Цимерманис Л.-Х. Вселенная во Вселенной

Содержание

От автора

Вселенная всегда будоражила ум человека и продолжает это делать до сих пор. Особенно сейчас, когда появилось множество теорий о ее происхождении, устройстве и расширении. Но ни в одной из них, на мой взгляд, вы не найдете удовлетворительного согласования с главенствующим законом природы – вторым началом термодинамики.

После обобщения своих многолетних термодинамических исследований сорбции, структурообразования и массопереноса я занялся анализом применения второго начала термодинамики к природным термодинамическим системам. При этом оказалось, что природные системы могут быть только открытыми и существовать в неравновесных условиях, являясь частью открытой неравновесной бесконечной системы, каковой может быть только Бесконечная Вселенная. Попытка связать этот вывод с моими предыдущими исследованиями привела к тому, что изложено в этой работе.

Надеюсь, что читателю будет интересно узнать, что наша Вселенная является конечной локальной областью Бесконечной Вселенной, как она родилась, из чего и как в ней образовались и продолжают образовываться пространственные структуры (звезды, планеты, галактики), как в ней мчится стрела времени, почему она расширяется, почему увеличивается скорость ее расширения и может ли это расширение когда-нибудь прекратиться.

В этой работе предлагаются такие представления о Вселенной, которые кое в чем расходятся с общепринятыми, но полностью соответствуют второму началу термодинамики, вытекающим из него следствиям и имеющимся опытным данным.

С благодарностью приму отзывы и замечания.

Предварительные замечания

Вселенная очень неохотно раскрывает свои тайны. Для их познания требуется постоянный поиск все новых и новых путей.

В этом поиске наитеснейшим образом переплетаются наука, философия, мифология и религия, литература и искусство, составляющие неотъемлемую часть человеческой культуры. Последняя формирует мировоззрение ученых, которые, в свою очередь, открывают новые горизонты для размышлений, познания человеком природы и самого себя. Это в полной мере относится и к развитию наших представлений о Вселенной, которые эволюционируют от века к веку, от одного поколения исследователей к другому.

Первую космологическую модель Вселенной еще в XVI в. предложил Бруно. В своем пятом диалоге он писал: "Итак, Вселенная едина, бесконечна, неподвижна. Она не движется в пространстве: Она не рождается: Она не уничтожается: Она не может уменьшаться или увеличиваться:".

Следующим, действительно революционным, этапом в развитии наших представлений о Вселенной стала открытая Эйнштейном связь пространства и времени в его общей теории относительности. Эйнштейн раздвинул рамки теории тяготения Ньютона и показал, что гравитация приводит к искривлению пространства. Общая теория относительности предопределила дальнейшее развитие астрофизики и космологии, а также современной космической техники и технологии. Теория Эйнштейна предсказала и объяснила отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца и других массивных объектов с сильным гравитационным полем, наличие в космическом пространстве невидимых объектов, искривляющих пространство силой своего притяжения, которые теперь называются черными дырами. Эти и другие вытекающие из теории Эйнштейна предсказания впоследствии были подтверждены экспериментальными астрофизическими инструментальными измерениями.

Вслед за созданием общей теории относительности в 1917 г. Эйнштейн предложил свою космологическую модель, согласно которой Вселенная считалась статичной, однородной и изотропной, что составило суть так называемого космологического принципа. С тех пор Вселенная считается замкнутой системой, имеющей неимоверно огромные, но конечные размеры, объем и массу (R < oo, V < oo, M < oo) и простирающейся в пространстве до самой далекой звезды, от которой до нас доходит луч света или какие-либо другие сигналы (электромагнитное, радиационное излучение).

Прошло всего несколько лет, и Фридман показал, что эйнштейновская Вселенная неустойчива, и разработал теорию расширяющейся Вселенной, подтвержденную в 1929  г. экспериментальными наблюдениями Хаббла. Он установил, что наблюдаемые с Земли галактики удаляются друг от друга со скоростями, пропорциональными расстоянию до них от Земли. Это экспериментальное открытие привело к концепции расширяющейся Вселенной. На основе общей теории относительности был сделан вывод, что эволюция Вселенной происходит адиабатически и обратимо. Такое представление неизбежно приводит к тому, что изначально Вселенная должна была начаться с чего-то, сосредоточенного в точке.

И тогда наступил третий этап развития наших представлений о Вселенной.

Гамов разработал гипотезу о том, что это нечто, что было сосредоточено в точке, должно было взорваться подобно атомной бомбе. В результате этого Большого взрыва произошла Вселенная, которая с тех пор непрерывно расширяется. Экспериментальным подтверждением этой гипотезы стало открытое Пензиасом и Вилсоном в 1965 г. остаточного (реликтового) излучения. Принято считать, что это излучение возникло на первых стадиях существования Вселенной, когда вследствие космологического расширения первичная материя остыла настолько, что смогли образоваться атомы водорода. Дальнейшее теоретическое обоснование и развитие теория Большого взрыва получила в работах Хокинга и Пенроуза, показавших, что взорвавшаяся сингулярность могла образоваться из геометрии пустого пространства квантовомеханическим путем. Хокинг соединил квантовую механику с общей теорией относительности и разработал теорию черных дыр, большое количество которых затем было обнаружено экспериментально.

В последнее время особое внимание теоретиков уделяется вопросу о расширении Вселенной. Это явление пытаются объяснить как адиабатическое расширение газового облака, появившегося после Большого взрыва. Другое объяснение связывает расширение Вселенной с "антигравитационными" свойствами темной материи. Увеличивающуюся скорость расширения связывают как с "неизвестной темной энергией", так и с некоей "квинтэссенцией", которая раздвигает Вселенную и может привести к распаду всех ее пространственных структур и даже материи.

Теперь общепринятым является представление о том, что Вселенная родилась в результате Большого взрыва, когда взорвалась сингулярность, сама образовавшаяся квантовомеханическим путем из "ничего". Вселенная является нестатичной, но однородной и изотропной. Она является замкнутой, имеет конечные размеры, объем и массу. В момент Большого взрыва возникла энтропия и связанная с нею стрела времени. Такова суть космологической модели, с которой мы вошли в XXI в.

Из этой космологической модели вытекает ряд любопытных следствий, среди которых и нижеследующие.

Если пространство не бесконечно, то и связанное с ним время тоже не может быть бесконечным. Подобно часам оно когда-нибудь должно остановиться. Так как стрела времени обусловлена возрастанием энтропии, то и оно когда-нибудь должно остановиться при достижении энтропией своего максимума. А это ведет к полному беспорядку (хаосу) и уничтожению Вселенной, и даже всей материи: Другой сценарий предполагает, что когда-нибудь расширение Вселенной остановится, и она начнет сужаться и превратится в сингулярность, подобную коллапсирующей черной дыре, в которой исчезнет и пространство, и время, и материя.

Допущение появления Вселенной из "ничего" приводит еще к одному сценарию. Это – вероятность того, что очередной большой взрыв из "ничего" может произойти в любой момент времени в любой точке Вселенной, в том числе и на Земле в любом месте. Этот новый большой взрыв может разнести в дребезги и Землю, и всю нашу Вселенную, так что от них ничего не останется, и родится новая стрела времени. На такую, хоть и ничтожно малую, вероятность указывают вычисления ученых Чикагского университета, выполненные в 2004 г.

Задолго до появления этих приводящих в уныние сценариев гибели нашей Вселенной Эдингтон писал: "Закон монотонного возрастания энтропии – второе начало термодинамики – занимает, как мне кажется, высшее положение среди законов природы. Если кто-нибудь заметит вам, что ваша любимая теория Вселенной не согласуется с уравнениями Максвелла, то тем хуже для уравнений Максвелла. Если окажется, что ваша теория противоречит наблюдениям, – ну что же, и экспериментаторам случается ошибаться. Но, если окажется, что ваша теория противоречит второму началу термодинамики, то у вас не останется ни малейшей надежды: ваша теория обречена на бесславный конец".

Эти строки Эдингтон писал еще до того, как работами Онзагера, Пригожина, Де Гроота было положено начало разработки термодинамики необратимых процессов. Это новое направление науки, непосредственно вытекающее из второго начала термодинамики, получило дальнейшее развитие в работах Пригожина, Де Гроота, Мазура, Гленсдорфа, Николиса, Хаазе и применение для решения многих исследовательских и практических задач в различных областях науки и техники, в том числе в работах Цимерманиса, Штакельберга и Гаркави, которыми была создана термодинамика структурообразования дисперсных систем.

Будучи в своей основе феноменологической наукой, термодинамика всегда опиралась на опытные данные. Сейчас в нашем распоряжении имеются следующие данные астрофизических исследований.

Видимая часть Вселенной состоит из миллиардов галактик, содержащих миллиарды звезд. Обнаружены также и невидимые галактики. В центрах видимых галактик находятся сверхмассивные невидимые объекты, называемые черными дырами. Только от 1 до 5 % массы всей материи Вселенной составляет известная нам материя, а остальную часть – неизвестная нам темная материя. Реликтовое излучение свидетельствует о том, что наша Вселенная могла родиться в результате Большого взрыва. Во Вселенной непрерывно происходят процессы угасания звезд, столкновения различных объектов со взрывом и выбросом раскаленных газов, образование новых звезд и других пространственных структур (нейтронных звезд, белых и цветных карликов, квазаров, черных дыр и др.), т. е. идет непрерывное многоступенчатое структурообразование, приводящее к появлению новых пространственных структур. Наша Вселенная расширяется, и это расширение идет с возрастающей скоростью, о чем свидетельствует увеличивающаяся скорость "разбегания" галактик.

Приведенные опытные данные комплексному термодинамическому анализу еще не подвергались. С учетом приведенного высказывания Эдингтона такая попытка представляется вполне уместной и даже запоздалой. Но перед тем, как к ней приступить, необходимо последовательно рассмотреть, как развивались наши представления о самом втором начале термодинамики после того, как его открыл Карно и сформулировал Клаузиус. Затем необходимо проанализировать, какой термодинамической системой является наша Вселенная, как во Вселенной возникают пространственные структуры, из чего родилась наша Вселенная, почему и как она расширяется.

В результате такого рассмотрения перед нами должна предстать Вселенная, совместимая с термодинамикой.

Об авторе

Хабилитированный доктор инженерных наук, доктор технических наук, профессор. Родился в 1937 г. в Риге. Окончил Московский инженерно-строительный институт им. В.В.Куйбышева (Москва) в 1959 г. Научную деятельность начал в Челябинске. С 1979 г. ведет исследовательскую работу в Риге. Автор 232 научных работ и 163 изобретений. Основные научные работы посвящены термодинамике сорбции, структурообразования, массопереноса. В последнее время большое внимание уделяет вопросам термодинамики открытых систем, к которым относит и нашу Вселенную.