«Тепловая смерть» Вселенной

В 1852 году У. Томсон в небольшой заметке «О появляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии», он сформулировал знаменитую концепцию «тепловой смерти» Вселенной.

Гельмгольц в статье 1854 года подхватывает эту мысль Томсона и предсказывает Вселенной «тепловую смерть», когда все упорядоченное движение без остатка перейдет в хаотическое (тепловое) движение молекул, и когда во Вселенной прекратятся все процессы. Клаузиус, вводя энтропию, отмечал, что энтропия мира стремится к максимуму.

 Мысль классиков физики о неизбежности тепловой смерти мира очень быстро стала популярной, особенно в связи с социальными катаклизмами начала XX века.

 Сегодня ее формулируют так. Это гипотетическое состояние мира, к которому якобы должно привести его развитие в результате превращения всех видов энергии в тепловую и равномерного распределение последней в пространстве. В таком случае Вселенная должна прийти в состояние однородного изотермического равновесия характеризующийся максимумом энтропии. Это есть следствие второго начала термодинамики для замкнутых систем, в которых энтропия может только возрастать.

Существует ряд попыток решить эту проблему.

Флуктуационная гипотеза. Обнаружив пропасть между физической и «естественнонаучной» теориями эволюции, Больцман выдвинул флуктуационную гипотезу. Окружающая нас область Вселенной, заявил он, является гигантской флуктуацией, тогда как Вселенная в целом находится в равновесном мертвом состоянии. Человек, по Больцману, потому только и имеет возможность наблюдать эту чрезвычайно маловероятную флуктуацию, что представляет собой ее порождение.

 Равновесные флуктуации, как известно, безразличны к знаку времени. Поэтому концепция Больцмана носит в принципе антиэволюционный характер. «Для Вселенной оба направления времени неразличимы», – говорит он, трактуя необратимость эволюции как иллюзии.

 Флуктуационная гипотеза имеет сегодня немногочисленных сторонников.

Закон возрастания энтропии действует не везде. Более распространен вариант разрешения противоречия между законом возрастания энтропии и эволюции за счет их обоих. Говорят, что эволюция в сторону усложнения не всегда имеет место, и что когда она имеет место, закон возрастания энтропии несправедлив.

 Последовательное проведение этой концепции приводит к антиэволюционному по своей сути выводу о невозможности возникновения живой материи из неживой и о параллельном их существовании с момента зарождения Вселенной.

 Попытки каким-то образом ограничить действие закона возрастания энтропии сегодня постепенно сходят на нет.

 Порядок черпается в окружающей среде. Австрийский физик Э. Шредингер начинал свою научную деятельность с закона возрастания энтропии. Затем он занялся квантовой механикой, и получил за это в 1933 году Нобелевскую премию, однако в 40-х годах вернулся к «первой любви», выпустив в 1944 году книгу "Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки". "Каждый процесс, явление, событие, – назовите это, как хотите, – пишет он, – короче говоря, все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части мира, где это происходит. Так и живой организм непрерывно... производит положительную энтропию". Опираясь на локальную формулировку закона возрастания энтропии, Шредингер считает его "наиболее общим и всеохватывающим законом".

 «Костяк» концепции Шредингера и его последователей составляют две идеи. Согласно первой, живая материя отличается от неживой тем, что является существенно неравновесной, избегая перехода в инертное равновесное состояние. Согласно второй, живая система сохраняет неравновесность за счет среды, черпая в ней упорядоченность, то есть отрицательную энтропию (негэнтропию).

 Отталкиваясь от концепции Шредингера, некоторые авторы высказываются в том плане, что живые и социальные системы, не нарушая закона возрастания энтропии, как бы противодействуют ему, оттягивая смерть организма или разрушение социального объекта.

 Живые системы ускоряют суммарный рост энтропии за счет потребления во все больших количествах энергии друг из друга, в конечном же счете – из среды.

 Концепция Шредингера оставляет без ответа главный вопрос о том, откуда же берется порядок в системах, которые служат средой для живых и неживых усложняющихся систем. Особенно интригующе звучит этот вопрос для Вселенной, у которой нет среды.

Рост энтропии может сопровождаться ростом сложности даже в изолированной системе. В последние два-три десятилетия появилась идея, что рост сложности вообще не противоречит росту энтропии.

 Направление эволюции, определяемое законом возрастания энтропии, находится в противоречии с представлением о прогрессивной эволюции от низшего к высшему, от более простого к более сложному. Однако бытующее представление о хаосе (вернее, о равномерном распределении вещества в пространстве) как о состоянии с максимальной энтропией неверно. Неравномерное распределение, неизбежно возникающее из него, имеет еще большую энтропию. Известно, что равномерное распределение вещества в пространстве должно изменяться. Вселенная либо расширяется, либо сжимается в соответствии с фридмановскими космологическими решениями. Известно, что состояние равномерного распределения должно смениться разбиением среды на отдельные области. При процессе разбиения сопровождается необратимыми потерями, которые приводят к росту энтропии за пределы величины S_max.

 Мы пришли к парадоксальному, на первый взгляд, выводу: состоянию «тепловой смерти» соответствует отнюдь не максимальное значение энтропии. Наоборот, это состояние может быть начальным для последующей эволюции гравитирующего вещества, которая идет (в полном соответствии со вторым началом термодинамики) от менее вероятных («малоэнтропийных») к более вероятным («высокоэнтропийным») состояниям. Нет сомнений в том, что учет и других взаимодействий не изменит этого вывода, роль гравитационных взаимодействий в образовании структурности не является каким-то исключением, взаимодействие между атомами приводит к тем же последствиям.

 На самом деле решение проблемы «тепловой смерти» заключается в следующем. Вселенная находится в неравновесном состоянии. Она находится в процессе расширения, что приводит к уменьшению ее удельной энергии. В результате ее «температура» не растет, а уменьшается. Она проста находится в некотором переходном состоянии, в котором увеличение энтропии меньше чем увеличение фазового пространства системы.