Paradoks śmierci cieplnej
Paradoks śmierci cieplnej , znany również jako paradoks termodynamiczny , paradoks Clausiusa i paradoks Kelvina , jest argumentem reductio ad absurdum , który wykorzystuje termodynamikę do wykazania niemożliwości istnienia nieskończenie starego wszechświata. Został sformułowany w lutym 1862 roku przez Lorda Kelvina i rozwinięty przez Hermanna von Helmholtza i Williama Johna Macquorna Rankine'a .
Paradoks
Zakładając, że wszechświat jest wieczny, nasuwa się pytanie: jak to się dzieje, że równowaga termodynamiczna nie została jeszcze osiągnięta?
Ten teoretyczny paradoks jest skierowany na ówczesny główny nurt wiary w klasyczny pogląd na wieczny wszechświat, zgodnie z którym postuluje się, że jego materia jest wieczna i zawsze była rozpoznawalna jako wszechświat. Paradoks śmierci cieplnej zrodził się z paradygmatu wynikającego z fundamentalnych idei dotyczących kosmosu. Konieczna jest zmiana paradygmatu, aby rozwiązać paradoks.
Paradoks opierał się na sztywnym, mechanicznym punkcie widzenia drugiej zasady termodynamiki postulowanej przez Rudolfa Clausiusa i Lorda Kelvina , zgodnie z którą ciepło może być przenoszone tylko z cieplejszego do zimniejszego obiektu. Zauważa: gdyby wszechświat był wieczny, jak twierdzono klasycznie, powinien już być zimny i izotropowy (jego obiekty powinny mieć tę samą temperaturę, a rozkład materii lub promieniowania powinien być równomierny). Kelvin porównał wszechświat do zegara, który działa coraz wolniej, nieustannie rozpraszając energię w nienamacalnym cieple , chociaż nie był pewien, czy zatrzyma się na zawsze (osiągnie równowagę termodynamiczną ). Zgodnie z tym modelem istnienie energii użytecznej, którą można wykorzystać do wykonania pracy i wytworzenia entropii, oznacza, że zegar się nie zatrzymał - ponieważ nie bierze się pod uwagę zamiany ciepła na energię mechaniczną (którą Kelvin nazwał scenariuszem odmładzającego wszechświata ) .
Zgodnie z prawami termodynamiki, każdy gorący obiekt przenosi ciepło do swojego chłodniejszego otoczenia, aż wszystko osiągnie tę samą temperaturę . W przypadku dwóch obiektów o tej samej temperaturze z jednego ciała przepływa tyle samo ciepła , ile z drugiego, a efekt netto nie zmienia się. Jeśli Wszechświat był nieskończenie stary, gwiazdy musiały mieć wystarczająco dużo czasu, aby ochłodzić i ogrzać swoje otoczenie. Dlatego wszędzie powinna panować taka sama temperatura i albo nie powinno być żadnych gwiazd, albo wszystko powinno być tak gorące jak gwiazdy. Wszechświat powinien zatem osiągnąć lub asymptotycznie dążyć do równowagi termodynamicznej, która odpowiada stanowi, w którym nie termodynamiczna energia swobodna , a zatem dalsza praca nie jest możliwa: jest to śmierć cieplna wszechświata, zgodnie z przewidywaniami Lorda Kelvina w 1852 r. Średnia temperatura kosmosu powinna asymptotycznie dążyć do Kelvina Zero i jest możliwe, że zostanie osiągnięty stan maksymalnej entropii .
Rozwiązanie
W lutym 1862 roku Lord Kelvin wykorzystał istnienie Słońca i gwiazd jako empirycznego dowodu, że wszechświat nie osiągnął równowagi termodynamicznej , ponieważ produkcja entropii i swobodna praca są nadal możliwe, a między obiektami występują różnice temperatur. Wkrótce potem Helmholtz i Rankine rozszerzyli pracę Kelvina. Ponieważ istnieją gwiazdy i zimniejsze obiekty, wszechświat nie jest w równowadze termodynamicznej, więc nie może być nieskończenie stary.
Nowoczesna kosmologia
Paradoks nie pojawia się we współczesnej kosmologii, która zakłada, że Wszechświat rozpoczął się w Wielkim Wybuchu około 13,8 miliarda lat temu – czyli nie wystarczająco dawno, aby Wszechświat zbliżył się do równowagi termodynamicznej.
Powiązane paradoksy
Paradoks Olbersa to kolejny paradoks, który ma na celu obalenie nieskończenie starego, statycznego wszechświata, ale pasuje tylko do statycznego scenariusza wszechświata . Ponadto, w przeciwieństwie do paradoksu Kelvina, opiera się raczej na kosmologii niż na termodynamice. Mózg Boltzmanna może być również powiązany z mózgiem Kelvina, ponieważ koncentruje się na spontanicznym generowaniu mózgu (wypełnionego fałszywymi wspomnieniami) z fluktuacji entropii we wszechświecie, który znajdował się w stanie śmierci cieplnej przez nieokreślony czas.