Տիեզերքի ջերմային մահ

Ենթակատեգորիա	• իրադարձություն; • prediction; • ultimate fate of the universe
Հետազոտվում է	ջերմադինամիկա

Տիեզերքի ջերմային մահը (կամ Մեծ սառցակալում) տիեզերքի վերջնական ճակատագրի վերաբերյալ վարկած է, որը ենթադրում է, որ տիեզերքը զարգանալու է առանց թերմոդինամիկ ազատ էներգիայի վիճակի և, հետևաբար, չի կարողանա պահպանել էնտրոպիան մեծացնող գործընթացները։ Ջերմային մահը չի ենթադրում որևէ հատուկ բացարձակ ջերմաստիճան, այն միայն պահանջում է, որ ջերմաստիճանի տարբերությունները կամ այլ գործընթացներն այլևս չօգտագործվեն աշխատանք կատարելու համար։ Ֆիզիկայի լեզվով ասած, սա այն ժամանակ է, երբ տիեզերքը հասնում է թերմոդինամիկական հավասարակշռության։

Եթե տիեզերքի կորությունը հիպերբոլիկ է կամ հարթ, կամ եթե մութ էներգիան դրական տիեզերական հաստատուն է, տիեզերքը ընդմիշտ կշարունակի ընդարձակվել, և սպասվում է ջերմային մահ, երբ տիեզերքը սառչում է և երկար ժամանակից հետո շատ ցածր ջերմաստիճանում մոտենալու հավասարակշռությանը^[1]։

Ջերմային մահվան տեսությունը բխում է լորդ Քելվինի գաղափարներից, ով 1850-ականներին ընդունեց ջերմության տեսությունը որպես մեխանիկական էներգիայի կորուստ բնության մեջ (ինչպես մարմնավորված է թերմոդինամիկայի առաջին երկու օրենքներում) և այն էքստրապոլյացիայի ենթարկեց ավելի մեծ գործընթացների համընդհանուր մասշտաբով։ Սա նաև թույլ տվեց Քելվինին ձևակերպել ջերմային մահվան պարադոքսը, որը հերքում է անսահման հին տիեզերքը։

Գաղափարի ակունքները

Ջերմային մահվան գաղափարը բխում է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքից, որի մեկ տարբերակում ասվում է, որ էնտրոպիան հակված է մեծանալու մեկուսացված համակարգում։ Դրանից ելնելով, վարկածը ենթադրում է, որ եթե տիեզերքը գոյատևի բավարար ժամանակ, ապա այն ասիմպտոտիկ կերպով կմոտենա մի վիճակի, որտեղ ամբողջ էներգիան հավասարաչափ բաշխված է։ Այլ կերպ ասած, այս վարկածի համաձայն, բնության մեջ միտում կա մեխանիկական էներգիայի (շարժման) ջերմային էներգիայի ցրման (էներգիայի փոխակերպման) նկատմամբ, հետևաբար, էքստրապոլյացիայի միջոցով գոյություն ունի այն տեսակետը, որ ժամանակի ընթացքում տիեզերքի մեխանիկական շարժումը կավարտվի, քանի որ աշխատանքը վերածվում է ջերմության երկրորդ օրենքի պատճառով^[2]:

Այն ենթադրությունը, որ տիեզերքի բոլոր մարմինները սառչում են, ի վերջո դառնում են չափազանց ցուրտ՝ կյանքն ապահովելու համար, կարծես առաջին անգամ առաջ է քաշվել ֆրանսիացի աստղագետ Ժան Սիլվեն Բեյլի կողմից 1777 թվականին աստղագիտության պատմության վերաբերյալ իր գրություններում և դրան հաջորդած նամակագրության մեջ Վոլտերի հետ: Բեյլի կարծիքով, բոլոր մոլորակներն ունեն ներքին ջերմություն և այժմ գտնվում են սառեցման որոշակի փուլում։ Վեներան, օրինակ, դեռ շատ շոգ է, որպեսզի հազարավոր տարիներ այնտեղ կյանք առաջանա, մինչդեռ Մարսն արդեն չափազանց ցուրտ է։ Վերջնական վիճակը, այս տեսակետում, նկարագրվում է որպես «հավասարակշռություն», որի դեպքում բոլոր շարժումները դադարում են։

Ջերմային մահվան գաղափարը որպես թերմոդինամիկայի օրենքների հետևանք, այնուամենայնիվ, առաջին անգամ առաջարկվել է 1851-ից սկսած լորդ Քելվինի կողմից (Ուիլյամ Թոմսոն), ով լրացուցիչ տեսություն է ներկայացրել Սադի Կարնոյի (1824), Ջեյմս Ջուլի (1843) և Ռուդոլֆ Կլաուզիուսի (1850-ականներ) մեխանիկական էներգիայի կորստի տեսակետների վերաբերյալ: Այնուհետև Թոմսոնի տեսակետները մշակվեցին հաջորդ տասնամյակի ընթացքում Հերման ֆոն Հելմհոլցի և Ուիլյամ Ռանկայնի կողմից։

Պատմություն

Տիեզերքի ջերմային մահվան գաղափարը բխում է համընդհանուր գործընթացներում թերմոդինամիկայի առաջին երկու օրենքների կիրառման քննարկումից։ Մասնավորապես, 1851 թվականին Լորդ Քելվինը ուրվագծեց այն տեսակետը, որը հիմնված է ջերմության դինամիկ տեսության վերաբերյալ վերջին փորձերի վրա։

1852 թվականին Թոմսոնը հրատարակեց «Մեխանիկական էներգիայի ցրման բնության համընդհանուր տենդենցը», որտեղ նա ուրվագծեց թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի հիմքերը, որոնք ամփոփված էին այն տեսակետով, որ մեխանիկական շարժումը և այդ շարժումը ստեղծելու համար օգտագործվող էներգիան, բնականաբար, հակված են ցրվելու կամ իջնելուն: Այս հոդվածի գաղափարները՝ կապված Արեգակի դարաշրջանում դրանց կիրառման և համընդհանուր գործողության դինամիկայի հետ, գրավեցին Ուիլյամ Ռանկայնի և Հերման ֆոն Հելմհոլցի նմաններին։ Ասում էին, որ նրանք երեքը մտքեր են փոխանակել այս թեմայով^[3]։

1862 թվականին Թոմսոնը հրատարակեց «Արևի ջերմության դարաշրջանի մասին» հոդվածը, որտեղ նա կրկնեց իր հիմնարար համոզմունքները էներգիայի անխորտակելիության (առաջին օրենք) և էներգիայի համընդհանուր ցրման (երկրորդ օրենք) վերաբերյալ, ինչը հանգեցնում է ջերմության տարածմանը, օգտակար շարժման դադարեցմանը (աշխատանքի), և «էներգիայի միջոցով էներգիայի ներուժի հաղթահարման, ներուժի վերականգնում» պարզաբանելով իր տեսակետը ողջ տիեզերքի հետևանքների վերաբերյալ^[4]։

Ժամացույցի օրինակը ցույց է տալիս, թե ինչպես Քելվինը վստահ չէր, թե արդյոք տիեզերքը ի վերջո կհասնի թերմոդինամիկական հավասարակշռության։ Ավելի ուշ Թոմփսոնը ենթադրեց, որ «vis viva»-ում ցրված էներգիան վերականգնելը, այնուհետև օգտագործելի աշխատանքը, և, հետևաբար, վերադարձնել ժամացույցի ուղղությունը, ինչը կհանգեցնի «երիտասարդացող տիեզերքի», կպահանջի «ստեղծագործական գործողություն կամ նմանատիպ ուժ ունեցող գործողություն»։

Այս հրապարակումից սկսած՝ Քելվինը նաև ներկայացրեց ջերմային մահվան պարադոքսը (Քելվինի պարադոքսը), որը վիճարկում էր անսահման հին տիեզերքի դասական հայեցակարգը, քանի որ տիեզերքը չի հասել իր թերմոդինամիկական հավասարակշռությանը, հետևաբար հետագա աշխատանքը և էնտրոպիայի արտադրությունը դեռևս հնարավոր են։ Աստղերի առկայությունը և ջերմաստիճանի տարբերությունները կարելի է համարել էմպիրիկ ապացույց, որ տիեզերքն անսահման հին չէ^[5]։

Թե՛ Թոմսոնի 1852 և թե՛ 1862 հոդվածներին հաջորդող տարիներին Հելմհոլցը և Ռանկինը երկուսն էլ Թոմսոնին վերագրեցին այդ գաղափարը, նրա պարադոքսի հետ մեկտեղ, բայց ավելի ուշ կարդացին նրա հոդվածները՝ հրապարակելով տեսակետներ, որտեղ ասվում էր, որ Թոմսոնը պնդում էր, որ տիեզերքը կավարտվի «ջերմային մահով» (Հելմհոլցը կլինի «ամեն ինչի ֆիզիկական վերջը»)։

Ներկայիս կարգավիճակը

Տիեզերքի վերջնական վիճակի վերաբերյալ առաջարկությունները կախված են նրա վերջնական ճակատագրի վերաբերյալ արված ենթադրություններից, և այդ ենթադրությունները զգալիորեն տարբերվել են 20-րդ դարի վերջին և 21-րդ դարի սկզբին։ Տեսականացված «բաց» կամ «հարթ» տիեզերքում, որը շարունակում է անվերջ ընդլայնվել, ի վերջո սպասվում է կա՛մ ջերմային մահ, կա՛մ Մեծ ճեղքվածք^[6]։ Եթե տիեզերական հաստատունը զրոյական է, տիեզերքը շատ երկար ժամանակում կմոտենա բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանին։ Այնուամենայնիվ, եթե տիեզերական հաստատունը դրական է, ապա ջերմաստիճանը կհասնի ոչ զրոյական դրական արժեքի, և տիեզերքը կմոտենա առավելագույն էնտրոպիայի վիճակին, որում հետագա աշխատանք հնարավոր չէ։

Ջերմային մահվան ժամկետը

Տեսությունը ենթադրում է, որ «Մեծ պայթյունից» մինչև մեր օրերը, ենթադրվում է, որ մատերիան և մութ մատերիան տիեզերքում կենտրոնացած են եղել աստղերում, գալակտիկաներում և գալակտիկաների կլաստերներում, և ենթադրվում է, որ այսքան լավ կշարունակեն նաև ապագայում։ Հետևաբար, տիեզերքը թերմոդինամիկական հավասարակշռության մեջ չէ, և առարկաները կարող են ֆիզիկական աշխատանք կատարել։ Հոքինգի ճառագայթման պատճառով գերզանգվածային սև խոռոչի քայքայման ժամանակը մոտավորապես 1 գալակտիկայի զանգվածով (10¹¹ արեգակնային զանգված) կազմում է 10¹⁰⁰ տարվա կարգի, ուստի էնտրոպիա կարող է առաջանալ առնվազն մինչև այդ ժամանակը^[7]։ Կանխատեսվում է, որ տիեզերքի որոշ խոշոր սև խոռոչներ կշարունակեն աճել մինչև 10¹⁴ M ☉ գալակտիկաների գերկույտերի փլուզման ժամանակ։ Նույնիսկ դրանք կարող են գոլորշիանալ մինչև 10¹⁰⁶ տարվա ընթացքում^[8]։ Այդ ժամանակից հետո տիեզերքը մտնում է այսպես կոչված մութ դարաշրջան և ակնկալվում է, որ այն բաղկացած կլինի հիմնականում ֆոտոնների և լեպտոնների նոսր գազից։ Քանի որ մնացել է միայն շատ ցրված նյութ, տիեզերքի ակտիվությունը կտրուկ կնվազի, էներգիայի չափազանց ցածր մակարդակներով և չափազանց երկար ժամանակաշրջաններով։ Սպեկուլյատիվորեն, հնարավոր է, որ տիեզերքը կարող է մտնել երկրորդ գնաճային դարաշրջան, կամ ենթադրելով, որ ներկայիս վակուումային վիճակը կեղծ վակուում է, վակուումը կարող է քայքայվել ավելի ցածր էներգիայի վիճակի։ Հնարավոր է նաև, որ էնտրոպիայի արտադրությունը դադարի, և տիեզերքը հասնի ջերմային մահվան։ Առաջարկվում է, որ հսկայական ժամանակաշրջանների ընթացքում ինքնաբուխ էնտրոպիայի նվազում ի վերջո տեղի կունենա Պուանկարեի կրկնության թեորեմի, ջերմային տատանումների, և տատանումների թեորեմի միջոցով։ Սրա միջոցով մեկ այլ տիեզերք հնարավոր է ստեղծվի պատահական քվանտային տատանումների կամ մոտավորապես քվանտային թունելավորման միջոցով $10^{10^{10^{56}}}$ տարիներ^[9]։

Ծանոթագրություններ

↑ Plait, Philip (2008). Death from the Skies!. Viking Adult (published 16 October 2008). էջ 259. ISBN 978-0-670-01997-7.
↑ Brush, Stephen G. (1996). A History of Modern Planetary Physics: Nebulous Earth. Vol. 1. Cambridge University Press. էջ 77. ISBN 978-0-521-44171-1.
↑ Thomson, Sir William. (1851). "On the Dynamical Theory of Heat, with numerical results deduced from Mr Joule's equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault's Observations on Steam" Excerpts. [§§1–14 & §§99–100], Transactions of the Royal Society of Edinburgh, March 1851, and Philosophical Magazine IV, 1852. This version from Mathematical and Physical Papers, vol. i, art. XLVIII, pp. 174.
↑ Thomson, Sir William (1852). "On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy" Proceedings of the Royal Society of Edinburgh for 19 April 1852, also Philosophical Magazine, Oct. 1852. This version from Mathematical and Physical Papers, vol. i, art. 59, pp. 511.
↑ Harold I. Sharlin (13 December 2019). «William Thomson, Baron Kelvin». Encyclopædia Britannica. Վերցված է 24 January 2020-ին.
↑ Consolmagno, Guy (2008-05-08). «Heaven or Heat Death?». Thinking Faith (անգլերեն). Արխիվացված օրիգինալից 2023-11-16-ին. Վերցված է 2008-10-06-ին.
↑ See in particular equation (27) in Page, Don N. (15 January 1976). «Particle emission rates from a black hole: Massless particles from an uncharged, nonrotating hole». Physical Review D. 13 (2): 198–206. Bibcode:1976PhRvD..13..198P. doi:10.1103/PhysRevD.13.198.
↑ Frautschi, Steven (13 August 1982). «Entropy in an Expanding Universe» (PDF). Science. 217 (4560): 593–9. Bibcode:1982Sci...217..593F. doi:10.1126/science.217.4560.593. JSTOR 1688892. PMID 17817517. S2CID 27717447. «Since we have assumed a maximum scale of gravitational binding—for instance, superclusters of galaxies—black hole formation eventually comes to an end in our model, with masses of up to 10¹⁴ $M$ _☉ ... the timescale for black holes to radiate away all their energy ranges ... to 10¹⁰⁶ years for black holes of up to 10¹⁴ $M$ _☉»
↑ Carroll, Sean M.; Chen, Jennifer (October 2004). «Spontaneous Inflation and Origin of the Arrow of Time». arXiv:hep-th/0410270.Bibcode: 2004hep.th...10270C

[DftS-1] Plait, Philip (2008). Death from the Skies!. Viking Adult (published 16 October 2008). էջ 259. ISBN 978-0-670-01997-7.

[2] Brush, Stephen G. (1996). A History of Modern Planetary Physics: Nebulous Earth. Vol. 1. Cambridge University Press. էջ 77. ISBN 978-0-521-44171-1.

[3] Thomson, Sir William. (1851). "On the Dynamical Theory of Heat, with numerical results deduced from Mr Joule's equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault's Observations on Steam" Excerpts. [§§1–14 & §§99–100], Transactions of the Royal Society of Edinburgh, March 1851, and Philosophical Magazine IV, 1852. This version from Mathematical and Physical Papers, vol. i, art. XLVIII, pp. 174.

[4] Thomson, Sir William (1852). "On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy" Proceedings of the Royal Society of Edinburgh for 19 April 1852, also Philosophical Magazine, Oct. 1852. This version from Mathematical and Physical Papers, vol. i, art. 59, pp. 511.

[britannica.com-5] Harold I. Sharlin (13 December 2019). «William Thomson, Baron Kelvin». Encyclopædia Britannica. Վերցված է 24 January 2020-ին.

[6] Consolmagno, Guy (2008-05-08). «Heaven or Heat Death?». Thinking Faith (անգլերեն). Արխիվացված օրիգինալից 2023-11-16-ին. Վերցված է 2008-10-06-ին.

[page-7] See in particular equation (27) in Page, Don N. (15 January 1976). «Particle emission rates from a black hole: Massless particles from an uncharged, nonrotating hole». Physical Review D. 13 (2): 198–206. Bibcode:1976PhRvD..13..198P. doi:10.1103/PhysRevD.13.198.

[8] Frautschi, Steven (13 August 1982). «Entropy in an Expanding Universe» (PDF). Science. 217 (4560): 593–9. Bibcode:1982Sci...217..593F. doi:10.1126/science.217.4560.593. JSTOR 1688892. PMID 17817517. S2CID 27717447. «Since we have assumed a maximum scale of gravitational binding—for instance, superclusters of galaxies—black hole formation eventually comes to an end in our model, with masses of up to 10¹⁴ $M$ _☉ ... the timescale for black holes to radiate away all their energy ranges ... to 10¹⁰⁶ years for black holes of up to 10¹⁴ $M$ _☉»

[9] Carroll, Sean M.; Chen, Jennifer (October 2004). «Spontaneous Inflation and Origin of the Arrow of Time». arXiv:hep-th/0410270.Bibcode: 2004hep.th...10270C

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]