Universums värmedöd
| Del av en serie om |
| fysisk kosmologi |
|---|
Universums värmedöd ( även känd som Big Chill eller Big Freeze ) är en hypotes om universums slutliga öde, som antyder att universum kommer att utvecklas till ett tillstånd utan termodynamisk fri energi och därför inte kommer att kunna upprätthålla processer som ökar entropin . Värmedöd innebär inte någon speciell absolut temperatur ; det kräver bara att temperaturskillnader eller andra processer inte längre får utnyttjas för att utföra arbete . På fysikens språk är det då universum når termodynamisk jämvikt . Heat Death-teorin har blivit den ledande teorin i modern tid med de minsta oförutsägbara faktorerna.
Om universums topologi är öppen eller platt , eller om mörk energi är en positiv kosmologisk konstant , kommer universum att fortsätta expandera för evigt, och en värmedöd förväntas inträffa, med universum avkylning för att närma sig jämvikt vid en mycket låg temperatur efter en mycket lång tidsperiod.
Hypotesen om värmedöd härrör från idéerna från Lord Kelvin som på 1850-talet tog teorin om värme som mekanisk energiförlust i naturen (såsom förkroppsligad i termodynamikens två första lagar ) och extrapolerade den till större processer i en universell skala . Detta gjorde det också möjligt för Kelvin att formulera värmedödsparadoxen , som motbevisar ett oändligt gammalt universum.
Upprinnelsen till idén
Idén om värmedöd härrör från termodynamikens andra lag , av vilken en version säger att entropin tenderar att öka i ett isolerat system . Av detta antyder hypotesen att om universum varar tillräckligt länge, kommer det asymptotiskt närma sig ett tillstånd där all energi är jämnt fördelad. Med andra ord, enligt denna hypotes, finns det en tendens i naturen att försvinna ( energiomvandling) av mekanisk energi (rörelse) till termisk energi ; därför, genom extrapolering, finns det uppfattningen att, med tiden, kommer universums mekaniska rörelse att avta när arbete omvandlas till värme på grund av den andra lagen.
Gissningen att alla kroppar i universum svalnar och så småningom blir för kalla för att bära liv, verkar ha framförts av den franske astronomen Jean Sylvain Bailly 1777 i hans skrifter om astronomins historia och i den efterföljande korrespondensen med Voltaire . Enligt Baillys uppfattning har alla planeter en inre värme och befinner sig nu i något speciellt stadium av avkylning. Jupiter , till exempel, är fortfarande för varmt för att liv ska kunna uppstå där i tusentals år, medan månen redan är för kall. Det slutliga tillståndet, enligt detta synsätt, beskrivs som ett av "jämvikt" där all rörelse upphör.
Idén om värmedöd som en konsekvens av termodynamikens lagar föreslogs dock först i lösa ordalag med början 1851 av Lord Kelvin (William Thomson), som teoretiserade vidare om de mekaniska energiförlusternas åsikter av Sadi Carnot (1824 ) , James Joule (1843) och Rudolf Clausius (1850). Thomsons åsikter utarbetades sedan under det följande decenniet av Hermann von Helmholtz och William Rankine .
Historia
Idén om universums värmedöd härrör från diskussion om tillämpningen av termodynamikens två första lagar på universella processer. Specifikt, 1851 , skisserade Lord Kelvin synsättet, baserat på nyligen genomförda experiment med den dynamiska teorin om värme : "värme är inte en substans, utan en dynamisk form av mekanisk effekt, vi uppfattar att det måste finnas en likvärdighet mellan mekaniskt arbete och värme, som mellan orsak och verkan."
År 1852 publicerade Thomson On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy , där han beskrev grunderna för termodynamikens andra lag sammanfattade av åsikten att mekanisk rörelse och energin som används för att skapa den rörelsen naturligt tenderar att försvinna. eller springa ner. Idéerna i detta dokument, i förhållande till deras tillämpning på solens tidsålder och dynamiken i den universella operationen, lockade till sig sådana som William Rankine och Hermann von Helmholtz. De tre sades ha utbytt idéer om detta ämne. År 1862 publicerade Thomson "On the age of the Sun's heat", en artikel där han upprepade sin grundläggande övertygelse om oförstörbarheten av energi (den första lagen) och den universella försvinnandet av energi (den andra lagen), vilket leder till spridning av energi. värme, upphörande av användbar rörelse ( arbete ) och utmattning av potentiell energi , " förlorade oåterkalleligt " genom det materiella universum, samtidigt som han klargjorde sin syn på konsekvenserna för universum som helhet. Thomson skrev:
Resultatet skulle oundvikligen bli ett tillstånd av universell vila och död, om universum var ändligt och lämnat att lyda befintliga lagar. Men det är omöjligt att föreställa sig en gräns för omfattningen av materia i universum; och därför pekar vetenskapen snarare på ett oändligt framsteg, genom ett oändligt utrymme, av handling som involverar omvandlingen av potentiell energi till påtaglig rörelse och därmed till värme , än på en enda finit mekanism, som rinner ner som en klocka och stannar för alltid.
Klockans exempel visar hur Kelvin var osäker på om universum så småningom skulle uppnå termodynamisk jämvikt . Thompson spekulerade senare i att återställa den försvunna energin i " vis viva " och sedan användbart arbete - och därför vända klockans riktning, vilket resulterade i ett " föryngrande universum " - skulle kräva " en kreativ handling eller en handling med liknande kraft ". Med utgångspunkt från denna publikation introducerade Kelvin också värmedödsparadoxen ( Kelvins paradox), som motbevisar det klassiska konceptet om ett oändligt gammalt universum, eftersom universum inte har uppnått sin termodynamiska jämvikt, så ytterligare arbete och entropiproduktion är fortfarande möjlig. Förekomsten av stjärnor och temperaturskillnader kan betraktas som ett empiriskt bevis på att universum inte är oändligt gammalt.
Under åren som följde efter både Thomsons tidningar från 1852 och 1862, gav Helmholtz och Rankine båda kredit för Thomson med idén, tillsammans med hans paradox, men läste vidare i hans tidningar genom att publicera synpunkter som säger att Thomson hävdade att universum kommer att sluta i en "hetta " döden " (Helmholtz), som kommer att bli " slutet på alla fysiska fenomen " (Rankine). [ opålitlig källa? ]
Nuvarande status
Förslag om universums slutliga tillstånd beror på de antaganden som görs om dess slutliga öde, och dessa antaganden har varierat avsevärt under slutet av 1900-talet och början av 2000-talet. I ett hypotesiskt "öppet" eller "platt" universum som fortsätter att expandera i det oändliga, förväntas antingen en värmedöd eller en Big Rip så småningom inträffa. Om den kosmologiska konstanten är noll kommer universum att närma sig absolut nolltemperatur över en mycket lång tidsskala. Men om den kosmologiska konstanten är positiv kommer temperaturen att asymptote till ett positivt värde som inte är noll, och universum kommer att närma sig ett tillstånd av maximal entropi där inget vidare arbete är möjligt.
Tidsram för värmedöd
Från Big Bang fram till idag tros materia och mörk materia i universum ha varit koncentrerade i stjärnor , galaxer och galaxhopar och antas fortsätta att göra det långt in i framtiden. Därför är universum inte i termodynamisk jämvikt , och föremål kan utföra fysiskt arbete. :§VID Nedbrytningstiden för ett supermassivt svart hål med ungefär 1 galaxmassa (10 11 solmassor ) på grund av Hawking-strålning är i storleksordningen 10 100 år, så entropi kan produceras åtminstone fram till den tiden. Vissa stora svarta hål i universum förutspås fortsätta växa upp till kanske 10 14 M ☉ under kollapsen av superkluster av galaxer. Även dessa skulle avdunsta under en tidsskala på upp till 10 106 år. Efter den tiden går universum in i den så kallade mörka eran och förväntas huvudsakligen bestå av en utspädd gas av fotoner och leptoner . :§VIA Med endast mycket diffus materia kvar, kommer aktiviteten i universum att ha avtagit dramatiskt, med extremt låga energinivåer och extremt långa tidsskalor. Spekulativt är det möjligt att universum kan gå in i en andra inflationsepok , eller om man antar att det nuvarande vakuumtillståndet är ett falskt vakuum , kan vakuumet förfalla till ett lägre energitillstånd . :§VE Det är också möjligt att entropiproduktionen kommer att upphöra och universum når värmedöd. :§VID
Det föreslås att, under stora tidsperioder, skulle en spontan entropiminskning så småningom inträffa via Poincarés återfallssats , termiska fluktuationer och fluktuationssats . Genom detta skulle ett annat universum möjligen kunna skapas av slumpmässiga kvantfluktuationer eller kvanttunneler på ungefär år. Ett sådant scenario har dock beskrivits som "mycket spekulativt, förmodligen felaktigt, [och] helt otestbart". Sean M. Carroll , ursprungligen en förespråkare av denna idé, stöder den inte längre, och hävdar att de virtuella partiklarna som produceras av kvantfluktuationer inte kan bli verkliga partiklar utan en extern tillförsel av energi.
Motsatta åsikter
Max Planck skrev att frasen "universums entropi" inte har någon mening eftersom det inte medger någon exakt definition. 2008 skrev Walter Grandy: "Det är ganska förmätet att tala om entropin i ett universum som vi fortfarande förstår så lite om, och vi undrar hur man kan definiera termodynamisk entropi för ett universum och dess huvudbeståndsdelar som aldrig har varit i jämvikt i hela deras existens." Enligt Tisza : "Om ett isolerat system inte är i jämvikt, kan vi inte associera en entropi med det." Buchdahl skriver om "det helt oförsvarliga antagandet att universum kan behandlas som ett slutet termodynamiskt system". Enligt Gallavotti : "... det finns ingen universellt accepterad uppfattning om entropi för system utanför jämvikt, även när de är i ett stationärt tillstånd." När de diskuterar frågan om entropi för icke-jämviktstillstånd i allmänhet, Lieb och Yngvason sin åsikt enligt följande: "Trots det faktum att de flesta fysiker tror på en sådan icke-jämviktsentropi, har det hittills visat sig omöjligt att definiera den på ett klart tillfredsställande sätt ." Enligt Landsbergs åsikt: "Den tredje missuppfattningen är att termodynamiken, och i synnerhet begreppet entropi, utan vidare utredning kan appliceras på hela universum... Dessa frågor har en viss fascination, men svaren är spekulationer."
En analys av entropi från 2010 säger: "Entropin för ett allmänt gravitationsfält är fortfarande inte känd", och "gravitationsentropi är svår att kvantifiera." Analysen överväger flera möjliga antaganden som skulle behövas för uppskattningar och antyder att det observerbara universum har mer entropi än vad man tidigare trott. Detta beror på att analysen drar slutsatsen att supermassiva svarta hål är den största bidragsgivaren. Lee Smolin går vidare: "Det har länge varit känt att gravitationen är viktig för att hålla universum borta från termisk jämvikt. Gravitationsbundna system har negativ specifik värme - det vill säga hastigheterna hos deras komponenter ökar när energi avlägsnas. ... Sådana ett system utvecklas inte mot ett homogent jämviktstillstånd. Istället blir det allt mer strukturerat och heterogent när det splittras i delsystem." Denna synpunkt stöds också av det faktum att en nyligen genomförd [ när? ] experimentell upptäckt av ett stabilt icke-jämviktssteady state i ett relativt enkelt slutet system. Det bör förväntas att ett isolerat system fragmenterat i delsystem inte nödvändigtvis kommer till termodynamisk jämvikt och förblir i icke-jämviktssteady state. Entropi kommer att överföras från ett delsystem till ett annat, men dess produktion kommer att vara noll, vilket inte motsäger termodynamikens andra lag .
Populärkultur
I Isaac Asimovs novell The Last Question från 1956 undrar människor gång på gång hur universums värmedöd kan undvikas.
I datorspelet I Have No Mouth, and I Must Scream från 1995 , baserat på Harlan Ellison -novellen med samma namn , sägs det att AM, den illvilliga superdatorn, kommer att överleva universums hetadöd och fortsätta att tortera dess odödliga offer för evigheten.
I 2011 års animeserie Puella Magi Madoka Magica avslöjar antagonisten Kyubey att han är medlem i en utomjordisk ras som har skapat magiska flickor i årtusenden för att skörda sin energi för att bekämpa entropi och avvärja universums hetadöd.
I sista akten av Final Fantasy XIV: Endwalker möter spelaren en utomjordisk ras känd som Ea som har förlorat allt hopp om framtiden och alla lust att leva vidare, allt för att de har fått reda på universums eventuella värmedöd och se allt annat som meningslöst på grund av dess sannolika oundviklighet.
Den övergripande handlingen i Xeelee-sekvensen handlar om Photino-fåglarnas ansträngningar att påskynda universums värmedöd genom att accelerera den hastighet med vilken stjärnor blir vita dvärgar.
