Проблема menловой смерти Вселенной

У. Томсон экстраполировал принцип возрастания энтро­пии на крупномасштабные процессы, протекающие в приро­де. Р. Клаузиус распространил этот принцип на Вселенную в целом, что привело его к гипотезе о тепловой смерти Вселен­ной. Все физические процессы протекают в направлении пе­редачи тепла от более горячих тел к менее горячим, это озна­чает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, будущее выри­совывается перед нами в достаточно трагических тонах: исчезновение температурных различий и превращение всей ми­ровой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Все­ленной. Отсюда Клаузиус делает вывод о том, что «1. Энергия мира постоянна. 2. Энтропия мира стремится к максимуму». Экстраполяционный вывод о грядущей тепловой смерти Все­ленной, означающей прекращение каких-либо физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное со­стояние с максимальной энтропией на протяжении всего даль­нейшего развития, привлекает внимание ученых, ибо затра­гивает как глубинные проблемы чисто научного характера, так и философско-мировоззренческие, поскольку указывает определенную верхнюю границу возможности существования человечества. С научной точки зрения, возникают проблемы правомерности следующих экстраполяции, высказанных Клаузиусом: 1. Вселенная рассматривается как замкнутая система. 2. Эволюция мира может быть описана как смена его состоя­ний. 3. Для мира как целого состояние с максимальной энт­ропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.

Проблемы эти представляют несомненную трудность и для современной физической теории. Решение их следует искать в общей теории относительности и развивающейся на ее ос­нове современной космологии. Многие теоретики считают, что в общей теории относительности мир как целое должен рас­сматриваться «не как замкнутая система, а как система, нахо­дящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статистического равновесия» (Ландау Л.Д. и Лифшиц Е.М. Статистическая физика. — М., 1964. С. 46).

В чем смысл флуктуационной гипотезы, высказанной П. Больцманом?

Проблему будущего развития Вселенной пытался разрешить Л. Больцман, применивший к замкнутой Вселенной понятие флуктуации. Под флуктуацией физической величины понимается отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы. Больцман принял ограничение Максвелла, согласно которому для небольшого числа частиц второе начало термодинамики не должно применяться, ибо в случае небольшого числа молекул нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом он использует это ограничение для Вселенной, рассматривая видимую часть Вселенной как небольшую область бесконечной Вселенной. Для такой не­большой области допустимы флуктационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной направлении к хаосу. Идея эволюции, результатом которой явилась бы самоорганизация материи, возникновение огромной палитры многообразных красок физической реальности неотразимо влекли Больцмана. Больцман поставил своей целью не просто описывать состояние равновесия, но и создать теорию эволюции системы к равновесию. При этом он пытался соединить II начало термодинамики с динамикой, вывести «необратимость» из динамики. Флуктауционная гипотеза Больцмана как раз является развитием этих его целеустремлений. При формулировании флуктуационной гипотезы Больцман исходил из допущения, что бесконечная Вселенная уже достигла состояния термодинамического равновесия. Но вследствие статистического характера принципа возрастания энтропии для небольших областей этой бесконечной Вселенной возможны макроскопические откло­нения от состояния равновесия — флуктуации.

К сожалению, мечта Больцмана не сбылась, в полной мере ему не удалось найти ключ к объединению динамики и второго начала термодинамики, а предлагаемая флуктуационная модель эволюции Вселенной имела всего лишь характер гипо­тезы ad hoc и при этом очень большое число оппонентов. Те_м не менее, современные космологические модели эволюции Вселенной, включающие, в себя инфляционный сценарий по существу являются развитием этой гипотезы. XX в. внес свои коррективы в проблемы самоорганизации сложных сис­тем и формирует новое междисциплинарное направление — си­нергетику, в рамках которого эволюция Вселенной рассмат­ривается как возникновение и функционирование различных физических структур из суперсимметричного состояния. Ины­ми словами, развитие Вселенной есть процесс возникнове­ния порядка из хаоса.

Развитие взглядов на природу света. Форму па Планка

В истории науки существовали две точки зрения на природу света. Одна из них, поддерживаемая авторитетом И. Ньютона, рассматривала свет как поток упругих корпускул. Вторая точка зрения, отстаиваемая Р. Декартом, а. впоследствии X. Гюйген­сом, рассматривала свет как механическую волну, распростра­няющуюся в упругой среде — эфире. До начала XIX в. а господ­ство удерживала первая точка зрения. Однако с 1801 г. ситуа­ция резко изменилась в связи с установлением Т. Юнгом явления интерференции на двух щелях. Опыты Юнга были продолжены Френелем, который дал объяснение явлениям интерференции и дифракции исходя из представлений о волновой природе све­та. Таким образом, к середине XIX в. не было никаких сомне­ний по поводу того, что свет является волной. Открытие Макс­веллом электромагнитной природы света только укрепило эту уверенность. Специальная теория относительности не подвер­гала критическому пересмотру эту точку зрения. Отметим, что классическая физика исходит из коренного различия между по­нятиями частицы и волны. Считается, что частица обладает конечным числом степеней свободы, строгой траекторией дви­жения, отсутствием интерференции и дифракции. Волна же обладает бесконечным числом степеней свободы, бестраекторностью, ибо каждая точка пространства, куда приходит воз­буждение, сама становится источником вторичных волн. Явле­ние интерференции и дифракции — не что иное, как наложе­ние друг на друга когерентных волн; то есть эти явления отражают волновую природу конкретных материальных объектов.

Вся классическая физика строится исходя из представле­ния о непрерывной природе пространства, времени, движе­ния, непрерывного характера изменения всех физических величин. Гениальная гипотеза, высказанная М. Планком в связи с разрешением кризисной ситуации, которая сложилась в физике в конце XIX в. при исследовании законов излучения абсолютно черного тела, постулирует, что вещество не мо­жет излучать или поглощать энергию иначе, как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или поглощаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта)

Е = hv,

где v — частота излучения, a h — универсальная константа, полу­чившая название постоянной Планка, или элементарного кванта действия.

Постоянная Планка — универсальная константа, что оз­начает: через нее могут быть выражены любые физические характеристики, которыми обмениваются два объекта, один из которых является микрообъектом.

Открытие Планка не перечеркивало ряд эффектов, в кото­рых свет проявляет свои волновые свойства. Но при этом были открыты явления, свидетельствующие о корпускулярной при­роде света. Таким образом, заговорили о корпускулярно-вол­новом дуализме света: в одних ситуациях свет ведет себя как волна; а в других ситуациях свет ведет себя как поток частиц (фотонов).