Проблема тепловой смерти Вселенной

I начало термодинамики не противоречило общепринятым взглядам на природу и не вызывало никаких возражений, так как было связано с признанием закона сохранения и превращения энергии. Что касается II начала термодинамики, то отношение к нему было противоречивым. Так, новый физический закон утверждал неизвестную до сих пор односторонность протекания всех реальных процессов в изолированной системе в направлении постепенного превращения всех видов энергии в теплоту при одновременном уравнивании температурных разностей, существующих в системе. Это означало, что хотя энергия системы и сохранялась, с течением времени она лишалась способности совершать какую-либо работу, то есть лишалась способности к превращениям. То есть энергия обесценивалась, деградировала и в системе наступала тепловая смерть.

Вывод о тепловой смерти фактически противоречил закону сохранения и превращения энергии, который утверждал неуничтожимость, вечность движения и продолжения жизни в природе. II начало термодинамики утверждало неизбежность деградации энергии, поэтому получалось, что энергия сохраняется лишь формально, так как теряя способность совершать работу, энергия по существу переставала быть энергией, которая по своему определению есть способность совершать работу. Распространение II начала термодинамики на всю Вселенную приводило к подтверждению библейской легенды о сотворении и конце мира, что не могло быть принято наукой того времени. Таким образом, возникло противоречие между I и II началами термодинамики.

Таким образом, Томсон и Клаузиус выдвинули проблему распространения II начала термодинамики на всю Вселенную, но не решили ее. Задача науки заключалась как раз в том, чтобы показать невозможность применения II начала термодинамики ко всему миру в целом, найти процессы космического масштаба, опровергающие такое применение, так как наука не может мириться с признанием начала и конца мира.

Первый шаг, опровергающий концепцию тепловой смерти Вселенной, был сделан в 1852г. Ранкиным, который высказал гипотезу, отрицающую конец мира. Согласно этой гипотезе, межзвездная среда (эфир) не простирается до бесконечности, а имеет за пределами видимого мира граничную сферическую поверхность, за которой находится пустое пространство. Вследствие этого тепловые лучи, в которые превращается рассеянная энергия, отражаются от этой поверхности и собираются в некоторых точках Вселенной как в фокусах, создавая там высокую температуру. Попадая в эти фокусы, остывшая материя небесных тел должна вновь нагреться и превратиться в раскаленную массу, образуя новые системы, подобные солнечной. Таким образом, во Вселенной одновременно с процессами гибели миров вследствие рассеяния энергии должны протекать процессы возникновения новых миров с последующим развитием на них жизни.

Решение проблемы тепловой смерти Вселенной было сделано Максвеллом и Больцманом с использованием представлений статистической физики, о чем будет изложено ниже.

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

И СТАТИСТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА

Открытие закона сохранения и превращения энергии привело к утверждению того факта, что теплота является неким видом движения. Предстояло выяснить, во-первых, движением чего является теплота, а во-вторых, что собой представляет это движение, каков его характер. Решение этой проблемы привело к возникновению и развитию молекулярно-кинетической теории, которая в последующем превратилась в новую область науки – статистическую физику.

Ответ на вопрос, движением чего является теплота, был получен с помощью атомистической гипотезы. В начале XIX века атомистическая гипотеза была привнесена в физику Джоном Дальтоном (1766-1844), который разработал основы химической атомистики.

Дальтон применил атомистическую гипотезу для объяснения закона парциальных давлений, который был им открыт в 1801 г. Затем он разработал теорию атомного строения вещества и применил ее для объяснения химических процессов.

Дальтон составил таблицы атомных весов химических элементов, принимая вес водорода за единицу, и дал первые формулы химических соединений, введя обозначения для атомов химических элементов.

В 1808 г., исследуя химические реакции газов, Гей-Люссак (1778-1850) открыл новый закон, согласно которому простые газы соединяются всегда в кратных объемных отношениях.

В 1811 г. Авогадро, ввел понятие молекулы (по его терминологии — интегральная молекула) и атома (элементарная молекула), дал правильное объяснение закону Гей-Люссака. Авогадро предположил, что в равных объемах газов содержится не одинаковое число атомов, а одинаковое число молекул, и что частицы простых газов бывают сложными и являются молекулами, состоящими из двух и более атомов. Независимо от Авогадро к той же гипотезе пришел Ампер в 1814 г., который также предложил понятие атома и молекулы и таким же образом объяснил закон Гей-Люссака.