίθανο να πραγματοποιήθηκαν κοινωνιολογικές έρευνες στον γενικό πληθυσμό με θέμα: Γιατί σας ενδιαφέρει η γνώση για το Σύμπαν; Αλλά είναι πολύ πιθανό ότι οι περισσότεροι απλοί άνθρωποι που δεν ασχολούνται με την επιστημονική έρευνα ανησυχούν για τα επιτεύγματα των σύγχρονων επιστημόνων στον τομέα της μελέτης του Σύμπαντος μόνο σε σχέση με ένα πρόβλημα - είναι το Σύμπαν μας πεπερασμένο, και αν ναι, πότε να περιμένουμε καθολικός θάνατος; Ωστόσο, τέτοιες ερωτήσεις ενδιαφέρουν όχι μόνο τους απλούς ανθρώπους: για σχεδόν ενάμιση αιώνα, οι επιστήμονες διαφωνούν επίσης για αυτό το θέμα, συζητώντας τη θεωρία του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος.

Η αύξηση της ενέργειας οδηγεί σε θάνατο;

Στην πραγματικότητα, η θεωρία του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος προκύπτει λογικά από τη θερμοδυναμική και αργά ή γρήγορα έπρεπε να εκφραστεί. Εκφράστηκε όμως σε ένα πρώιμο στάδιο της σύγχρονης επιστήμης, στα μέσα του 19ου αιώνα. Η ουσία του είναι να θυμάται τις βασικές έννοιες και τους νόμους του Σύμπαντος και να τους εφαρμόζει στο ίδιο το Σύμπαν και στις διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα σε αυτό. Άρα, από την άποψη της κλασικής θερμοδυναμικής, το Σύμπαν μπορεί να θεωρηθεί ως ένα κλειστό θερμοδυναμικό σύστημα, δηλαδή ένα σύστημα που δεν ανταλλάσσει ενέργεια με άλλα συστήματα.

Δεν υπάρχει κανένας λόγος να πιστεύουμε, υποστηρίζουν οι υποστηρικτές της θεωρίας του θερμικού θανάτου, ότι το Σύμπαν μπορεί να ανταλλάξει ενέργεια με οποιοδήποτε σύστημα εξωτερικό του, αφού δεν υπάρχουν στοιχεία ότι υπάρχει κάτι άλλο εκτός από το Σύμπαν. Στη συνέχεια, στο Σύμπαν, όπως και σε κάθε κλειστό θερμοδυναμικό σύστημα, ισχύει ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, που είναι ένα από τα κύρια αξιώματα της σύγχρονης επιστημονικής κοσμοθεωρίας. Ο δεύτερος θερμοδυναμικός νόμος λέει ότι τα κλειστά θερμοδυναμικά συστήματα τείνουν στην πιο πιθανή κατάσταση ισορροπίας, δηλαδή στην κατάσταση με τη μέγιστη εντροπία. Στην περίπτωση του Σύμπαντος, αυτό σημαίνει ότι ελλείψει «καναλιών για την έξοδο» ενέργειας, η πιο πιθανή κατάσταση ισορροπίας είναι η κατάσταση μετατροπής όλων των τύπων ενέργειας σε θερμότητα. Και αυτό σημαίνει μια ομοιόμορφη κατανομή της θερμικής ενέργειας σε όλη την ύλη, μετά την οποία θα σταματήσουν όλες οι γνωστές μακροσκοπικές διεργασίες στο Σύμπαν, το Σύμπαν θα φαίνεται να έχει παραλύσει, κάτι που, φυσικά, θα οδηγήσει στον τερματισμό της ζωής.

Το σύμπαν δεν είναι τόσο εύκολο να πεθάνεις από θερμό θάνατο

Ωστόσο, η συμβατική σοφία ότι όλοι οι επιστήμονες είναι απαισιόδοξοι και τείνουν να εξετάζουν μόνο τις πιο δυσμενείς επιλογές είναι άδικη. Μόλις διατυπώθηκε η θεωρία του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος, η επιστημονική κοινότητα άρχισε αμέσως να αναζητά επιχειρήματα για να τη διαψεύσει. Και τα επιχειρήματα βρέθηκαν στο σε μεγάλους αριθμούς. Πρώτα απ 'όλα, και το πρώτο από αυτά ήταν η άποψη ότι το Σύμπαν δεν μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύστημα που είναι ικανό να βρίσκεται σε κατάσταση ισορροπίας όλη την ώρα. Ακόμη και αν ληφθεί υπόψη ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, το Σύμπαν μπορεί γενικά να φτάσει σε κατάσταση ισορροπίας, αλλά τα επιμέρους τμήματα του μπορεί να παρουσιάσουν διακυμάνσεις, δηλαδή κάποιες εκπομπές ενέργειας. Αυτές οι διακυμάνσεις δεν επιτρέπουν να ξεκινήσει η διαδικασία μετατροπής όλων των τύπων ενέργειας σε αποκλειστικά θερμική ενέργεια.

Μια άλλη άποψη που αντιτίθεται στη θεωρία του θερμικού θανάτου επισημαίνει την ακόλουθη περίσταση: αν ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής ήταν πραγματικά εφαρμόσιμος στο Σύμπαν σε απόλυτο βαθμό, τότε ο θερμικός θάνατος θα είχε έρθει εδώ και πολύ καιρό. Δεδομένου ότι αν το Σύμπαν υπάρχει για απεριόριστο χρονικό διάστημα, τότε η ενέργεια που έχει συσσωρευτεί σε αυτό θα έπρεπε ήδη να είναι αρκετή για θερμικό θάνατο. Αλλά αν δεν υπάρχει ακόμα αρκετή ενέργεια, τότε το Σύμπαν είναι ένα ασταθές, αναπτυσσόμενο σύστημα, δηλαδή διαστέλλεται. Κατά συνέπεια, σε αυτή την περίπτωση, δεν μπορεί να είναι ένα κλειστό θερμοδυναμικό σύστημα, αφού ξοδεύει ενέργεια για τη δική του ανάπτυξη και διαστολή.

Τέλος, η σύγχρονη επιστήμη αμφισβητεί τη θεωρία του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος από άλλες θέσεις. Η πρώτη είναι η γενική θεωρία της σχετικότητας. , σύμφωνα με την οποία το Σύμπαν είναι ένα σύστημα που βρίσκεται σε μεταβλητό βαρυτικό πεδίο. Από αυτό προκύπτει ότι είναι ασταθής και ο νόμος της εντροπίας αυξάνεται, δηλαδή η δημιουργία κατάστασης ισορροπίας του Σύμπαντος είναι αδύνατη. Τελικά, οι σημερινοί επιστήμονες συμφωνούν ότι η γνώση της ανθρωπότητας για το Σύμπαν δεν αρκεί για να δηλώσει κατηγορηματικά ότι είναι ένα κλειστό θερμοδυναμικό σύστημα, δηλαδή δεν έχει επαφές με κάποια εξωτερικά συστήματα. Επομένως, δεν είναι ακόμη δυνατό να επιβεβαιωθεί ή να αντικρουστεί οριστικά η θεωρία του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος.

Αλεξάντερ Μπαμπίτσκι

(ΑΝ ΚΑΠΟΙΟΣ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΑΝΑΓΝΩΣΤΕΣ ΕΝΔΙΑΦΕΡΕΙ ΓΙΑ ΑΥΤΟ ΤΟ ΚΕΙΜΕΝΟ ΚΑΙ ΟΙ ΠΙΝΑΚΕΣ ΚΑΙ Η ΦΟΡΜΟΥΛΑ ΘΑ ΧΑΘΟΥΝ - ΓΡΑΨΤΕ ΜΟΥ ΜΕ ΤΑΧΥΔΡΟΜΕΙΟ - ΘΑ ΣΤΕΙΛΩ ΤΟ ΕΡΓΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΜΕ ΜΠΟΤΒΙΔΙΑ, Φιγούρες ΚΑΙ ΠΙΝΑΚΕΣ)
Εισαγωγή
Ο θερμικός θάνατος του Σύμπαντος (T.S.V.) είναι το συμπέρασμα ότι όλοι οι τύποι ενέργειας στο Σύμπαν πρέπει τελικά να μετατραπούν σε ενέργεια θερμικής κίνησης, η οποία θα κατανεμηθεί ομοιόμορφα στην ουσία του Σύμπαντος, μετά την οποία όλες οι μακροσκοπικές διεργασίες θα σταματήσουν στο το.
Αυτό το συμπέρασμα διατυπώθηκε από τον R. Clausius (1865) με βάση το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, κάθε φυσικό σύστημα που δεν ανταλλάσσει ενέργεια με άλλα συστήματα (μια τέτοια ανταλλαγή προφανώς αποκλείεται για το Σύμπαν ως σύνολο) τείνει στην πιο πιθανή κατάσταση ισορροπίας - στη λεγόμενη κατάσταση με μέγιστη εντροπία.
Μια τέτοια κατάσταση θα αντιστοιχούσε στο T.S.V. Ακόμη και πριν από τη δημιουργία της σύγχρονης κοσμολογίας, έγιναν πολυάριθμες προσπάθειες να διαψευσθεί το συμπέρασμα για το T.S.W. Η πιο γνωστή από αυτές είναι η υπόθεση της διακύμανσης του L. Boltzmann (1872), σύμφωνα με την οποία το Σύμπαν βρίσκεται αιώνια σε ισοθερμική κατάσταση ισορροπίας, αλλά σύμφωνα με το νόμο της τύχης, μερικές φορές σε ένα μέρος και μετά σε άλλο, αποκλίσεις από αυτό κατάσταση μερικές φορές συμβαίνουν? εμφανίζονται λιγότερο συχνά, όσο μεγαλύτερη είναι η περιοχή που συλλαμβάνεται και τόσο μεγαλύτερος είναι ο βαθμός απόκλισης.
Η σύγχρονη κοσμολογία έχει αποδείξει ότι όχι μόνο το συμπέρασμα για το T.S.V. είναι εσφαλμένο, αλλά και οι πρώιμες απόπειρες διάψευσής του είναι επίσης εσφαλμένες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δεν ελήφθησαν υπόψη σημαντικοί φυσικοί παράγοντες και, κυρίως, η βαρύτητα. Λαμβάνοντας υπόψη τη βαρύτητα, μια ομοιογενής ισοθερμική κατανομή της ύλης δεν είναι σε καμία περίπτωση η πιο πιθανή και δεν αντιστοιχεί στο μέγιστο της εντροπίας.
Οι παρατηρήσεις δείχνουν ότι το Σύμπαν είναι έντονα μη ακίνητο. Διαστέλλεται και η ουσία, σχεδόν ομοιογενής στην αρχή της διαστολής, αργότερα, υπό την επίδραση των βαρυτικών δυνάμεων, διασπάται σε ξεχωριστά αντικείμενα, σχηματίζονται σμήνη γαλαξιών, γαλαξίες, αστέρια και πλανήτες. Όλες αυτές οι διαδικασίες είναι φυσικές, συμβαδίζουν με την ανάπτυξη της εντροπίας και δεν απαιτούν παραβίαση των νόμων της θερμοδυναμικής. Ακόμη και στο μέλλον, λαμβάνοντας υπόψη τη βαρύτητα, δεν θα οδηγήσουν σε μια ομοιογενή ισοθερμική κατάσταση του Σύμπαντος - σε T.S.V. Το σύμπαν είναι πάντα μη στατικό και συνεχώς εξελίσσεται.
Το θερμοδυναμικό παράδοξο στην κοσμολογία, που διατυπώθηκε στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, συναρπάζει συνεχώς την επιστημονική κοινότητα έκτοτε. Γεγονός είναι ότι έθιξε τις βαθύτερες δομές της επιστημονικής εικόνας του κόσμου. Αν και πολλές απόπειρες επίλυσης αυτού του παραδόξου πάντα οδηγούσαν μόνο σε μερικές επιτυχίες, έχουν δημιουργήσει νέες, μη ασήμαντες φυσικές ιδέες, μοντέλα και θεωρίες. Το θερμοδυναμικό παράδοξο είναι μια ανεξάντλητη πηγή νέας επιστημονικής γνώσης. Παράλληλα, η διαμόρφωσή του στην επιστήμη αποδείχθηκε μπλεγμένη με πολλές προκαταλήψεις και εντελώς λανθασμένες ερμηνείες.
Χρειαζόμαστε μια νέα ματιά σε αυτό το φαινομενικά καλά μελετημένο πρόβλημα, το οποίο αποκτά ένα αντισυμβατικό νόημα στην ύστερη κλασική επιστήμη.
1. Η ιδέα του Θερμικού Θανάτου του Σύμπαντος
1.1 Η εμφάνιση της ιδέας του T.S.V.
Η απειλή του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος, όπως είπαμε προηγουμένως, εκφράστηκε στα μέσα του δέκατου ένατου αιώνα. Thomson και Clausius, όταν διατυπώθηκε ο νόμος της αύξησης της εντροπίας σε μη αναστρέψιμες διεργασίες. Ο θερμικός θάνατος είναι μια τέτοια κατάσταση ύλης και ενέργειας στο Σύμπαν όταν οι κλίσεις των παραμέτρων που τους χαρακτηρίζουν έχουν εξαφανιστεί.
Η ανάπτυξη της αρχής της μη αναστρεψιμότητας, της αρχής της αυξανόμενης εντροπίας, συνίστατο στην επέκταση αυτής της αρχής στο Σύμπαν ως σύνολο, κάτι που έγινε από τον Clausius.
Έτσι, σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο, όλες οι φυσικές διεργασίες προχωρούν προς την κατεύθυνση της μεταφοράς θερμότητας από θερμότερα σώματα σε λιγότερο θερμά, πράγμα που σημαίνει ότι η διαδικασία εξισορρόπησης της θερμοκρασίας στο Σύμπαν αργά αλλά σταθερά συνεχίζεται. Κατά συνέπεια, στο μέλλον αναμένεται η εξαφάνιση των διαφορών θερμοκρασίας και η μετατροπή όλης της παγκόσμιας ενέργειας σε θερμική ενέργεια, ομοιόμορφα κατανεμημένη στο Σύμπαν. Το συμπέρασμα του Clausius ήταν το εξής:
1. Η ενέργεια του κόσμου είναι σταθερή
2. Η εντροπία του κόσμου τείνει στο μέγιστο.
Έτσι, ο θερμικός θάνατος του Σύμπαντος σημαίνει την πλήρη παύση όλων των φυσικών διεργασιών λόγω της μετάβασης του Σύμπαντος σε κατάσταση ισορροπίας με μέγιστη εντροπία.
Ο Boltzmann, ο οποίος ανακάλυψε τη σύνδεση μεταξύ της εντροπίας S και του στατιστικού βάρους P, πίστευε ότι η τρέχουσα ανομοιογενής κατάσταση του Σύμπαντος είναι μια μεγαλειώδης διακύμανση*, αν και η εμφάνισή της έχει αμελητέα πιθανότητα. Οι σύγχρονοι του Boltzmann δεν αναγνώρισαν τις απόψεις του, γεγονός που οδήγησε σε αυστηρή κριτική για το έργο του και, προφανώς, οδήγησε στην ασθένεια και την αυτοκτονία του Boltzmann το 1906.
Περνώντας στις αρχικές διατυπώσεις της ιδέας του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος, μπορεί κανείς να δει ότι δεν ανταποκρίνονται από όλες τις απόψεις στις γνωστές ερμηνείες τους, μέσα από το πρίσμα των οποίων συνήθως γίνονται αντιληπτές αυτές οι διατυπώσεις. Συνηθίζεται να μιλάμε για τη θεωρία του θερμικού θανάτου ή το θερμοδυναμικό παράδοξο των W. Thomson και R. Clausius.
Αλλά, πρώτον, οι αντίστοιχες σκέψεις αυτών των συγγραφέων δεν συμπίπτουν σε όλα, και δεύτερον, οι παρακάτω δηλώσεις δεν περιέχουν ούτε θεωρία ούτε παράδοξο.
V. Thomson, αναλύοντας τη γενική τάση για διασπορά που εκδηλώνεται στη φύση μηχανική ενέργεια, δεν το επέκτεινε στον κόσμο συνολικά. Παρέκτασε την αρχή της αύξησης της εντροπίας μόνο σε διεργασίες μεγάλης κλίμακας που συμβαίνουν στη φύση.
Αντίθετα, ο Clausius πρότεινε μια παρέκταση αυτής της αρχής ακριβώς στο Σύμπαν ως σύνολο, το οποίο ενεργούσε γι 'αυτόν ως ένα φυσικό σύστημα που περιελάμβανε τα πάντα. Σύμφωνα με τον Clausius, «η γενική κατάσταση του Σύμπαντος πρέπει να αλλάζει όλο και περισσότερο» προς την κατεύθυνση που καθορίζει η αρχή της αυξανόμενης εντροπίας και, επομένως, αυτή η κατάσταση πρέπει συνεχώς να προσεγγίζει κάποιες οριακές διακυμάνσεις και το πρόβλημα των φυσικών ορίων του 2ου Νόμος της θερμοδυναμικής. Ίσως για πρώτη φορά, η θερμοδυναμική πτυχή στην κοσμολογία αναγνωρίστηκε από τον Νεύτωνα. Ήταν αυτός που παρατήρησε την επίδραση της «τριβής» στο ρολόι του σύμπαντος - μια τάση που στα μέσα του XIX αιώνα. ονομάζεται αύξηση της εντροπίας. Στο πνεύμα της εποχής του, ο Νεύτων κάλεσε τη βοήθεια του Κυρίου Θεού. Ήταν αυτός που διορίστηκε από τον Sir Isaac να παρακολουθεί την περιέλιξη και την επισκευή αυτών των «ρολόγια».
Στο πλαίσιο της κοσμολογίας, το θερμοδυναμικό παράδοξο αναγνωρίστηκε στα μέσα του 19ου αιώνα. Η συζήτηση για το παράδοξο έδωσε αφορμή για μια σειρά λαμπρές ιδέεςευρείας επιστημονικής σημασίας (η εξήγηση του «Σρέντινγκερ» από τον L. Boltzmann για την «αντιεντροπία» της ζωής· η εισαγωγή του των διακυμάνσεων στη θερμοδυναμική, οι θεμελιώδεις συνέπειες της οποίας στη φυσική δεν έχουν ακόμη εξαντληθεί· η μεγαλειώδης κοσμολογική του υπόθεση, πέρα ​​από την υπόθεση της κοσμολογικής διακύμανσης, το εννοιολογικό πλαίσιο του οποίου η φυσική στο πρόβλημα του «θερμικού θανάτου» δεν έχει ακόμη βγει στο σύμπαν· μια βαθιά και καινοτόμος, αλλά παρόλα αυτά ιστορικά περιορισμένη, κυμαινόμενη ερμηνεία της Δεύτερης Αρχής.
1.2 Μια ματιά στο T.S.W. από τον εικοστό αιώνα
Η τρέχουσα κατάσταση της επιστήμης είναι επίσης ασυνεπής με την υπόθεση του θερμικού θανάτου του σύμπαντος.
Πρώτα απ 'όλα, αυτό το συμπέρασμα σχετίζεται με ένα απομονωμένο σύστημα και δεν είναι σαφές γιατί το Σύμπαν μπορεί να αποδοθεί σε τέτοια συστήματα.
Υπάρχει ένα βαρυτικό πεδίο στο Σύμπαν, το οποίο δεν ελήφθη υπόψη από τον Boltzmann, και είναι υπεύθυνο για την εμφάνιση των αστεριών και των γαλαξιών: οι βαρυτικές δυνάμεις μπορούν να οδηγήσουν στο σχηματισμό μιας δομής από το χάος, μπορούν να προκαλέσουν αστέρια από το Κοσμικό σκόνη.
Ενδιαφέρουσα είναι η περαιτέρω ανάπτυξη της θερμοδυναμικής και μαζί της η ιδέα του T.S.V.. Κατά τον 19ο αιώνα διατυπώθηκαν οι κύριες διατάξεις (αρχές) της θερμοδυναμικής των απομονωμένων συστημάτων. Στο πρώτο μισό του 20ού αιώνα, η θερμοδυναμική αναπτύχθηκε κυρίως όχι σε βάθος, αλλά σε πλάτος, προέκυψαν διάφορα τμήματα της: τεχνική, χημική, φυσική, βιολογική κ.λπ. θερμοδυναμική. Μόνο στη δεκαετία του 1940 εμφανίστηκαν έργα σχετικά με τη θερμοδυναμική των ανοιχτών συστημάτων κοντά στο σημείο ισορροπίας και στη δεκαετία του 1980 εμφανίστηκαν συνεργίες. Το τελευταίο μπορεί να ερμηνευθεί ως η θερμοδυναμική ανοιχτών συστημάτων μακριά από το σημείο ισορροπίας.
Έτσι, η σύγχρονη φυσική επιστήμη απορρίπτει την έννοια του «θερμικού θανάτου» σε σχέση με το Σύμπαν συνολικά. Γεγονός είναι ότι ο Clausius κατέφυγε στη συλλογιστική του στις ακόλουθες παρεκβολές:
1. Το σύμπαν θεωρείται κλειστό σύστημα.
2. Η εξέλιξη του κόσμου μπορεί να περιγραφεί ως αλλαγή των καταστάσεων του.
Για τον κόσμο ως σύνολο κατάσταση με μέγιστη εντροπία, αυτό είναι λογικό, καθώς και για κάθε πεπερασμένο σύστημα.
Αλλά η νομιμότητα αυτών των παρεκβολών από μόνη της είναι πολύ αμφίβολη, αν και τα προβλήματα που σχετίζονται με αυτές παρουσιάζουν δυσκολίες και για τη σύγχρονη φυσική επιστήμη.
2. Ο νόμος της αυξανόμενης εντροπίας
2.1 Παραγωγή του νόμου της αυξανόμενης εντροπίας
Εφαρμόζουμε την ανισότητα Clausius για να περιγράψουμε τη μη αναστρέψιμη κυκλική θερμοδυναμική διαδικασία που φαίνεται στο Σχήμα 1.
Ρύζι. ένας.
Μη αναστρέψιμη κυκλική θερμοδυναμική διαδικασία
Ας είναι η διαδικασία μη αναστρέψιμη και η διαδικασία αναστρέψιμη. Τότε η ανισότητα Clausius για αυτήν την περίπτωση παίρνει τη μορφή (1)
Εφόσον η διαδικασία είναι αναστρέψιμη, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τη σχέση που δίνει
Η αντικατάσταση αυτού του τύπου με την ανισότητα (1) μας επιτρέπει να λάβουμε την έκφραση (2)
Η σύγκριση των παραστάσεων (1) και (2) μας επιτρέπει να γράψουμε την ακόλουθη ανισότητα (3) στην οποία το πρόσημο ίσου λαμβάνει χώρα εάν η διαδικασία είναι αναστρέψιμη και το πρόσημο είναι μεγαλύτερο από ό,τι αν η διαδικασία είναι μη αναστρέψιμη.
Η ανίσωση (3) μπορεί επίσης να γραφτεί σε διαφορική μορφή (4)
Αν θεωρήσουμε ένα αδιαβατικά απομονωμένο θερμοδυναμικό σύστημα, για το οποίο, τότε η έκφραση (4) παίρνει τη μορφή ή σε ακέραια μορφή.
Οι προκύπτουσες ανισότητες εκφράζουν τον νόμο αύξησης της εντροπίας, ο οποίος μπορεί να διατυπωθεί ως εξής:
2.2 Πιθανότητα εντροπίας στο Σύμπαν
Σε ένα αδιαβτικά απομονωμένο θερμοδυναμικό σύστημα, η εντροπία δεν μπορεί να μειωθεί: είτε διατηρείται εάν εμφανίζονται μόνο αναστρέψιμες διεργασίες στο σύστημα, είτε αυξάνεται εάν συμβεί τουλάχιστον μία μη αναστρέψιμη διεργασία στο σύστημα.
Η γραπτή δήλωση είναι μια άλλη διατύπωση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής.
Έτσι, ένα απομονωμένο θερμοδυναμικό σύστημα τείνει στη μέγιστη τιμή της εντροπίας, στην οποία τίθεται μια κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι εάν το σύστημα δεν είναι απομονωμένο, τότε είναι δυνατή μια μείωση της εντροπίας σε αυτό. Ένα παράδειγμα τέτοιου συστήματος είναι, για παράδειγμα, ένα συμβατικό ψυγείο, μέσα στο οποίο είναι δυνατή η μείωση της εντροπίας. Αλλά για τέτοια ανοιχτά συστήματα, αυτή η τοπική μείωση της εντροπίας αντισταθμίζεται πάντα από μια αύξηση της εντροπίας στο περιβάλλον, η οποία υπερβαίνει την τοπική της μείωση.
Το παράδοξο που διατυπώθηκε το 1852 από τον Τόμσον (Λόρδος Κέλβιν) και αποκάλεσε από αυτόν την υπόθεση του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος συνδέεται άμεσα με τον νόμο της αύξησης της εντροπίας. Μια λεπτομερής ανάλυση αυτής της υπόθεσης πραγματοποιήθηκε από τον Clausius, ο οποίος θεώρησε θεμιτή την επέκταση του νόμου της αύξησης της εντροπίας σε ολόκληρο το Σύμπαν. Πράγματι, αν θεωρήσουμε το Σύμπαν ως ένα αδιαβατικά απομονωμένο θερμοδυναμικό σύστημα, τότε, δεδομένης της άπειρης ηλικίας του, βάσει του νόμου της αύξησης της εντροπίας, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι έχει φτάσει στη μέγιστη εντροπία του, δηλαδή στην κατάσταση της θερμοδυναμικής ισορροπίας. Αλλά στο Σύμπαν που πραγματικά μας περιβάλλει, αυτό δεν παρατηρείται.
3. Θερμικός θάνατος του Σύμπαντος στην επιστημονική εικόνα του Κόσμου
3.1 Θερμοδυναμικό παράδοξο
Το θερμοδυναμικό παράδοξο στην κοσμολογία, που διατυπώθηκε στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα, συναρπάζει συνεχώς την επιστημονική κοινότητα έκτοτε. Γεγονός είναι ότι έθιξε τις βαθύτερες δομές της επιστημονικής εικόνας του κόσμου.
Αν και πολλές απόπειρες επίλυσης αυτού του παραδόξου πάντα οδηγούσαν μόνο σε μερικές επιτυχίες, έχουν δημιουργήσει νέες, μη ασήμαντες φυσικές ιδέες, μοντέλα και θεωρίες. Το θερμοδυναμικό παράδοξο είναι μια ανεξάντλητη πηγή νέας επιστημονικής γνώσης. Παράλληλα, η διαμόρφωσή του στην επιστήμη αποδείχθηκε μπλεγμένη με πολλές προκαταλήψεις και εντελώς λανθασμένες ερμηνείες. Χρειαζόμαστε μια νέα ματιά σε αυτό το φαινομενικά καλά μελετημένο πρόβλημα, το οποίο αποκτά ένα αντισυμβατικό νόημα στη μετα-μη κλασσική επιστήμη.
Η μετα-μη κλασσική επιστήμη, πρώτα απ 'όλα, η θεωρία της αυτοοργάνωσης, λύνει το πρόβλημα της κατεύθυνσης των θερμοδυναμικών διεργασιών στη φύση με πολύ διαφορετικό τρόπο από την κλασική ή μη κλασική επιστήμη. αυτό βρίσκει έκφραση στη σύγχρονη επιστημονική εικόνα του κόσμου (SCM).
Πώς εμφανίστηκε στην πραγματικότητα το θερμοδυναμικό παράδοξο στην κοσμολογία; Είναι εύκολο να δει κανείς ότι στην πραγματικότητα διατυπώθηκε από τους αντιπάλους του Thomson και του Clausius, οι οποίοι είδαν μια αντίφαση μεταξύ της ιδέας του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος και των θεμελιωδών αρχών του υλισμού για το άπειρο του κόσμου στο χώρο και στο χρόνο. . Οι διατυπώσεις του θερμοδυναμικού παραδόξου που συναντάμε με διάφορους συγγραφείς είναι εξαιρετικά παρόμοιες, σχεδόν εντελώς πανομοιότυπες. «Αν το δόγμα της εντροπίας ήταν σωστό, τότε το «τέλος» του κόσμου που υποτίθεται από αυτό θα έπρεπε να αντιστοιχεί στην «αρχή», το ελάχιστο της εντροπίας, όταν η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των χωριστών τμημάτων του Σύμπαντος θα ήταν η μεγαλύτερη. .
Ποια είναι η γνωσιολογική φύση του παραδόξου που εξετάζουμε; Όλοι οι αναφερόμενοι συγγραφείς, μάλιστα, του αποδίδουν φιλοσοφικό και ιδεολογικό χαρακτήρα. Στην πραγματικότητα, όμως, εδώ αναμειγνύονται δύο επίπεδα γνώσης, τα οποία από τη σύγχρονη σκοπιά μας πρέπει να διακρίνονται. Το αρχικό σημείο ήταν ωστόσο η εμφάνιση ενός θερμοδυναμικού παραδόξου στο επίπεδο του NCM, στο οποίο ο Clausius πραγματοποίησε την παρέκτασή του της αύξησης της αρχής της εντροπίας στο Σύμπαν. Το παράδοξο λειτούργησε ως αντίφαση μεταξύ του συμπεράσματος του Κλαούσιου και της αρχής του απείρου του κόσμου στο χρόνο, σύμφωνα με την κοσμολογία του Νεύτωνα. Στο ίδιο επίπεδο γνώσης, προέκυψαν και άλλα κοσμολογικά παράδοξα - φωτομετρικά και βαρυτικά, και η γνωσιολογική τους φύση ήταν πολύ παρόμοια.
«Πράγματι, ο θερμικός θάνατος του Σύμπαντος, ακόμα κι αν συνέβη σε κάποιο μακρινό μέλλον, ακόμη και σε δισεκατομμύρια ή δεκάδες δισεκατομμύρια χρόνια, εξακολουθεί να περιορίζει τη «χρονική κλίμακα» της ανθρώπινης προόδου».
3.2 Θερμοδυναμικό παράδοξο σε σχετικιστικά κοσμολογικά μοντέλα
Ένα νέο στάδιο στην ανάλυση του θερμοδυναμικού παραδόξου στην κοσμολογία συνδέεται ήδη με τη μη κλασική επιστήμη. Καλύπτει τις δεκαετίες 30 - 60 του εικοστού αιώνα. Το πιο ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του είναι η μετάβαση στην ανάπτυξη της θερμοδυναμικής του Σύμπαντος στο εννοιολογικό πλαίσιο της Α.Α. Fridman. Συζητήθηκαν τόσο οι εκσυγχρονισμένες εκδοχές της αρχής του Clausius όσο και το νέο μοντέλο του Tolman, στο οποίο η μη αναστρέψιμη εξέλιξη του Σύμπαντος είναι δυνατή χωρίς να φτάσει το μέγιστο της εντροπίας. Το μοντέλο του Tolman επικράτησε τελικά στην αποδοχή της επιστημονικής κοινότητας, αν και δεν απαντά σε μερικά από τα «σκληρά» ερωτήματα. Αλλά παράλληλα, αναπτύχθηκε και μια ημικλασική «αντιεντροπική προσέγγιση», ο μόνος στόχος της οποίας ήταν να αντικρούσει την αρχή του Clausius με οποιοδήποτε κόστος και η αρχική αφαίρεση ήταν η εικόνα ενός άπειρου και «αιώνια νέου», όπως έθεσε ο Tsiolkovsky. αυτό, Σύμπαν. Με βάση αυτή την προσέγγιση, αναπτύχθηκαν μια σειρά από, θα λέγαμε, «υβριδικά» σχήματα και μοντέλα, τα οποία χαρακτηρίστηκαν από έναν μάλλον τεχνητό συνδυασμό όχι μόνο παλιών και νέων ιδεών στον τομέα της θερμοδυναμικής του Σύμπαντος, αλλά επίσης τα θεμέλια της κλασικής και μη κλασικής επιστήμης.
«Στις δεκαετίες του 1930 και του 1940, η ιδέα του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος συνέχισε να απολαμβάνει τη μεγαλύτερη επιρροή μεταξύ των υποστηρικτών της σχετικιστικής κοσμολογίας. Ενεργητικοί υποστηρικτές της αρχής του Clausius ήταν, για παράδειγμα, οι A. Eddington και J. Jeans, οι οποίοι μίλησαν επανειλημμένα τόσο για το φυσικό νόημα αυτού του προβλήματος όσο και για την «ανθρώπινη διάστασή του». Το συμπέρασμα του Clausius μεταφράστηκε από αυτούς σε μια μη κλασική εικόνα του κόσμου και από ορισμένες απόψεις προσαρμόστηκε σε αυτήν.
Πρώτα απ 'όλα, το αντικείμενο της παρέκτασης έχει αλλάξει - το Σύμπαν στο σύνολό του.
Μεγάλη απήχηση (και πολλαπλές παραπομπές) προκάλεσε τη δεκαετία του '50 η σχεδόν ξεχασμένη πλέον συζήτηση για τα προβλήματα της θερμοδυναμικής του Σύμπαντος μεταξύ Κ.Π. Stanyukovich και I.R. Πλότκιν. Και οι δύο θεωρούν τις στατιστικές-θερμοδυναμικές ιδιότητες του μοντέλου του Σύμπαντος παρόμοιες με το Σύμπαν Boltzmann, δηλ. συμπίπτουν με το υπό μελέτη αντικείμενο. Επιπλέον, και οι δύο πίστευαν ότι τα προβλήματα της θερμοδυναμικής του Σύμπαντος μπορούσαν να αναλυθούν ανεξάρτητα από τη γενική σχετικότητα, η οποία δεν εισήγαγε νέο περιεχόμενο στον νόμο αύξησης της εντροπίας.
Αλλά μαζί με τις δηλωμένες προσπάθειες να «ξεπεραστεί» η υπόθεση Boltzmann, αναπτύχθηκαν και εκσυγχρονισμένες εκδοχές αυτής της ίδιας της υπόθεσης. Το πιο γνωστό από αυτά ανήκει στον Ya.P. Τερλέτσκι.
Υβριδικά σχήματα» και μοντέλα για την επίλυση του θερμοδυναμικού παραδόξου στην κοσμολογία προκάλεσαν σημαντικό ενδιαφέρον στις δεκαετίες του 1950 και του 1960, κυρίως στη χώρα μας. Συζητήθηκαν σε μια από τις συναντήσεις για την κοσμογονία (Μόσχα, 1957), σε συμπόσια για φιλοσοφικά προβλήματα της θεωρίας της σχετικότητας και της σχετικιστικής κοσμολογίας του Αϊνστάιν (Κίεβο, 1964, 1966) κ.λπ., αλλά οι μεταγενέστερες αναφορές σε αυτά έγιναν όλο και πιο σπάνιες. . Αυτό συνέβη σε μεγάλο βαθμό λόγω των αλλαγών στη λύση αυτού του φάσματος προβλημάτων που επιτυγχάνονται από τη σχετικιστική κοσμολογία και τη μη γραμμική θερμοδυναμική.
3.3 Θερμοδυναμικό παράδοξο στην κοσμολογία και η μετα-μη κλασσική εικόνα του κόσμου
Η ανάπτυξη του προβλήματος της θερμοδυναμικής του Σύμπαντος άρχισε να αποκτά ποιοτικά νέα χαρακτηριστικά κατά τη δεκαετία του 1980. Παράλληλα με τη μελέτη του Σύμπαντος στο πλαίσιο μη κλασικών θεμελίων, αναπτύσσεται τώρα στον τομέα αυτό μια προσέγγιση που αντιστοιχεί στα σημάδια της «μετα-μη-κλασικής» επιστήμης.
Για παράδειγμα, η συνεργία, συγκεκριμένα η θεωρία των διασκορπιστικών δομών, επιτρέπει μια βαθύτερη κατανόηση των ιδιαιτεροτήτων του Σύμπαντος μας ως αυτο-οργανωμένου, αυτοαναπτυσσόμενου συστήματος από ό,τι ήταν δυνατό στη μη κλασική επιστήμη.
Η μετα-μη κλασσική επιστήμη καθιστά δυνατή την εισαγωγή ορισμένων νέων σημείων στην ανάλυση των προβλημάτων της θερμοδυναμικής του Σύμπαντος στο σύνολό της. Αλλά αυτό το θέμα έχει μέχρι στιγμής συζητηθεί μόνο με τους πιο γενικούς όρους. Η μετα-μη κλασσική επιστήμη καθιστά δυνατή την εισαγωγή ορισμένων νέων σημείων στην ανάλυση των προβλημάτων της θερμοδυναμικής του Σύμπαντος στο σύνολό της. Αλλά αυτό το θέμα έχει μέχρι στιγμής συζητηθεί μόνο με τους πιο γενικούς όρους.
Ο κύριος στόχος της προσέγγισης που βασίζεται στη στατιστική θεωρία των διαδικασιών μη ισορροπίας, ο I. Prigogine εξέφρασε ως εξής: «... απομακρυνόμαστε από ένα κλειστό Σύμπαν, στο οποίο όλα είναι ρυθμισμένα, σε ένα νέο Σύμπαν, ανοιχτό σε διακυμάνσεις, ικανές να γεννήσουν κάτι νέο». Ας προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε αυτή τη δήλωση στο πλαίσιο της ανάλυσης εκείνων των κοσμολογικών εναλλακτικών που προτάθηκαν από τον M.P. Μπρονστάιν.
1. Η θεωρία του I. Prigogine σε συνδυασμό με σύγχρονη ανάπτυξηΗ κοσμολογία, προφανώς, είναι πιο συμβατή με την κατανόηση του Σύμπαντος ως ένα θερμοδυναμικά ανοιχτό σύστημα μη ισορροπίας που έχει προκύψει ως αποτέλεσμα μιας τεράστιας διακύμανσης του φυσικού κενού. Έτσι, από αυτή την άποψη, η μετα-μη κλασική επιστήμη απομακρύνεται από την παραδοσιακή άποψη, που συμμερίζεται ο Μ.Π. Μπρονστάιν. Επιπλέον, κατά την ανάλυση της συμπεριφοράς του Σύμπαντος στο σύνολό του στη σύγχρονη επιστήμη, θα πρέπει, προφανώς, να απορρίψουμε αυτό που ο Prigogine ονόμασε «καθοδηγητικό μύθο της κλασικής επιστήμης» - την αρχή της «απεριόριστης προβλεψιμότητας» του μέλλοντος. Για μη γραμμικές δομές διάχυσης, αυτό οφείλεται στην ανάγκη να ληφθούν υπόψη οι «περιορισμοί» που οφείλονται στη δράση μας στη φύση.
Οι γνώσεις μας για τη θερμοδυναμική του Σύμπαντος στο σύνολό τους, βασισμένες στην προέκταση της στατιστικής θεωρίας των συστημάτων μη ισορροπίας, δεν μπορούν επίσης να αγνοήσουν την άμεση ή έμμεση εξέταση του ρόλου του παρατηρητή.
2. Η θεωρία του I. Prigogine θέτει το πρόβλημα των νόμων και των αρχικών συνθηκών στην κοσμολογία με έναν εντελώς νέο τρόπο, αφαιρεί τις αντιφάσεις μεταξύ δυναμικής και θερμοδυναμικής. Από τη σκοπιά αυτής της θεωρίας, αποδεικνύεται ότι το Σύμπαν, όπως ο Μ.Π. Ο Bronstein, μπορεί να υπακούσει σε νόμους που είναι ασύμμετροι σε σχέση με το παρελθόν και το μέλλον - κάτι που δεν έρχεται καθόλου σε αντίθεση με τη θεμελιώδη αρχή της αύξησης της εντροπίας, την κοσμολογική της προέκταση.
3. Η θεωρία του Prigogine - σε καλή συμφωνία με τη σύγχρονη κοσμολογία - επαναξιολογεί τον ρόλο και την πιθανότητα των μακροσκοπικών διακυμάνσεων στο Σύμπαν, αν και ο προηγούμενος μηχανισμός αυτών των διακυμάνσεων από τη σύγχρονη σκοπιά είναι διαφορετικός από αυτόν του Boltzmann. Οι διακυμάνσεις παύουν να είναι κάτι το εξαιρετικό, γίνονται αρκετά αντικειμενική εκδήλωση της αυθόρμητης εμφάνισης κάτι καινούργιου στο Σύμπαν.
Έτσι, η θεωρία του Prigogine καθιστά δυνατή την εύκολη απάντηση στο ερώτημα που διχάζει την επιστημονική κοινότητα εδώ και σχεδόν ενάμιση αιώνα και τόσο απασχόλησε την Κ.Ε. Tsiolkovsky: γιατί - αντίθετα με την αρχή του Clausius - παντού στο Σύμπαν δεν παρατηρούμε τις διαδικασίες μονότονης υποβάθμισης, αλλά, αντίθετα, τις διαδικασίες σχηματισμού, την εμφάνιση νέων δομών. Η μετάβαση από τη «φυσική του υπάρχοντος» στη «φυσική του αναδυόμενου» συνέβη σε μεγάλο βαθμό λόγω της σύνθεσης ιδεών που φαίνονταν αμοιβαία αποκλειόμενες στο προηγούμενο εννοιολογικό πλαίσιο.
Οι ιδέες του Prigogine, που οδηγούν σε μια αναθεώρηση μιας σειράς θεμελιωδών ιδεών, όπως κάθε θεμελιωδώς νέο στην επιστήμη, αντιμετωπίζονται με μια διφορούμενη στάση απέναντι στον εαυτό τους, κυρίως μεταξύ των φυσικών. Αφενός ο αριθμός των υποστηρικτών τους αυξάνεται, αφετέρου λέγεται ότι τα συμπεράσματα του Prigogine είναι ανεπαρκώς σωστά και δικαιολογημένα από τη σκοπιά του ιδεώδους μιας αναπτυγμένης φυσικής θεωρίας. Αυτές οι ίδιες οι ιδέες μερικές φορές ερμηνεύονται όχι εντελώς ξεκάθαρα. Συγκεκριμένα, ορισμένοι συγγραφείς τονίζουν ότι η εντροπία ενός συστήματος μπορεί να μειωθεί στη διαδικασία της αυτοοργάνωσης. Αν μια τέτοια άποψη είναι σωστή, σημαίνει ότι επιτέλους κατέστη δυνατό να διατυπωθούν εκείνες οι εξαιρετικά συγκεκριμένες προϋποθέσεις που η Κ.Ε. Tsiolkovsky, συζητώντας τη δυνατότητα ύπαρξης αντιεντροπικών διεργασιών στη φύση.
Όμως οι ιδέες του ρωσικού κοσμισμού, συμπεριλαμβανομένης της διαστημικής φιλοσοφίας της Κ.Ε. Ο Tsiolkovsky, αφοσιωμένος σε αυτά τα προβλήματα, βρίσκει μια πιο άμεση εξέλιξη στη μετα-μη κλασική επιστήμη.
Για παράδειγμα, ο Ν.Ν. Ο Moiseev σημειώνει ότι στην πορεία της εξέλιξης του Σύμπαντος υπάρχει μια συνεχής περιπλοκή της οργάνωσης των δομικών επιπέδων της φύσης και αυτή η διαδικασία είναι σαφώς κατευθυνόμενη. Η φύση, όπως ήταν, επιφυλάσσει ένα ορισμένο σύνολο δυνητικά δυνατών (δηλαδή επιτρεπτών στο πλαίσιο των νόμων της) τύπων οργάνωσης και καθώς η ενοποιημένη παγκόσμια διαδικασία εξελίσσεται, ένας αυξανόμενος αριθμός από αυτές τις δομές αποδεικνύεται ότι «εμπλέκεται». μέσα σε αυτό. Ο νους και η ευφυής δραστηριότητα πρέπει να περιλαμβάνονται στη γενική συνθετική ανάλυση των εξελικτικών διαδικασιών του Σύμπαντος.
Η ανάπτυξη ιδεών αυτοοργάνωσης, ιδίως η θεωρία του Prigogine για τις δομές διάχυσης, που σχετίζεται με την αναθεώρηση των εννοιολογικών θεμελίων της θερμοδυναμικής, ενθάρρυνε περαιτέρω έρευνα σε αυτό το επίπεδο γνώσης. Η στατιστική θερμοδυναμική, που αναπτύχθηκε στην κλασική φυσική, περιέχει μια σειρά από ατελείς και ασάφειες, μεμονωμένες παραδοξότητες και παράδοξα - παρά το γεγονός ότι φαίνεται ότι "όλα είναι εντάξει" με τα γεγονότα. Όμως, σύμφωνα με την έρευνα του Φ.Α. Τσίτσιν, ακόμη και σε μια τόσο καθιερωμένη και ξεκάθαρα «δοκιμασμένη από το χρόνο» σφαίρα επιστημονικής έρευνας, υπάρχουν πολλές εκπλήξεις.
Μια σύγκριση των χαρακτηριστικών παραμέτρων των διακυμάνσεων, που εισήγαγαν οι L. Boltzmann και M. Smoluchowski, αποδεικνύει την ουσιαστική ατελότητα της «γενικά αποδεκτής» στατιστικής ερμηνείας της θερμοδυναμικής. Παραδόξως, αυτή η θεωρία είναι χτισμένη στην παραμέληση των διακυμάνσεων! Από αυτό προκύπτει ότι είναι απαραίτητο να το τελειοποιήσουμε, δηλ. κατασκευή της θεωρίας της «επόμενης προσέγγισης».
Μια πιο συνεπής περιγραφή των επιδράσεων των διακυμάνσεων μας αναγκάζει να αναγνωρίσουμε τις έννοιες της «στατιστικής» και της «θερμοδυναμικής» ισορροπίας ως φυσικά μη ταυτόσημες. Αποδεικνύεται, περαιτέρω, ότι το συμπέρασμα είναι δίκαιο, το οποίο έρχεται σε πλήρη αντίφαση με το "γενικά αποδεκτό": δεν υπάρχει λειτουργική σύνδεση μεταξύ της αύξησης της εντροπίας και της τάσης του συστήματος σε μια πιο πιθανή κατάσταση. Υπάρχουν επίσης διαδικασίες κατά τις οποίες η μετάβαση των συστημάτων σε μια πιο πιθανή κατάσταση μπορεί να συνοδεύεται από μείωση της εντροπίας! Ο υπολογισμός των διακυμάνσεων στα προβλήματα της θερμοδυναμικής του Σύμπαντος μπορεί έτσι να οδηγήσει στην ανακάλυψη των φυσικών ορίων της αρχής της αύξησης της εντροπίας. Όμως ο F.A. Ο Τσίτσιν δεν περιορίζεται στα συμπεράσματά του στα θεμέλια της κλασικής και της μη κλασικής επιστήμης. Προτείνει ότι η αρχή της αυξανόμενης εντροπίας δεν ισχύει για ορισμένους τύπους ουσιαστικά μη γραμμικών συστημάτων. Δεν αποκλείεται αισθητή «συγκέντρωση διακυμάνσεων» στις βιοδομές. Είναι μάλιστα πιθανό ότι τέτοιες επιδράσεις έχουν καταγραφεί στη βιοφυσική εδώ και πολύ καιρό, αλλά δεν αναγνωρίζονται ή ερμηνεύονται εσφαλμένα, ακριβώς επειδή θεωρούνται «θεμελιωδώς αδύνατες». Παρόμοια φαινόμενα μπορούν να είναι γνωστά σε άλλους διαστημικούς πολιτισμούς και να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά από αυτούς, ειδικότερα, στις διαδικασίες διαστημικής επέκτασης.
συμπέρασμα
Έτσι, μπορούμε να σημειώσουμε ότι θεμελιωδώς νέες προσεγγίσεις για την ανάλυση της αρχής του Clausius και την εξάλειψη του θερμοδυναμικού παραδόξου στην κοσμολογία έχουν διατυπωθεί στη μετα-μη κλασσική επιστήμη. Οι πιο σημαντικές προοπτικές που μπορούν να αναμένονται από την κοσμολογική προέκταση της θεωρίας της αυτοοργάνωσης, που αναπτύχθηκαν με βάση τις ιδέες του ρωσικού κοσμισμού.
Μη αναστρέψιμες διεργασίες σε έντονα μη ισορροπημένα, μη γραμμικά συστήματα καθιστούν δυνατή, προφανώς, την αποφυγή του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος, καθώς αποδεικνύεται ότι είναι ένα ανοιχτό σύστημα. Η αναζήτηση θεωρητικών σχημάτων «αντιεντροπικών» διεργασιών, άμεσα προβλεπόμενων από την επιστημονική εικόνα του κόσμου, με βάση την κοσμική φιλοσοφία της Κ.Ε. Τσιολκόφσκι; Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση συμμερίζεται μόνο λίγοι φυσικοί επιστήμονες. Μέσα από όλη την καινοτομία των μετα-μη κλασσικών προσεγγίσεων για την ανάλυση των προβλημάτων της θερμοδυναμικής του Σύμπαντος, ωστόσο, «διαπερνούν», τα ίδια «θέματα» που διαμορφώθηκαν στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα και δημιουργήθηκαν από το παράδοξο του Clausius και οι συζητήσεις γύρω από αυτό.
Έτσι, βλέπουμε ότι η αρχή του Clausius εξακολουθεί να είναι μια σχεδόν ανεξάντλητη πηγή νέων ιδεών στο σύμπλεγμα των φυσικών επιστημών. Ωστόσο, παρά την εμφάνιση ολοένα καινούργιων μοντέλων και σχημάτων στα οποία δεν υπάρχει θερμικός θάνατος, δεν έχει ακόμη επιτευχθεί καμία «τελική» ανάλυση του θερμοδυναμικού παραδόξου. Όλες οι προσπάθειες να κόψουμε τον «γόρδιο δεσμό» των προβλημάτων που σχετίζονται με την αρχή του Κλαούσιου οδήγησαν πάντα σε μερικά μόνο, καθόλου αυστηρά και τελικά συμπεράσματα, κατά κανόνα, μάλλον αφηρημένα. Οι ασάφειες που περιέχονται σε αυτά προκάλεσαν νέα προβλήματα και μέχρι στιγμής υπάρχει μικρή ελπίδα ότι θα επιτευχθεί επιτυχία στο άμεσο μέλλον.
Σε γενικές γραμμές, αυτός είναι ένας αρκετά συνηθισμένος μηχανισμός για την ανάπτυξη της επιστημονικής γνώσης, ειδικά από τότε μιλαμεγια ένα από τα πιο θεμελιώδη προβλήματα. Αλλά μακριά από κάθε αρχή της επιστήμης, καθώς και κανένα τμήμα του NCM γενικά, είναι τόσο ευρετική όσο η αρχή Clausius. Υπάρχουν διάφοροι λόγοι που εξηγούν, αφενός, την ευρετική φύση αυτής της αρχής, η οποία εξακολουθεί να προκαλεί εκνευρισμό στους δογματικούς - δεν έχει σημασία, φυσικούς επιστήμονες ή φιλοσόφους, από την άλλη - την αποτυχία των επικριτών της.
Το πρώτο είναι η πολυπλοκότητα οποιωνδήποτε «παιχνιδιών με το άπειρο» που αντιτίθενται σε αυτήν την αρχή, ανεξάρτητα από τα εννοιολογικά τους θεμέλια.
Ο δεύτερος λόγος είναι η χρήση μιας ανεπαρκούς έννοιας του όρου «σύμπαν στο σύνολό του» - που εξακολουθεί να εννοείται συνήθως ότι σημαίνει «ό,τι υπάρχει» ή «το σύνολο όλων των πραγμάτων». Η ασάφεια αυτού του όρου, η οποία είναι αρκετά συνεπής με την ασάφεια της χρήσης των μη επεξηγημένων σημασιών του άπειρου, αντιτίθεται έντονα στη σαφήνεια της διατύπωσης της ίδιας της αρχής του Clausius. Η έννοια του «σύμπαν» δεν προσδιορίζεται σε αυτήν την αρχή, αλλά γι' αυτό είναι δυνατό να εξεταστεί το πρόβλημα της εφαρμογής του σε διάφορα σύμπαντα που κατασκευάζονται με τη βοήθεια της θεωρητικής φυσικής και ερμηνεύονται ως «ό,τι υπάρχει» μόνο από τη σκοπιά. αυτής της θεωρίας (μοντέλο).
Και, τέλος, ο τρίτος λόγος: τόσο η ίδια η αρχή του Κλαούσιου όσο και οι προσπάθειες επίλυσης του θερμοδυναμικού παραδόξου που προβλήθηκε στη βάση του, αναμενόταν ένα από τα χαρακτηριστικά της μετα-μη κλασσικής επιστήμης - η συμπερίληψη ανθρωπιστικών παραγόντων στα ιδανικά και τους κανόνες εξήγησης , καθώς και γνώσεις που βασίζονται σε στοιχεία. Η συναισθηματικότητα με την οποία η αρχή του Clausius έχει επικριθεί για περισσότερα από εκατό χρόνια, οι διάφορες εναλλακτικές της έχουν προταθεί και τα πιθανά σχήματα διαδικασιών κατά της εντροπίας έχουν αναλυθεί, έχει, ίσως, λίγα προηγούμενα στην ιστορία της φυσικής επιστήμης. τόσο κλασικό όσο και μη κλασικό. Η αρχή Clausius απευθύνεται ρητά στη μετα-μη κλασσική επιστήμη, η οποία περιλαμβάνει την «ανθρώπινη διάσταση». Φυσικά, στο παρελθόν, αυτό το χαρακτηριστικό της υπό εξέταση γνώσης δεν μπορούσε ακόμη να πραγματοποιηθεί πραγματικά. Αλλά τώρα, εκ των υστέρων, βρίσκουμε κάποια «έμβρυα» των ιδανικών και των κανόνων της μετα-μη-κλασικής επιστήμης σε αυτές τις παλιές συζητήσεις.
Βιβλιογραφία
1.Έννοιες της σύγχρονης φυσικής επιστήμης./ επιμ. καθ. ΑΝΩΝΥΜΗ ΕΤΑΙΡΙΑ. Samygin, 2η έκδ. - Rostov n / a: "Phoenix", 1999. - 580 p.
2. Danilets A.V. Φυσικές επιστήμες σήμερα και αύριο - Αγία Πετρούπολη: Λαϊκή Βιβλιοθήκη 1993
3.Dubnishcheva T.Ya Έννοιες της σύγχρονης φυσικής επιστήμης. Novosibirsk: YuKEA Publishing House, 1997. - 340 p.
4.Prigozhin I. Από το υπάρχον στο αναδυόμενο. Μ.: Nauka, 1985. - 420 σελ.
5. Ρεμίζοφ Α.Ν. Ιατρική και βιολογική φυσική. - Μ.: Γυμνάσιο, 1999. - 280 σελ.
6. Stanyukovich K.P. Στο ερώτημα της θερμοδυναμικής του Σύμπαντος // Ibid. σελ. 219-225.
7. Swartz Kl.E. Έκτακτη φυσική των συνηθισμένων φαινομένων. Τ.1. - Μ.: Nauka, 1986. - 520 σελ.
8. Σχετικά με τον ανθρώπινο χρόνο. - «Η γνώση είναι δύναμη», Αρ. , 2000, σ.10-16
9. Τσίτσιν Φ.Α. Η έννοια της πιθανότητας και της θερμοδυναμικής του Σύμπαντος // Φιλοσοφικά προβλήματα της αστρονομίας του ΧΧ αιώνα. Μ., 1976. Σ. 456-478.
10. Τσίτσιν Φ.Α. Θερμοδυναμική, Σύμπαν και διακυμάνσεις // Σύμπαν, αστρονομία, φιλοσοφία. Μ., 1988. Σ. 142-156
11. Τσίτσιν Φ.Α. [Στη θερμοδυναμική του ιεραρχικού Σύμπαντος]// Πρακτικά της 6ης συνάντησης για την κοσμογονία (5-7 Ιουνίου 1957). Μ., 1959. Σ. 225-227.

Οποιοδήποτε τμήμα του κύκλου Carnot και ολόκληρος ο κύκλος στο σύνολό του μπορεί να περάσει και προς τις δύο κατευθύνσεις. Η παράκαμψη του κύκλου δεξιόστροφα αντιστοιχεί σε μια θερμική μηχανή, όταν η θερμότητα που λαμβάνεται από το ρευστό εργασίας μετατρέπεται εν μέρει σε χρήσιμη εργασία. Η παράκαμψη αριστερόστροφα αντιστοιχεί σε ψυκτικό μηχάνημαόταν λαμβάνεται κάποια θερμότητα από την ψυχρή δεξαμενή και μεταφέρεται στη θερμή δεξαμενή κάνοντας εξωτερική εργασία. Επομένως, ονομάζεται μια ιδανική συσκευή που λειτουργεί σύμφωνα με τον κύκλο Carnot αναστρέψιμη θερμική μηχανή.Οι πραγματικές ψυκτικές μηχανές χρησιμοποιούν διάφορες κυκλικές διαδικασίες. Όλοι οι κύκλοι ψύξης στο διάγραμμα (p, V) παρακάμπτονται αριστερόστροφα. Το ενεργειακό σχήμα της ψυκτικής μηχανής φαίνεται στο σχ. 3.11.5.

Μια συσκευή κύκλου ψύξης μπορεί να εξυπηρετήσει δύο σκοπούς. Εάν το ευεργετικό αποτέλεσμα είναι η εξαγωγή λίγης θερμότητας |Q2| από ψυχόμενα σώματα (για παράδειγμα, από προϊόντα στον θάλαμο του ψυγείου), τότε μια τέτοια συσκευή είναι ένα συμβατικό ψυγείο. Η απόδοση του ψυγείου μπορεί να χαρακτηριστεί από την αναλογία

Εάν το ευεργετικό αποτέλεσμα είναι η μεταφορά λίγης θερμότητας |Q1| θερμαινόμενα σώματα (για παράδειγμα, αέρας εσωτερικού χώρου), τότε μια τέτοια συσκευή ονομάζεται αντλία θερμότητας. Η απόδοση βΤ μιας αντλίας θερμότητας μπορεί να οριστεί ως ο λόγος

Επομένως, το βΤ είναι πάντα μεγαλύτερο από ένα. Για τον αντίστροφο κύκλο Carnot

Μια προσπάθεια επέκτασης των νόμων της θερμοδυναμικής στο σύμπαν ως σύνολο έγινε από R. Clausiusο οποίος προέβαλε τα ακόλουθα αξιώματα.

- Η ενέργεια του Σύμπαντος είναι πάντα σταθερή, δηλαδή το Σύμπαν είναι ένα κλειστό σύστημα.

- Η εντροπία του σύμπαντος αυξάνεται συνεχώς.

Εάν δεχθούμε το δεύτερο αξίωμα, τότε πρέπει να παραδεχτούμε ότι όλες οι διεργασίες στο Σύμπαν στοχεύουν στην επίτευξη μιας κατάστασης θερμοδυναμικής ισορροπίας, που χαρακτηρίζεται από ένα μέγιστο εντροπίας, που σημαίνει τον μεγαλύτερο βαθμό χάους, αποδιοργάνωσης, εξισορρόπησης ενέργειας. Σε αυτή την περίπτωση, το σύμπαν θα θερμικός θάνατος και κανένα χρήσιμο έργο, καμία νέα διαδικασία ή σχηματισμός δεν θα παραχθεί σε αυτό (αστέρια δεν θα λάμπουν, νέα αστέρια και πλανήτες θα σχηματιστούν, η εξέλιξη του σύμπαντος θα σταματήσει).

Πολλοί επιστήμονες δεν συμφώνησαν με αυτή τη ζοφερή προοπτική, προτείνοντας ότι μαζί με τις διεργασίες εντροπίας στο Σύμπαν, πρέπει να συμβούν και διεργασίες κατά της εντροπίας, οι οποίες αποτρέπουν τον θερμικό θάνατο του Σύμπαντος.

Μεταξύ αυτών των επιστημόνων ήταν και ο L. Boltzmann, ο οποίος πρότεινε ότι Για ένα μικρό αριθμό σωματιδίων, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δεν πρέπει να ισχύει , γιατί σε αυτή την περίπτωση είναι αδύνατο να μιλήσουμε για την κατάσταση ισορροπίας του συστήματος. Ταυτόχρονα, το δικό μας μέρος του Σύμπαντος θα πρέπει να θεωρείται ως ένα μικρό μέρος του άπειρου Σύμπαντος. Και για μια τόσο μικρή περιοχή, είναι επιτρεπτές μικρές διακυμάνσεις (τυχαίες) αποκλίσεις από τη γενική ισορροπία, λόγω των οποίων η μη αναστρέψιμη εξέλιξη του τμήματος του Σύμπαντος μας προς το χάος γενικά εξαφανίζεται. Υπάρχουν σχετικά μικρές περιοχές στο Σύμπαν, της τάξης του αστρικού μας συστήματος, οι οποίες αποκλίνουν σημαντικά από τη θερμική ισορροπία σε σχετικά μικρά χρονικά διαστήματα. Σε αυτούς τους τομείς συντελείται η εξέλιξη, δηλαδή ανάπτυξη, βελτίωση, παραβίαση της συμμετρίας.

Στα μέσα του εικοστού αιώνα, μια νέα θερμοδυναμική μη ισορροπίας, ή θερμοδυναμική ανοιχτών συστημάτων , ή συνεργία όπου τη θέση ενός κλειστού απομονωμένου συστήματος πήρε η θεμελιώδης έννοια του ανοιχτού συστήματος. Οι ιδρυτές αυτής της νέας επιστήμης ήταν I.R.Prigozhin(1917-2004) και G. Haken (1927).

ανοικτό σύστημα- ένα σύστημα που ανταλλάσσει ύλη, ενέργεια ή πληροφορίες με το περιβάλλον.

Ένα ανοιχτό σύστημα παράγει επίσης εντροπία, όπως ένα κλειστό, αλλά σε αντίθεση με ένα κλειστό, αυτή η εντροπία δεν συσσωρεύεται σε ένα ανοιχτό σύστημα, αλλά απελευθερώνεται στο περιβάλλον. Η χρησιμοποιούμενη ενέργεια απορριμμάτων (ενέργεια χαμηλότερης ποιότητας - θερμική ενέργεια σε χαμηλή θερμοκρασία) διαχέεται στο περιβάλλον και αντί γι' αυτήν εξάγεται από το περιβάλλον νέα ενέργεια ( Υψηλή ποιότηταικανό να αλλάξει από μια μορφή σε άλλη) ικανό να παράγει χρήσιμο έργο.

Προκύπτουν για αυτούς τους σκοπούς Οι υλικές δομές ικανές να διαχέουν τη χρησιμοποιημένη ενέργεια και να απορροφούν φρέσκια ενέργεια ονομάζονται διασκορπιστικές . Ως αποτέλεσμα αυτής της αλληλεπίδρασης, το σύστημα εξάγει τάξη από το περιβάλλον, ενώ ταυτόχρονα εισάγει αταξία σε αυτό το περιβάλλον. Με την άφιξη νέας ενέργειας, ύλης ή πληροφοριών, η μη ισορροπία στο σύστημα αυξάνεται. Η προηγούμενη σχέση μεταξύ των στοιχείων του συστήματος, που καθόρισε τη δομή του, καταστρέφεται. Νέες συνδέσεις προκύπτουν μεταξύ των στοιχείων του συστήματος, οδηγώντας σε συνεργατικές διαδικασίες, δηλαδή στη συλλογική συμπεριφορά των στοιχείων. Έτσι μπορεί κανείς να περιγράψει σχηματικά τις διαδικασίες αυτοοργάνωσης στα ανοιχτά συστήματα.

Ένα παράδειγμα τέτοιου συστήματος είναι εργασία με λέιζερ , που παράγει ισχυρή οπτική ακτινοβολία. Οι χαοτικές ταλαντωτικές κινήσεις σωματιδίων τέτοιας ακτινοβολίας, λόγω της λήψης ενός συγκεκριμένου μέρους της ενέργειας από το εξωτερικό, παράγουν συντονισμένες κινήσεις. Τα σωματίδια της ακτινοβολίας αρχίζουν να ταλαντώνονται στην ίδια φάση, με αποτέλεσμα η ισχύς της ακτινοβολίας λέιζερ να αυξάνεται πολλαπλάσια, ασύγκριτη με την ποσότητα της αντλούμενης ενέργειας.

Μελετώντας τις διεργασίες που συμβαίνουν στο λέιζερ, ο Γερμανός φυσικός G. Haken (γ.1927) ονόμασε μια νέα κατεύθυνση συνεργεία, που στα αρχαία ελληνικά σημαίνει «κοινή δράση», «αλληλεπίδραση».

Ένα άλλο γνωστό παράδειγμα αυτοοργάνωσης είναι οι χημικές αντιδράσεις που μελέτησε ο I.Prigozhin. Η αυτοοργάνωση σε αυτές τις αντιδράσεις συνδέεται με την είσοδο στο σύστημα από το εξωτερικό ουσιών που παρέχουν αυτές τις αντιδράσεις (αντιδραστήρια), αφενός, και την απομάκρυνση των προϊόντων αντίδρασης στο περιβάλλον, αφετέρου. Εξωτερικά, μια τέτοια αυτοοργάνωση μπορεί να εκδηλωθεί με τη μορφή περιοδικά εμφανιζόμενων ομόκεντρων κυμάτων ή με περιοδική αλλαγή στο χρώμα του αντιδρώντος διαλύματος. Μια παρόμοια χημική αντίδραση ελήφθη και μελέτησε ο διάσημος Βέλγος χημικός ρωσικής καταγωγής I.R.Prigozhin. Ο Prigozhin ονόμασε τη χημική του αντίδραση "Brusselator" προς τιμήν της πόλης των Βρυξελλών, όπου έζησε και εργάστηκε ο Prigogine, και όπου πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά αυτή η αντίδραση.

Να πώς έγραψε ο ίδιος ο Prigogine για αυτό: «Ας υποθέσουμε ότι έχουμε δύο τύπους μορίων: «κόκκινο» και «μπλε». Λόγω της χαοτικής κίνησης των μορίων, θα περίμενε κανείς ότι κάποια στιγμή θα υπάρχουν περισσότερα «κόκκινα» μόρια στην αριστερή πλευρά του αγγείου και την επόμενη στιγμή θα υπάρχουν περισσότερα «μπλε» μόρια κ.λπ. Το χρώμα του μείγματος είναι δύσκολο να περιγραφεί: μωβ με τυχαίες μεταβάσεις σε μπλε και κόκκινο. Θα δούμε μια διαφορετική εικόνα κοιτάζοντας το χημικό ρολόι: ολόκληρο το μείγμα αντίδρασης θα έχει Μπλε χρώμα, τότε το χρώμα του θα αλλάξει απότομα σε κόκκινο, μετά ξανά σε μπλε και ούτω καθεξής. Η αλλαγή χρώματος γίνεται σε τακτά χρονικά διαστήματα. Για να αλλάξουν ταυτόχρονα το χρώμα τους, τα μόρια πρέπει με κάποιο τρόπο να διατηρήσουν μια σύνδεση μεταξύ τους. Το σύστημα πρέπει να συμπεριφέρεται ως σύνολο» (Prigozhin I., Stengers I. Order from chaos. M., 1986. P.202-203).

Φυσικά, δεν υπάρχει «συμπαιγνία» μεταξύ μορίων με την κυριολεκτική έννοια της λέξης και δεν θα μπορούσε να είναι. Το γεγονός είναι ότι σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, όλα τα μόρια άρχισαν να δονούνται σε μια φάση - μπλε, και στη συνέχεια ολόκληρο το μείγμα απέκτησε ένα μπλε χρώμα. Μετά από ένα ορισμένο χρονικό διάστημα, τα μόρια άρχισαν να δονούνται σε μια άλλη φάση - την κόκκινη φάση, και στη συνέχεια όλο το μείγμα έγινε κόκκινο κ.λπ., μέχρι να τελειώσει η δράση του αντιδραστηρίου.

Ας πάρουμε ένα άλλο παράδειγμα. Εάν πάρουμε ένα διαφανές τύμπανο τσίρκου με μπλε και κόκκινες μπάλες και αρχίσουμε να το περιστρέφουμε με μια συγκεκριμένη συχνότητα - τη συχνότητα του κόκκινου, τότε, όπως στην περίπτωση των μορίων, θα διαπιστώσουμε ότι όλες οι μπάλες έχουν γίνει κόκκινες. Αν αλλάξουμε την ταχύτητα του τυμπάνου στο αντίστοιχο μπλε μήκος κύματος, θα δούμε ότι οι μπάλες γίνονται μπλε κ.λπ.

Το πιο ενδεικτικό παράδειγμα αυτοοργάνωσης είναι Κύτταρα Benard . Πρόκειται για μικρές εξαγωνικές κατασκευές που μπορούν, για παράδειγμα, να σχηματιστούν σε μια στρώση βουτύρου σε ένα τηγάνι με κατάλληλη διαφορά θερμοκρασίας. Μόλις αλλάξει το καθεστώς θερμοκρασίας, τα κύτταρα αποσυντίθενται.

Έτσι, για να ευθυγραμμιστεί αυθόρμητα μια νέα δομή, είναι απαραίτητο να οριστούν οι κατάλληλες παραμέτρους περιβάλλοντος.

Παράμετροι ελέγχου- αυτές είναι οι παράμετροι του περιβάλλοντος που δημιουργούν τις οριακές συνθήκες εντός των οποίων υπάρχει αυτό το ανοιχτό σύστημα (αυτό μπορεί να είναι ένα καθεστώς θερμοκρασίας, η αντίστοιχη συγκέντρωση ουσιών, η συχνότητα περιστροφής κ.λπ.).

Επιλογές παραγγελίας- αυτή είναι η "απόκριση" του συστήματος σε μια αλλαγή στις παραμέτρους ελέγχου (αναδιάρθρωση του συστήματος).

Είναι προφανές ότι η διαδικασία της αυτοοργάνωσης δεν μπορεί να ξεκινήσει σε κανένα σύστημα και σε καμία περίπτωση. Ας εξετάσουμε τις συνθήκες κάτω από τις οποίες μπορεί να ξεκινήσει η διαδικασία της αυτοοργάνωσης.

Απαραίτητες προϋποθέσεις για την ανάδυση της αυτοοργάνωσηςσε διάφορα συστήματα είναι τα εξής:

1. Το σύστημα πρέπει να είναι Άνοιξε , γιατί ένα κλειστό σύστημα, τελικά, πρέπει να έρθει σε κατάσταση μέγιστης αταξίας, χάους, αποδιοργάνωσης σύμφωνα με τον 2ο νόμο της θερμοδυναμικής.

2. Ανοίξτε το σύστημα πρέπει να απέχει αρκετά από το σημείο της θερμοδυναμικής ισορροπίας . Αν το σύστημα είναι ήδη κοντά σε αυτό το σημείο, τότε αναπόφευκτα θα το προσεγγίσει και, στο τέλος, θα έρθει σε κατάσταση πλήρους χάους και αποδιοργάνωσης. Για το σημείο της θερμοδυναμικής ισορροπίας είναι ένας ισχυρός ελκυστής.

3. Η θεμελιώδης αρχή της αυτοοργάνωσης είναι " εμφάνιση τάξης μέσω διακυμάνσεων» (I.Prigozhin). διακυμάνσεις ή τυχαίες αποκλίσεις του συστήματος από κάποια μέση θέση στην αρχή καταστέλλονται και εξαλείφονται από το σύστημα. Ωστόσο, στα ανοιχτά συστήματα, λόγω της ενίσχυσης της μη ισορροπίας, αυτές οι αποκλίσεις αυξάνονται με το χρόνο, εντείνονται και, στο τέλος, οδηγούν σε «χαλάρωση» της προηγούμενης τάξης, στο χάος του συστήματος. Σε κατάσταση αστάθειας, αστάθειας, το σύστημα θα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στις αρχικές συνθήκες, ευαίσθητο στις διακυμάνσεις. Αυτή τη στιγμή, κάποια διακύμανση σπάει από το μακροεπίπεδο του συστήματος στο μικροεπίπεδό του και επιλέγει την περαιτέρω πορεία ανάπτυξης του συστήματος, την περαιτέρω αναδιάρθρωσή του. Είναι βασικά αδύνατο να προβλεφθεί πώς θα συμπεριφερθεί ένα σύστημα σε κατάσταση αστάθειας, ποια επιλογή θα του γίνει. Αυτή η διαδικασία χαρακτηρίζεται ως η αρχή της «ανάδυσης της τάξης μέσω διακυμάνσεων». Οι διακυμάνσεις είναι τυχαίες. Ως εκ τούτου, γίνεται σαφές ότι η εμφάνιση κάτι νέου στον κόσμο συνδέεται με τη δράση τυχαίων παραγόντων.

Για παράδειγμα, η ολοκληρωτική κοινωνία στη Σοβιετική Ένωση ήταν μια στέρεη κοινωνική δομή. Ωστόσο, πληροφορίες που προέρχονται από το εξωτερικό για τη ζωή άλλων κοινωνιών, το εμπόριο (ανταλλαγή αγαθών) κ.λπ. άρχισε να προκαλεί αποκλίσεις στην ολοκληρωτική κοινωνία με τη μορφή ελεύθερης σκέψης, δυσαρέσκειας, διαφωνίας κ.λπ. Αρχικά, η δομή της ολοκληρωτικής κοινωνίας ήταν σε θέση να καταστείλει αυτές τις διακυμάνσεις, αλλά γίνονταν όλο και περισσότερες και η δύναμή τους μεγάλωνε, γεγονός που οδήγησε στη χαλάρωση και την κατάρρευση της παλιάς ολοκληρωτικής δομής και την αντικατάστασή της από μια νέα.

Και ένα ακόμα κωμικό παράδειγμα: Το παραμύθι του γογγύλιου. Ο παππούς φύτεψε ένα γογγύλι. Μεγάλωσε ένα μεγάλο γογγύλι. Ήρθε η ώρα να τη βγάλεις από τη γη. Ο παππούς έσυρε και έσυρε το γογγύλι, αλλά δεν μπορούσε να το βγάλει. Το σύστημά μας με το γογγύλι είναι ακόμα πολύ σταθερό. Ο παππούς κάλεσε τη γιαγιά για βοήθεια. Έσυραν, έσυραν μαζί το γογγύλι, αλλά δεν μπορούσαν να το βγάλουν. Οι διακυμάνσεις που χαλαρώνουν το γογγύλι γίνονται όλο και πιο δυνατές, αλλά και πάλι δεν είναι αρκετές για να καταστρέψουν το σύστημα (το γογγύλι). Κάλεσαν την εγγονή τους, αλλά δεν έβγαλαν ούτε το γογγύλι. Μετά φώναξαν τον σκύλο Μπουγκ, και τέλος φώναξαν το ποντίκι. Φαίνεται ότι το ποντίκι θα μπορούσε να κάνει μια προσπάθεια, αλλά ήταν το «τελευταίο ποτήρι», που οδήγησε σε μια ποιοτικά νέα αλλαγή στο σύστημα - την κατάρρευσή του (το γογγύλι τραβήχτηκε από το έδαφος). Το ποντίκι μπορεί να ονομαστεί ένα απρόβλεπτο ατύχημα που έπαιξε καθοριστικό ρόλο ή μια "μικρή αιτία μεγάλων γεγονότων".

4. Η ανάδυση της αυτοοργάνωσης βασίζεται θετική ανταπόκριση . Σύμφωνα με την αρχή της θετικής ανάδρασης, οι αλλαγές που εμφανίζονται στο σύστημα δεν εξαλείφονται, αλλά εντείνονται, συσσωρεύονται, γεγονός που οδηγεί τελικά σε αποσταθεροποίηση, χαλάρωση της παλιάς δομής και αντικατάστασή της με νέα.

5. Συνοδεύονται οι διαδικασίες αυτοοργάνωσης σπάσιμο της συμμετρίας . Συμμετρία σημαίνει σταθερότητα, αμετάβλητο. Η αυτοοργάνωση, από την άλλη πλευρά, συνεπάγεται ασυμμετρία, δηλαδή ανάπτυξη, εξέλιξη.

6. Η αυτοοργάνωση μπορεί να ξεκινήσει μόνο σε μεγάλα συστήματα που έχουν επαρκή αριθμό στοιχείων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους (10 10 -10 14 στοιχεία), δηλαδή σε συστήματα που έχουν κάποια κρίσιμες παραμέτρους . Για κάθε συγκεκριμένο σύστημα αυτοοργάνωσης, αυτές οι κρίσιμες παράμετροι είναι διαφορετικές.

Διάλεξη αριθμός 14. Βασικές έννοιες συνεργειών. Ικανότητα διαχείρισης συνεργιστικών συστημάτων.

Οι εκρηκτικές, καταστροφικές διεργασίες είναι γνωστές στην ανθρωπότητα εδώ και πολύ καιρό. Ας υποθέσουμε ότι ένα άτομο που ταξίδευε στα βουνά γνώριζε, με βάση την εμπειρική του εμπειρία, ότι μια χιονοστιβάδα του βουνού μπορεί να καταρρεύσει ξαφνικά, σχεδόν από μια ανάσα ανέμου ή ένα ανεπιτυχές βήμα.

Οι επαναστάσεις και οι κατακλυσμοί ήταν συχνά το αποτέλεσμα της τελευταίας σταγόνας λαϊκής δυσαρέσκειας, του τελευταίου τυχαίου γεγονότος που κατέκλυσε τη ζυγαριά. Αυτές ήταν τυπικές μικρές αιτίες μεγάλων γεγονότων.

Ο καθένας από εμάς μπορεί να θυμηθεί ορισμένες καταστάσεις επιλογής που στάθηκαν εμπόδιο στη ζωή και σε καθοριστικές στιγμές της ζωής, πολλές ευκαιρίες άνοιξαν μπροστά μας. Όλοι είμαστε ενταγμένοι στους μηχανισμούς, όπου σε μια κρίσιμη στιγμή, τη στιγμή μιας καμπής, μια καθοριστική επιλογή καθορίζει ένα τυχαίο γεγονός. Έτσι, διεργασίες σαν χιονοστιβάδες, κοινωνικοί κατακλυσμοί και ανατροπές, κρίσιμες καταστάσεις επιλογής στο μονοπάτι της ζωής του κάθε ανθρώπου… Είναι δυνατόν να δημιουργηθεί μια ενιαία επιστημονική βάση για όλα αυτά τα φαινομενικά διαφορετικά γεγονότα; Τα τελευταία 30 χρόνια, έχουν τεθεί τα θεμέλια για ένα τέτοιο παγκόσμιο επιστημονικό μοντέλο, το οποίο ονομάζεται συνεργία.

Όπως είδαμε, η συνέργεια βασίζεται σε ιδέες συστηματική, ολιστική προσέγγιση στον κόσμο μη γραμμικότητα (δηλαδή πολλές παραλλαγές), μη αναστρεψιμότητα , βαθιά σχέση μεταξύ χάους και τάξης . Το Synergetics μας δίνει μια εικόνα πολύπλοκος κόσμος , που δεν γίνεται, αλλά θελκτικός όχι απλώς υπάρχει, αλλά αναδύεται συνεχώς . Αυτός ο κόσμος εξελίσσεται μη γραμμικοί νόμοι , είναι γεμάτο απροσδόκητος , απρόβλεπτο στροφές, που σχετίζονται με την επιλογή της περαιτέρω πορείας ανάπτυξης.

Το θέμα της συνεργίαςείναι μηχανισμούς αυτοοργάνωσης . Πρόκειται για μηχανισμούς διαμόρφωσης και καταστροφής δομών, μηχανισμών που διασφαλίζουν τη μετάβαση από το χάος στην τάξη και το αντίστροφο. Αυτοί οι μηχανισμοί δεν εξαρτώνται από την ειδική φύση των στοιχείων του συστήματος. Είναι εγγενείς στον άψυχο κόσμο και τη φύση, τον άνθρωπο και την κοινωνία. Ως εκ τούτου, το Synergetics θεωρείται ένας διεπιστημονικός τομέας επιστημονικής έρευνας.

Η συνέργεια, όπως κάθε άλλη επιστήμη, έχει τη δική της γλώσσα, το δικό της σύστημα εννοιών. Αυτές είναι έννοιες όπως «ελκυστής», «δικλάδωση», «φράκταλ αντικείμενο», «ντετερμινιστικό χάος» και άλλες. Αυτές οι έννοιες θα πρέπει να γίνουν προσιτές σε κάθε μορφωμένο άτομο, ειδικά επειδή μπορούν να βρουν αντίστοιχα ανάλογα στην επιστήμη και τον πολιτισμό.

Οι βασικές έννοιες της συνεργίας είναι οι έννοιες του «χάους» και της «τάξης».

Σειρά- αυτό είναι ένα σύνολο στοιχείων οποιασδήποτε φύσης, μεταξύ των οποίων υπάρχουν σταθερές (κανονικές) σχέσεις που επαναλαμβάνονται στο χώρο και στο χρόνο. Για παράδειγμα, ο σχηματισμός στρατιωτών που βαδίζουν σε μια παρέλαση.

Χάος- ένα σύνολο στοιχείων μεταξύ των οποίων δεν υπάρχουν σταθερές επαναλαμβανόμενες σχέσεις. Για παράδειγμα, ένα πλήθος ανθρώπων τρέχει πανικόβλητο.

Η έννοια του "ελκυστήρα"κοντά στην ιδέα στόχους. Αυτή η έννοια μπορεί να αποκαλυφθεί ως σκοπιμότητα, ως κατεύθυνση της συμπεριφοράς του συστήματος, ως μια σταθερή σχετικά τελική κατάστασή του. Σε συνέργεια ένας ελκυστής νοείται ως μια σχετικά σταθερή κατάσταση του συστήματος, η οποία, όπως λέμε, προσελκύει την ποικιλομορφία των τροχιών του συστήματος καθορίζεται από διαφορετικές αρχικές συνθήκες. Εάν το σύστημα πέσει στον κώνο του ελκυστήρα, τότε αναπόφευκτα εξελίσσεται σε αυτή τη σχετικά σταθερή κατάσταση. Για παράδειγμα, ανεξάρτητα από την αρχική θέση της μπάλας, θα κυλήσει στον πάτο του pit. Η κατάσταση της ανάπαυσης της μπάλας στο κάτω μέρος του pit είναι ο ελκυστήρας της κίνησης της μπάλας.

ελκυστέςυποδιαιρείται σε απλός και παράξενος .

Απλός ελκυστήρας(ελκυστής) είναι η περιοριστική κατάσταση της παραγγελίας. Το σύστημα χτίζει την τάξη και τη βελτιώνει όχι στο άπειρο, αλλά σε ένα επίπεδο που καθορίζεται από έναν απλό ελκυστήρα.

παράξενος ελκυστήραςείναι η περιοριστική κατάσταση της χαοτοποίησης του συστήματος. Το σύστημα είναι χαοτικό, καταρρέει επίσης, όχι στο άπειρο, αλλά σε ένα επίπεδο που καθορίζεται από έναν παράξενο ελκυστήρα.

έννοια διακλάδωση μεταφρασμένο από τα αγγλικά σημαίνει ένα πιρούνι με δύο δόντια - προπύργιο. Συνήθως δεν μιλούν για την ίδια τη διχοτόμηση, αλλά για σημεία διακλάδωσης . Συνεργική αίσθηση σημεία διακλάδωσης είναι - αυτό είναι το σημείο διακλάδωσης των πιθανών διαδρομών εξέλιξης του συστήματος .Περνώντας μέσα από σημεία διακλάδωσης, η τέλεια επιλογή κλείνει άλλα μονοπάτια και έτσι κάνει την εξελικτική διαδικασία μη αναστρέψιμη. .

Μη γραμμικό σύστημαμπορεί να οριστεί ως ένα σύστημα που περιέχει διακλαδώσεις.

Πολύ σημαντικό για τη συνέργεια είναι μη γραμμικότητα . Υπό μη γραμμικότητα καταλαβαίνουν:

1. Δυνατότητα επιλογής του τρόπου ανάπτυξης του συστήματος (εννοείται ότι το σύστημα δεν έχει έναν τρόπο ανάπτυξης, αλλά αρκετούς).

2. Το ασύγκριτο των επιπτώσεών μας στο σύστημα και το αποτέλεσμα που προκύπτει σε αυτό. Σύμφωνα με την παροιμία «το ποντίκι θα γεννήσει βουνό».

Αυτό που σε συνέργεια ονομάζεται "διακλάδωση » έχει βαθιά ανάλογα στον πολιτισμό. Όταν ένας ιππότης νεράιδα στέκεται, το να σκέφτεται μια πέτρα στην άκρη του δρόμου σε μια διχάλα στο δρόμο και η επιλογή του μονοπατιού θα τον καθορίσει περαιτέρω μοίρα, τότε πρόκειται ουσιαστικά για μια οπτικο-εικονική αναπαράσταση μιας διχοτόμησης στη ζωή ενός ανθρώπου. Η εξέλιξη των βιολογικών ειδών, που αναπαρίσταται ως εξελικτικό δέντρο , απεικονίζει ξεκάθαρα τις διακλαδώσεις της εξέλιξης της ζωντανής φύσης.

Εισαγωγή

1. Η έννοια του σύμπαντος

2. Το πρόβλημα του θερμικού θανάτου του Σύμπαντος

2.2 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της θεωρίας του θερμικού θανάτου

συμπέρασμα

Εισαγωγή

Σε αυτό το άρθρο, θα μιλήσουμε για το μέλλον του Σύμπαντος μας. Σχετικά με το μέλλον είναι πολύ μακρινό, τόσο που δεν είναι γνωστό αν θα έρθει καθόλου. Η ζωή και η ανάπτυξη της επιστήμης αλλάζουν σημαντικά τις ιδέες μας για το Σύμπαν, και για την εξέλιξή του, και για τους νόμους που διέπουν αυτήν την εξέλιξη. Μάλιστα, η ύπαρξη μαύρων τρυπών είχε προβλεφθεί ήδη από τον 18ο αιώνα. Αλλά μόνο στο δεύτερο μισό του 20ου αιώνα άρχισαν να θεωρούνται ως βαρυτικοί τάφοι τεράστιων αστεριών και ως μέρη όπου ένα σημαντικό μέρος της ύλης προσβάσιμο σε παρατηρήσεις μπορεί να «πέφτει» για πάντα, αφήνοντας τη γενική κυκλοφορία. Και αργότερα έγινε γνωστό ότι οι μαύρες τρύπες εξατμίζονται και, ως εκ τούτου, επιστρέφουν απορροφημένες, αν και με εντελώς διαφορετική όψη. Νέες ιδέες εκφράζονται συνεχώς από κοσμικούς φυσικούς. Επομένως, οι εικόνες που σχεδιάστηκαν πρόσφατα ξαφνικά αποδεικνύονται ξεπερασμένες.

Ένα από τα πιο αμφιλεγόμενα εδώ και περίπου 100 χρόνια είναι το ζήτημα της δυνατότητας επίτευξης μιας κατάστασης ισορροπίας στο Σύμπαν, που ισοδυναμεί με την έννοια του «θερμικού θανάτου» του. Σε αυτό το έργο, θα το εξετάσουμε.

Και τι είναι το Σύμπαν; Οι επιστήμονες κατανοούν αυτόν τον όρο ως τη μεγαλύτερη περιοχή του διαστήματος, η οποία περιλαμβάνει και τα δύο όλα διαθέσιμα για μελέτη ουράνια σώματακαι τα συστήματά τους, δηλ. τόσο ο Μεταγαλαξίας όσο και το πιθανό περιβάλλον, το οποίο εξακολουθεί να επηρεάζει τη φύση της κατανομής και της κίνησης των σωμάτων στο αστρονομικό του μέρος.

Είναι γνωστό ότι ο Μεταγαλαξίας βρίσκεται σε κατάσταση περίπου ομοιόμορφης και ισότροπης διαστολής. Όλοι οι γαλαξίες απομακρύνονται ο ένας από τον άλλο με ταχύτητα μεγαλύτερη, τόσο μεγαλύτερη είναι η απόσταση μεταξύ τους. Με την πάροδο του χρόνου, ο ρυθμός αυτής της επέκτασης μειώνεται. Σε απόσταση 15-20 δισεκατομμυρίων ετών φωτός, η αφαίρεση γίνεται με ταχύτητα κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Για αυτόν και για πολλούς άλλους λόγους, δεν μπορούμε να δούμε πιο μακρινά αντικείμενα. Υπάρχει, λες, ένας ορισμένος «ορίζοντας ορατότητας». Η ύλη σε αυτόν τον ορίζοντα βρίσκεται σε μια υπερπυκνή («ενική», δηλ. ειδική) κατάσταση, στην οποία βρισκόταν τη στιγμή της υπό όρους έναρξης της επέκτασης, αν και υπάρχουν άλλες υποθέσεις σχετικά με αυτό το σκορ. Λόγω του πεπερασμένου της ταχύτητας διάδοσης του φωτός (300.000 km / s), δεν μπορούμε να γνωρίζουμε τι συμβαίνει στον ορίζοντα τώρα, αλλά ορισμένοι θεωρητικοί υπολογισμοί μας επιτρέπουν να σκεφτούμε ότι έξω από τον ορίζοντα ορατότητας, η ύλη κατανέμεται στο διάστημα με περίπου το ίδια πυκνότητα με το εσωτερικό του. Αυτό είναι που οδηγεί τόσο σε μια ομοιόμορφη επέκταση όσο και στην παρουσία του ίδιου του ορίζοντα. Επομένως, ο Μεταγαλαξίας συχνά δεν περιορίζεται στο ορατό μέρος, αλλά θεωρείται ως ένα υπερσύστημα που ταυτίζεται με ολόκληρο το Σύμπαν ως σύνολο, θεωρώντας την πυκνότητά του ομοιόμορφη. Στις απλούστερες κοσμολογικές κατασκευές, εξετάζονται δύο κύριες παραλλαγές της συμπεριφοράς του Σύμπαντος - η απεριόριστη διαστολή, στην οποία η μέση πυκνότητα της ύλης τείνει στο μηδέν με την πάροδο του χρόνου και η διαστολή με μια στάση, μετά την οποία ο Μεταγαλαξίας θα πρέπει να αρχίσει να συστέλλεται. Η γενική θεωρία της σχετικότητας δείχνει ότι η παρουσία της ύλης καμπυλώνει τον χώρο. Σε ένα μοντέλο όπου η διαστολή αντικαθίσταται από συστολή, η πυκνότητα είναι αρκετά υψηλή και η καμπυλότητα αποδεικνύεται τέτοια που ο χώρος «κλείνει στον εαυτό του», όπως η επιφάνεια μιας σφαίρας, αλλά σε έναν κόσμο με περισσότερες διαστάσεις από τον «δικό μας». Η παρουσία του ορίζοντα οδηγεί στο γεγονός ότι ακόμη και αυτόν τον χωρικά πεπερασμένο κόσμο δεν μπορούμε να τον δούμε στο σύνολό του. Επομένως, όσον αφορά τις παρατηρήσεις, ο κλειστός και ο ανοιχτός κόσμος δεν διαφέρουν πολύ.

Πιθανότατα, πραγματικό κόσμοτακτοποιημένα πιο περίπλοκα. Πολλοί κοσμολόγοι υποθέτουν ότι υπάρχουν αρκετοί, ίσως και πολλοί μεταγαλαξίες, και όλοι μαζί μπορούν να αντιπροσωπεύουν κάποιο είδος νέου συστήματος που είναι μέρος κάποιου ακόμη μεγαλύτερου σχηματισμού (ίσως θεμελιωδώς διαφορετικής φύσης). Ξεχωριστά μέρη αυτού του υπερκόσμου (σύμπαν με τη στενή έννοια) μπορούν να έχουν απολύτως διάφορες ιδιότητες, μπορεί να μην συνδέονται μεταξύ τους με φυσικές αλληλεπιδράσεις που είναι γνωστές σε εμάς (ή να είναι ασθενώς συνδεδεμένες, όπως συμβαίνει στην περίπτωση του λεγόμενου ημίκλειστου κόσμου). Σε αυτά τα μέρη του υπερκόσμου, άλλοι νόμοι της φύσης μπορεί να εκδηλωθούν και θεμελιώδεις σταθερές όπως η ταχύτητα του φωτός μπορεί να έχουν άλλες τιμές ή να απουσιάζουν εντελώς. Τέλος, τέτοια σύμπαντα μπορεί να μην έχουν τον ίδιο αριθμό χωρικών διαστάσεων με το δικό μας.

2.1 Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής

Σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο (αρχή) της θερμοδυναμικής, οι διεργασίες που συμβαίνουν σε ένα κλειστό σύστημα τείνουν πάντα σε μια κατάσταση ισορροπίας. Με άλλα λόγια, εάν δεν υπάρχει συνεχής εισροή ενέργειας στο σύστημα, οι διεργασίες που συμβαίνουν στο σύστημα τείνουν να εξασθενίσουν και να σταματήσουν.

Η ιδέα του παραδεκτού και ακόμη και της αναγκαιότητας εφαρμογής του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής στο Σύμπαν στο σύνολό του ανήκει στον W. Thomson (Λόρδος Kelvin), ο οποίος το δημοσίευσε το 1852. Λίγο αργότερα, ο R. Clausius διατύπωσε τους νόμους της θερμοδυναμικής όπως εφαρμόζεται σε ολόκληρο τον κόσμο με την εξής μορφή: 1. Η ενέργεια του κόσμου είναι σταθερή. 2. Η εντροπία του κόσμου τείνει στο μέγιστο.

Η μέγιστη εντροπία ως θερμοδυναμικό χαρακτηριστικό μιας κατάστασης αντιστοιχεί στη θερμοδυναμική ισορροπία. Επομένως, η ερμηνεία αυτής της πρότασης συνήθως περιορίστηκε (συχνά ακόμη και τώρα) στο γεγονός ότι όλες οι κινήσεις στον κόσμο πρέπει να μετατραπούν σε θερμότητα, όλες οι θερμοκρασίες θα εξισωθούν, η πυκνότητα σε αρκετά μεγάλους όγκους πρέπει να γίνει παντού ίδια. Αυτή η κατάσταση ονομάζεται θερμικός θάνατος του σύμπαντος.

Η πραγματική ποικιλομορφία του κόσμου (εκτός, ίσως, της κατανομής της πυκνότητας στις μεγαλύτερες κλίμακες που παρατηρούνται σήμερα) απέχει πολύ από τη ζωγραφική εικόνα. Αλλά αν ο κόσμος υπάρχει για πάντα, η κατάσταση του θερμικού θανάτου θα έπρεπε να έχει έρθει εδώ και πολύ καιρό. Η αντίφαση που προκύπτει ονομάζεται θερμοδυναμικό παράδοξο της κοσμολογίας. Για να εξαλειφθεί, ήταν απαραίτητο να παραδεχτούμε ότι ο κόσμος δεν υπήρχε για αρκετό καιρό. Αν μιλάμε για το παρατηρήσιμο μέρος του Σύμπαντος, καθώς και για το υποτιθέμενο περιβάλλον του, τότε αυτό, προφανώς, ισχύει. Έχουμε ήδη πει ότι βρίσκεται σε κατάσταση επέκτασης. Προέκυψε πιθανότατα ως αποτέλεσμα μιας εκρηκτικής διακύμανσης στο πρωτεύον κενό σύνθετης φύσης (ή, θα έλεγε κανείς, στον υπερκόσμο) πριν από 15 ή 20 δισεκατομμύρια χρόνια. Τα αστρονομικά αντικείμενα - αστέρια, γαλαξίες - προέκυψαν σε μεταγενέστερο στάδιο διαστολής από ένα αρχικά σχεδόν αυστηρά ομοιογενές πλάσμα. Ωστόσο, σε σχέση με το μακρινό μέλλον, το ερώτημα παραμένει. Τι μας περιμένει ή ο κόσμος μας; Θα έρθει ο θερμικός θάνατος αργά ή γρήγορα ή αυτό το συμπέρασμα της θεωρίας είναι λάθος για κάποιο λόγο;

2.2 Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της θεωρίας του θερμικού θανάτου

Πολλοί εξέχοντες φυσικοί (L. Boltzmann, S. Arrhenius και άλλοι) αρνήθηκαν κατηγορηματικά την πιθανότητα θερμικού θανάτου. Ταυτόχρονα, ακόμη και στην εποχή μας, όχι λιγότερο εξέχοντες επιστήμονες είναι σίγουροι για το αναπόφευκτό του. Αν μιλάμε για αντιπάλους, τότε, με εξαίρεση τον Boltzmann, ο οποίος επέστησε την προσοχή στον ρόλο των διακυμάνσεων, η επιχειρηματολογία τους ήταν μάλλον συναισθηματική. Μόλις στη δεκαετία του τριάντα του αιώνα μας εμφανίστηκαν σοβαρές σκέψεις σχετικά με το θερμοδυναμικό μέλλον του κόσμου. Όλες οι απόπειρες επίλυσης του θερμοδυναμικού παραδόξου μπορούν να ομαδοποιηθούν σύμφωνα με τις τρεις κύριες ιδέες που τις διέπουν:

1. Θα μπορούσε κανείς να σκεφτεί ότι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής είναι ανακριβής ή η ερμηνεία του είναι εσφαλμένη.

2. Ο δεύτερος νόμος είναι αληθινός, αλλά το σύστημα των άλλων φυσικών νόμων είναι εσφαλμένο ή ελλιπές.

3. Όλοι οι νόμοι είναι αληθινοί, αλλά δεν ισχύουν για ολόκληρο το Σύμπαν λόγω ορισμένων χαρακτηριστικών του.

Με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, όλες οι επιλογές μπορούν να χρησιμοποιηθούν και χρησιμοποιούνται στην πραγματικότητα, αν και με διάφορους βαθμούς επιτυχίας, για να αντικρούσει το συμπέρασμα σχετικά με τον πιθανό θερμικό θάνατο του Σύμπαντος σε ένα αυθαίρετα μακρινό μέλλον. Σχετικά με το πρώτο σημείο, σημειώνουμε ότι στη «Θερμοδυναμική» η Κ.Α. Η Putilova (M., Nauka, 1981) παρέχει 17 διαφορετικούς ορισμούς της εντροπίας, οι οποίοι δεν είναι όλοι ισοδύναμοι. Θα πούμε μόνο ότι αν έχουμε κατά νου έναν στατιστικό ορισμό που λαμβάνει υπόψη την παρουσία διακυμάνσεων (Boltzmann), ο δεύτερος νόμος στη διατύπωση των Clausius και Thomson αποδεικνύεται πραγματικά ανακριβής.

Ο νόμος της αυξανόμενης εντροπίας, αποδεικνύεται, δεν είναι απόλυτος. Η επιθυμία για ισορροπία υπόκειται σε πιθανολογικούς νόμους. Η εντροπία έχει εκφραστεί μαθηματικά ως η πιθανότητα μιας κατάστασης. Έτσι, αφού φτάσει στην τελική κατάσταση, η οποία μέχρι τώρα υποτίθεται ότι αντιστοιχεί στη μέγιστη εντροπία Smax, το σύστημα θα παραμείνει σε αυτήν για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα από ό,τι σε άλλες καταστάσεις, αν και η τελευταία θα συμβεί αναπόφευκτα λόγω τυχαίων διακυμάνσεων. Σε αυτή την περίπτωση, οι μεγάλες αποκλίσεις από τη θερμοδυναμική ισορροπία θα είναι πολύ πιο σπάνιες από τις μικρές. Στην πραγματικότητα, η κατάσταση με τη μέγιστη εντροπία είναι εφικτή μόνο ιδανικά. Ο Αϊνστάιν σημείωσε ότι «θερμοδυναμική ισορροπία, αυστηρά μιλώντας, δεν υπάρχει». Λόγω διακυμάνσεων, η εντροπία θα κυμαίνεται εντός κάποιων μικρών ορίων, πάντα κάτω από το Smax. Η μέση τιμή του θα αντιστοιχεί στη στατιστική ισορροπία του Boltzmann. Έτσι, αντί για θερμικό θάνατο, θα μπορούσε κανείς να μιλήσει για τη μετάβαση του συστήματος σε κάποια «πιο πιθανή», αλλά και πάλι τελική στατιστικά κατάσταση ισορροπίας. Πιστεύεται ότι η θερμοδυναμική και η στατιστική ισορροπία είναι πρακτικά η ίδια. Η εσφαλμένη αυτή άποψη διέψευσε ο Φ.Α. Τσίτσιν, ο οποίος έδειξε ότι η διαφορά είναι στην πραγματικότητα πολύ μεγάλη, αν και δεν μπορούμε να μιλήσουμε για τις συγκεκριμένες έννοιες της διαφοράς εδώ. Είναι σημαντικό ότι οποιοδήποτε σύστημα (για παράδειγμα, ένα ιδανικό αέριο σε ένα σκάφος) αργά ή γρήγορα δεν θα έχει τη μέγιστη τιμή εντροπίας, αλλά μάλλον αντιστοιχεί, σαν, σε μια σχετικά μικρή πιθανότητα. Αλλά εδώ το θέμα είναι ότι η εντροπία δεν έχει ένα κράτος, αλλά έναν τεράστιο συνδυασμό τους, ο οποίος μόνο απρόσεκτα ονομάζεται ενιαίο κράτος. Κάθε ένα από τα κράτη με έχει πολύ μικρή πιθανότητα να εφαρμοστεί και επομένως το σύστημα δεν παραμένει σε καθένα από αυτά για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αλλά για το πλήρες σετ τους, η πιθανότητα είναι μεγάλη. Επομένως, το σύνολο των σωματιδίων αερίου, έχοντας φτάσει σε κατάσταση με εντροπία κοντά στο , θα πρέπει μάλλον γρήγορα να πάει σε κάποια άλλη κατάσταση με περίπου την ίδια εντροπία, μετά στην επόμενη και ούτω καθεξής. Και παρόλο που σε μια κατάσταση κοντά στο Smax, το αέριο θα περάσει περισσότερο χρόνο από ό,τι σε οποιαδήποτε από τις πολιτείες με , τα τελευταία σε συνδυασμό γίνονται πιο προτιμότερα.