Філософські висновки з другого принципу термодинаміки

ФІЗИКА

Частина 2 МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

Розділ 7 ОСНОВИ ТЕРМОДИНАМІКИ

7.11. Філософські висновки з другого принципу термодинаміки

Другий принцип термодинаміки є узагальненням величезної кількості експериментального матеріалу і блискуче підтверджується для всіх відомих макроскопічних процесів. Проте висновки з нього різні вчені робили діаметрально протилежні. Вже автори другого принципу У. Томсон (Кельвін) і Р. Клаузіус поширили його на світ у цілому і зробили висновок про неминучу теплову смерть світу.

Закон зростання ентропії визначає напрям енергетичних перетворень: усі вони в замкнених системах відбуваються лише в одному напрямі. Досягнення замкненою системою максимально можливої ентропії відповідає досягненню в ній теплової рівноваги. Різниця температур, які характеризують окремі частини системи, зникає, і макроскопічні процеси стають неможливими. Вся властива системі енергія перетворюється в енергію невпорядкованого, хаотичного руху мікрочастинок системи, і зворотний перехід теплоти в роботу неможливий. З цього погляду ентропія характеризує здатність енергії до перетворень. Це можна зрозуміти з аналізу поняття вільної енергії ψ = U – ТS, де ψ – вільна енергія; T – абсолютна температура; S – ентропія. В роботу може бути перетворена не вся енергія U, а лише частина її за винятком величини TS. Цю величину можна назвати зв’язаною, “знеціненою” енергією, яка не може бути перетворена в роботу. Отже, чим більша ентропія, тим менша вільна енергія і тим більше знецінена повна енергія, хоч якісно вона залишається тією самою.

За Клаузіусом, усі процеси в природі відбуваються в напрямі зростання ентропії, що означає неухильне знецінення енергії, пов’язане з її перетворенням у теплоту, і вирівнювання температур унаслідок теплообміну. Рано чи пізно це приведе до абсолютної теплової рівноваги у Всесвіті й, отже, до теплової смерті. Енергія хоч і збережеться кількісно, але зникне в якісному відношенні. Цю думку в лаконічній формі виклав Р. Клаузіус так: енергія Всесвіту стала, ентропія Всесвіту прагне до максимуму.

Розглядаючи другий принцип термодинаміки як закон “знецінення” енергії у Всесвіті, Дж. Джине вважав, що при повному перетворенні речовини у випромінювання температура світового простору підніметься лише на кілька десятків градусів, залишаючись усе-таки значно нижчою від температури рідкого повітря.

До висновків Дж. Джинса приєднався також А. Еддінгтон, який вважав, що з часом уся речовина Всесвіту перетвориться у випромінювання і світ нагадуватиме радіохвильову кулю, що розширюється. А. Еддінгтон якраз вважав зростання ентропії показником напряму зміни часу від минулого до майбутнього. Оскільки при тепловій смерті ентропія досягне максимуму, то час у цьому разі зупиниться. Якщо за кінець світу А. Еддінгтон брав стан його термодинамічної рівноваги, то за початок – такий стан світу, коли матерія й енергія мали максимум можливої організації. Виходить, що за другим принципом кінець світу має бути з настанням його теплової смерті, то тоді має існувати початок його, як твердить А. Еддінгтон. Прихильником теплової смерті був, наприклад, відомий американський учений Н. Вінер – один із творців кібернетики.

З критикою теорії теплової смерті Всесвіту виступив видатний фізик-матеріаліст Л. Больцман (1844-1906). У класичній термодинаміці вважається, що при досягненні в системі теплової рівноваги в ній припиняються будь-які активні процеси, пов’язані з відхиленням від цього стану. Л. Больцман підійшов до проблеми теплової рівноваги з позицій молекулярно-кінетичної теорії теплоти, пов’язав поняття ентропії зі станом молекулярної системи, з його ймовірністю (7.36). Проте він допускав можливість зміни стану системи навіть при статистичній рівновазі. Оскільки стан найбільшої ймовірності близький до стану дещо меншої ймовірності, то в системі відбуватимуться невеликі відхилення від цього стану, або флуктуації, протягом яких ентропія зменшуватиметься. За Больцманом, ентропія замкненої системи з часом збільшується, але в окремі моменти часу спостерігається її зменшення, зумовлене флуктуаціями речовини.

Л. Больцман переніс ці уявлення на Всесвіт. Він вважав, що другий принцип справедливий для Всесвіту, який у цілому перебуває вже в стані теплової рівноваги. В окремих частинах його зі зменшенням ентропії відбуваються відхилення від цього стану, або флуктуації, які охоплюють іноді гігантські за розмірами області. Подібні флуктуації характеризуються законами ймовірності, після кожної з таких флуктуацій система повертається в попередній стан рівноваги. Л. Больцман допускав, що область зіркового простору, яка оточує нас, є саме такою гігантською за розмірами флуктуацією, під час якої виникли можливості для виникнення життя на Землі.

Флуктуаційна гіпотеза Л. Больцмана відіграла прогресивну роль у боротьбі проти теорії теплової смерті, оскільки вона допускала можливість постійних змін у світі. Проте вчений обстоював позиції метафізичного і механістичного матеріалізму і висунута ним гіпотеза мала принципові недоліки, які знецінювали її позитивний критичний зміст. Давши статистичне тлумачення другому принципу, він відкинув лише ідею незмінності Всесвіту після встановлення теплової рівноваги, але не саме положення про теплову рівновагу.

Якщо застосувати положення статистичної механіки до Всесвіту, який існує необмежено в часі, то ми, здавалося б, з необхідністю повинні дійти висновку, що Всесвіт (точніше, будь-яка як завгодно велика його область) має перебувати в стані термодинамічної рівноваги. Час релаксації будь-якої скінченної області не може бути нескінченним. Насправді ж нічого такого не спостерігається. Вся та область Всесвіту, з якої доходить до нас інформація, перебуває в стані дуже далекому від рівноваги. Сконцентрована в галактиках та зірках матерія безперервно втрачає енергію, яка розсіюється у просторі, а це веде до складної еволюції зіркових систем, зірок і планет.

Одним із перших глибоку критику теорії теплової смерті Всесвіту дав Ф. Енгельс. Він вказував на несумісність цієї теорії з матеріалістичним світоглядом. Вона суперечить принципу незнищенності руху, тому має бути відкинута філософією. Спростовуючи твердження про неминучість перетворення всіх форм руху в теплоту, яка необоротно розсіюється в простір, Ф. Енгельс зазначав, що рух матерії зберігається в кількісному і якісному відношеннях, тобто необмежено перетворюється з одних форм в інші. Він писав, що випромінена у світовий простір теплота повинна мати можливість якимсь шляхом – шляхом, встановлення якого буде колись у майбутньому завданням природознавства, – перетворитися в іншу форму руху, в якій вона може знову зосередитись і почати активно функціонувати.

Неважко переконатися, що другий принцип термодинаміки має обмежену сферу дії, характеризує не всі форми руху, а лише ті, які пов’язані з перетворенням теплоти. Він не поширюється на гравітаційні, ядерні та електромагнітні процеси, хоча саме вони зумовлюють концентрацію розсіяної матерії і залучають її в нові цикли розвитку. Другий принцип не поширюється також на броунівський рух, який не виявляє ніякої тенденції до припинення, тому його не можна вважати таким загальним законом, яким є, наприклад, закон збереження енергії, що діє в усіх без винятку процесах, як одиничних, так і масових. Крім того, при узагальненнях треба мати на увазі ту межу, де кількісні нагромадження в системі приводять до нових якостей. Ентропією також можна характеризувати великі й малі тіла, але вона не має смислу щодо окремих молекул. Деякі фізичні поняття й закони якісно змінюються при переході від макрофізичних процесів до процесів мегасвіту. Суть методологічної помилки у висновку про теплову смерть криється також у нехтуванні якісних змін основних понять (ізольована система, ентропія, рівноважний стан) при поширенні термодинаміки на світ у цілому. Закон зростання ентропії діє лише в замкненій, тобто скінченній, системі. Світ же нескінченний у просторі й часі і є незамкненою сукупністю систем. Тому безпідставно поширювати закон, справедливий для обмежених областей, який діє на Всесвіт тільки за певних умов. При цьому допускається абсолютизація другого принципу. Навіть якщо вважати, що світ нескінченний у просторі й скінченний у часі, як це допускається в концепції теплової смерті, то й тоді вона ніколи б не настала. Досвід засвідчує, що будь-які взаємодії поширюються зі скінченною швидкістю. Тоді світ, нескінченний у просторі, прийшов би до теплової смерті лише через нескінченно великий проміжок часу, тобто практично ніколи не зміг би прийти до термодинамічної рівноваги.

Ентропія – це єдина відома функція стану, яка однозначно збільшується з часом. Ця особливість ентропії дає змогу інколи вважати її своєрідним показником напряму часу від минулого до майбутнього. Спроба пов’язати плинність часу зі зміною ентропії має деякі підстави. Напрям часу не можна вивести з ускладнення матерії в процесі розвитку, оскільки розпад систем потрібно було б пов’язати зі зворотним напрямом плинності часу, що неприпустимо. Проте зростання ентропії не можна вважати єдиним і універсальним показником напряму часу для всіх процесів. Для процесів, до яких поняття ентропії незастосовне, показник напряму часу має бути іншим. Цей показник не завжди дійсний і для тих процесів, до яких можна застосовувати поняття ентропії. Ці процеси пов’язані в основному з тепловою формою руху. Наприклад, якщо в ізольованій системі настає термодинамічна рівновага, ентропія досягає свого найбільшого з можливих значень, то потрібно було б визнати, що при цьому час у такій системі зупинився б. Такий висновок не має смислу, оскільки навіть після встановлення статистичної рівноваги рух у системі не припиняється. Хоча в середньому швидкості молекул стануть приблизно однаковими, проте вони будуть значно відрізнятися від нуля. Відбуватиметься також рух атомів у молекулах, елементарних частинок у атомах, різна взаємодія їх. Ці форми руху принципово незнищенні, а саме їхнє існування передбачає плинність часу, який виступає як об’єктивна міра тривалості будь-якої зміни. Поняття ентропії до них застосувати неможливо.

Проте у випадку макроскопічних явищ виникають значні труднощі й суперечності у зв’язку з таким розумінням ентропії. Іноді, як показав Больцман, можливе не лише зростання, а й зменшення ентропії за рахунок флуктуацій. Якщо плинність часу від минулого до майбутнього ототожнювати зі зростанням ентропії, то зменшення ентропії слід би пов’язати із зворотним напрямом часу – від майбутнього до минулого.

Отже, зростання ентропії не можна вважати критерієм плинності часу до майбутнього. Не час є похідним від окремої фізичної характеристики – ентропії, а, навпаки, зростання ентропії є похідним щодо змін матерії в часі.

Збільшення ентропії на ділянці розширення Всесвіту узгоджується із законами класичної механіки. Лише в надгустих станах Всесвіту, мабуть, виявиться необхідним урахування квантових ефектів, а отже, характер зміни ентропії зумовлений на певних етапах еволюції Всесвіту квантовими законами поведінки частинок.

Швидкий розвиток теорії еволюції Всесвіту став можливим лише на основі нової теорії гравітації, яка враховує релятивістську космологію. Сучасні уявлення про розвиток Всесвіту викладені в підрозділі 14.15.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (No Ratings Yet)
Loading...