Юрій Уланович
Немає нічого простіше, ніж залякати апокаліпсисом людину, котра не вміє відрізняти художню вигадку від науково доведених фактів. Достатньо розписати їй певний сценарій загибелі всього живого, додавши до цього побільше незрозумілої термінології: «теплова смерть», ентропія, другий закон термодинаміки…
Теорія Рудольфа Клаузіуса
В оповіданні американського письменника-фантаста Айзека Азімова «Останнє запитання» (1956 р.) головні герої з далекого майбутнього спілкуються зі штучним інтелектом – надпотужним комп’ютером, шукаючи способи зупинити дію другого закону термодинаміки, щоб врятувати від загибелі людство, якому загрожує теплова смерть Всесвіту. Ще раніше, у 1937 р., до теми «теплової смерті» Всесвіту звертався британський письменник і філософ Олаф Стейплдон у своєму романі «Творець зірок». А шість років тому, в 2017 р. японці присвятили цьому один з випусків аніме про дівчинку-чарівницю Мадоку. Разом із тим, варто пам’ятати, що художній твір – це тільки плід творчої праці автора, та аж ніяк не науковий прогноз і не пророцтво.
В середині ХІХ століття відомий німецький фізик Рудольф Клаузіус сформулював так званий другий закон термодинаміки – науки про закономірності перебігу теплових процесів. Згідно другій засаді, теплота може переходити сама собою лише від більш теплого тіла до більш холодного. Це триває допоки температури обох тіл не зрівняються. Подібний процес ми можемо спостерігати в будь-якому тепловому двигуні. До основи функціонування таких двигунів як раз і покладено перехід теплової енергії від будь-якого її джерела до «холодильника». Вирівнювання температур між тілами, нагрітими різною мірою, ми зустрічаємо буквально на кожному кроці у нашому повсякденному житті.
Уявімо собі, що всі річки Землі зливаються в один океан, і що вода, яка туди потрапляє, назад більше не повертається. Коли вода у річках стікає з більш високого рівня на рівень океану, у ній міститься певний запас енергії, котрий можна перетворити на роботу, скажімо, скерувавши воду на обертання турбін гідроелектростанцій. Але та вода, що потрапила до океану, в цьому сенсі вже не має жодної цінності. Бо для того, щоб змусити цю воду працювати, довелося б зливати її на ще більш низький рівень.
Ентропія
Так само і внаслідок теплової взаємодії певна частина теплоти знецінюється, втрачає здатність здійснювати роботу. Цю невідворотну, так би мовити, «втрачену» енергію Клаузіус пропонував назвати грецьким словом «ентропія», що означає «звернена всередину».
В будь-якій замкненій, ізольованій фізичній системі всі види енергії повинні поступово стекти у «тепловий океан», а теплота – розподілитися рівномірно між тілами. Як тільки це відбудеться, настане «теплова смерть» системи. Будь-які процеси в ній повністю припиняться.
Зорі на небі ясної ночі
Цей закон, цілком справедливий для будь-яких замкнених фізичних систем, Клаузіус переніс на весь Всесвіт. Ентропія Всесвіту прагне до певного максимуму, – твердив він, і чим більше Всесвіт наближається до цього граничного стану, тим менше умов для подальших змін. А коли цей стан буде досягнуто, всі зміни взагалі припиняться, і Всесвіт застигне посеред мертвого небуття.
Гіпотеза про «теплову смерть» світу була негайно взята на озброєння богословами як «наукове» підтвердження існування бога.
«…Так, завдяки закону ентропії, що відкрив Рудольф Клаузіус, – твердив папа Пій ХІІ, – підійшли до пізнання того, що стихійні процеси природи завжди пов’язані зі зменшенням вільної та корисної енергії… Це рокова доля… вона витікає з позитивного наукового досвіду, та наполегливо вимагає буття необхідної сутності».
Однак наукове співтовариство тієї доби не поділяло такої думки. Фізики розкритикували теорію Клаузіуса за те, що перенесення другого закону термодинаміки, тобто закону зростання ентропії, на весь безкінечний Всесвіт є абсолютно неправомірним.
За доби, коли Клаузіус проголосив свою теорію, згідно з якою «теплова смерть» Всесвіту вбачалася цілком можливою, вчені наразі не мали можливості спростувати її остаточно. Проте у подальшому сучасна наука виявила цілу низку факторів, які свідчать про те, що у Всесвіті, поряд із процесами розпорошення енергії відбуваються також процеси її концентрації.
Як було спростовано теорію про «теплову смерть» Всесвіту
У цього питання існує ще один, не менш принциповий аспект. Чи є загалом обґрунтованим твердження про прагнення ентропії до максимуму, якщо воно поширюється на весь безкінечний Всесвіт?
Для того, щоб розібратися із цим питанням, треба розглядати «теплову смерть» з позицій так званої статистичної фізики. Ця наука вивчає перехід від стану з меншою ентропією до стану з більшою ентропією як перехід від стану з меншою вірогідністю до стану з більшою вірогідністю. А «теплова смерть» – це стан з максимальною ентропією, стан повної рівноваги. З позицій статичної фізики подібний стан відрізняється від усіх інших вірогідних станів найбільшою ймовірністю. Чи є можливим такий стан для Всесвіту загалом?
Протягом багатьох років над цією проблемою працювали українські вчені. На симпозіумах з філософських аспектів фізики та астрономії, які проводилися у м. Києві в 1964 і 1966 рр., наші науковці скептично ставилися до ідей московських «колег» щодо розв’язання термодинамічного парадоксу, а натомість висували пропозиції застосувати для дослідження «теплової смерті» методи математичної теорії множин.
Всесвіт має структурну будову. Це означає, що у навколишньому світі існують матеріальні системи різного ступеня складності. Причому одні з них входять до складу інших. Так, атоми побудовані з елементарних часток, молекули з атомів, мікроскопічні тіла з молекул, галактики із зірок, а метагалактика з галактик.
Чи може подібна система прагнути до теплової рівноваги? Або, якщо скористатися поняттями статистичної фізики, чи може вона мати найбільш вірогідний стан? Українським астрономам і астрофізикам вдалося переконливо довести, що система такого ґатунку не тільки не може прагнути до стану рівноваги, але і саме поняття рівноважного, себто найбільш імовірного, стану для неї не має фізичного сенсу.
Тим самим було показано в узагальненому вигляді, що структурному Всесвітові, в якому матерія безперервно розвивається і має безкінечне розмаїття, «теплова смерть» не загрожує.