5.5. Гипотеза «тепловой смерти» Вселенной

Первое и второе начала термодинамики справедливы для изолированных систем, к числу которых Клаузиус и Томсон относили и Вселенную. Отсюда они пришли к выводу, что все виды энергий во Вселенной «высокого» качества должны перейти в энергию теплового движения (энергию «низкого» качества), которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы и, следовательно, наступит её «тепловая смерть». Этот вывод непосредственно следует из второго начала термодинамики, согласно которому любая физическая система (в том числе и Вселенная), не обменивающаяся энергией, веществом и информацией с другими системами, стремится к наиболее вероятному состоянию – к состоянию с максимумом энтропии.

Проблему будущего развития Вселенной пытался разрешить Больцман, применивший к замкнутой Вселенной понятие флуктуации. Под флуктуацией физической величины понимается случайное отклонение значения этой величины от её среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы. Согласно флуктуационной гипотезе Больцмана Вселенная извечно пребывает в равновесном состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем бóльшую область захватывают и чем значительнее степень отклонения. Флуктуационные отклонения от равновесия, по мнению Больцмана, должны снять проблему необратимой эволюции Вселенной в направлении к хаосу. Однако в связи с ранним уходом Больцмана из жизни

флуктуационная модель развития Вселенной осталась незавершённой.

В настоящее время учёные склоняются к тому, что Вселенная не является замкнутой системой и поэтому применение к ней второго начала термодинамики бессмысленно. Решение проблемы тепловой смерти Вселенной лежит, вероятно, в рамках термодинамики открытых систем. Обмен веществом, энергией и информацией между Вселенной и остальной частью Космоса может замедлить рост энтропии Вселенной или даже привести к её уменьшению, что сделает проблему тепловой смерти Вселенной менее актуальной.

5.6. Термодинамика открытых систем

применительно к изолированным системам, т. е. к системам, не взаимодействующим с окружающей средой. Теперь обратимся к неизолированным системам, обменивающимся с внешней средой веществом, энергией и информацией. Будем исходить из того, что любая неизолированная система и среда, её окружающая, вместе образуют квазиизолированную Вселенную. Тогда для Вселенной можно применить второе начало термодинамики, в соответствии с которым изменение энтропии Вселенной не может быть отрицательным, а именно

где dSВсел – изменение энтропии Вселенной; dSсист – изменение энтропии системы; dSсред – изменение энтропии

окружающей среды.

Из (5.5) непосредственно следует, что изменение энтропии системы должно быть больше или равно изменению энтропии окружающей среды с обратным знаком, т. е.

Анализ (5.6) показывает, что при определённых условиях энтропия системы может, увеличиваться, оставаться неизменной или в отличие от изолированных систем даже уменьшаться. Рассмотрим эти ситуации. Пусть изменение энтропии окружающей среды будет отрицательным ( dSсред < 0 ). Тогда изменение энтропии

системы будет положительным ( dSсист >0 ). Это означает

«перетекание» энтропии из окружающей среды в систему, в результате которого в системе имеют место диссипативные процессы, увеличивающие степень хаоса, а в окружающей среде происходит её структурирование.

В случае, когда изменение энтропии окружающей среды равно нулю ( dSсред = 0 ), то возможны два решения: 1) dSсист = 0 – система и среда находятся в равновесном состоянии, что, как следует из (5.5), соответствует равновесному состоянию Вселенной в целом; 2) –

это решение, по видимому, не имеет физического смысла, так как в этом случае система не находится в равновесном состоянии и, являясь открытой системой, неизбежно должна

обмениваться веществом и/или энергией с окружающей средой, что должно привести к нарушению равновесия в окружающей среде и, следовательно, к изменению её энтропии.

И, наконец, изменение энтропии внешней среды может быть положительным ( dSсред > 0 ), что соответствует

преобладанию диссипативных процессов в ней. В этом случае возможны три решения: 1) dSсист < 0 – в системе протекают процессы упорядочения (структурирования); 2) dSсист >0 – в системе, как и в окружающей среде, преобладают диссипативные процессы; 3) dSсист = 0 –

решение не имеет физического смысла, так как система, являясь открытой системой, неизбежно должна обмениваться веществом и/или энергией с окружающей средой, находящейся в неравновесном состоянии, что будет изменять энтропию системы.

Проведённый анализ поведения энтропии в открытой системе показал, что в отличие от изолированной системы, энтропия неизолированной системы может уменьшаться. Это означает, что структура системы становится более совершенной, более упорядоченной. Примером открытой системы, в которой имеет место уменьшение энтропии, может служить система, состоящая из вещества, находящегося в стадии кристаллизации. В процессе кристаллизации происходит структурирование вещества, что и приводит к уменьшению энтропии, так как число реализаций макросостояния на микроуровне уменьшается. Процесс кристаллизации вещества сопровождается передачей тепла в окружающую среду. Это ведёт к

усилению хаотизации в окружающей среде и, следовательно, к увеличению её энтропии.

Другим примером открытых систем, в которых имеет место уменьшение энтропии, являются биологические системы. Например, синтез генетического материала в клетках, который характеризуется очень высоким уровнем молекулярной организации, сопровождается соответствующим уменьшением энтропии системы. Платой за синтез генетического материала, да и за рост и развитие организмов, является увеличение энтропии окружающей среды.

Подробно процессы самоорганизации, происходящие в открытых системах и приводящие к уменьшению энтропии, рассмотрены в главе 11 данной книги.