מות החום של היקום – הבדלי גרסאות

תוכן שנמחק תוכן שנוסף

בשורה

גרסה מ־00:08, 2 באוגוסט 2020

מות החום של היקום הוא רעיון תאורטי העוסק בגורל היקום, לפיו היקום יגיע לסיומו במצב בו הוא יהיה קרוב לשיווי-משקל תרמודינמי. כלומר, כאשר רמת האנרגיה החופשית תגיע לרמה מספיק נמוכה, כך שלא יתאפשר יישום תהליכים ספונטניים או תהליכים צורכי אנרגיה. כמובן, גם חיים לא ייתכנו במצב כזה. תיאוריה זו מתבססת על תרמודינמיקה.

רעיון זה תואר לראשונה בעבודתו של ויליאם תומסון, בשנות ה-50 של המאה ה-19^[1]. בנוסף, רעיון זה הוא הנושא המרכזי בסיפורו הקצר של אייזק אסימוב, השאלה האחרונה.

אינטואיציה

מוות-החום אליו צופים שהיקום יגיע ההינו למעשה שיווי-משקל תרמודינמי. זה שקול למינימום של האנרגיה החופשית, או המקסימום של האנטרופיה (מתוך החוק השני של התרמודינמיקה – עקרון גידול האנטרופיה).

בחינה של מערכות פשוטות

על-מנת להבין את התהליך שעל-פי מודל זה צפוי לעבור היקום, נבחן מערכות מקרוסקופיות שונות במצב של מוות-חום:

מערכת של גזים שאינם זהים (נבדלים ביניהם בלפחות מאפיין אחד, כגון סוג הגז, טמפרטורה, לחץ ופוטנציאל כימי. יש להדגיש כי לא מתקיימים תנאי הפרדוקס של גיבס): דוגמא לכך היא בלון (מערכת מבודדת) מחוץ לשדה כבידה, ובתוכו נמצאים שני גזים, המופרדים על-ידי מחיצה האטומה למעבר של אנרגיה (חום) ושל חומר (חלקיקים או מולקולות, לצורך העניין). במצב הנתון, כל אחד מבין שני הגזים במכל נמצא בשיווי-משקל בפני עצמו, במערכת המבודדת (קצותיה הם המחיצה, והחלק המתאים מהדופן הפנימית של הבלון). מאידך, מייד כאשר נסיר את המחיצה, המערכת הכוללת (הבלון כולו) לא תהיה במצב של שיווי-משקל. לכן, בהסרת המחיצה, הגזים "יתערבבו" ו"יתמזגו", וכך יגיעו למצב שיווי-משקל משותף, זאת כתוצאה משיקולים תרמודינמיים. נוסיף כי ישנן מערכות של נוזלים אשר ניתן להכליל תוצאה זו עבורן (גם במערכות אלו לא נתייחס לכבידה), למשל, תרכיז ומים.
מערכת של חומרים בפאזות שונות: באופן דומה לדוגמא הקודמת, מצב שיווי-המשקל הוא מצב בו החומרים "מעורבבים". מצב זה ינבע ממעברי פאזה של חלק מהחומר (במקרה שהטמפרטורה של החומרים שונה מספיק, כך שאחד החומרים יעבור התכה, הקפאה, המראה וכו'), ותגובות כימיות (כגון יצירת מולקולות או קולואידים). דוגמא לכך היא מערכת של ברזל, מים וחמצן, בה לאחר זמן רב נקבל מעין תמיסה של חלודה. באופן כללי, האנרגיה החופשית של המערכת תקטן, עד שלא יהיה משתלם אנרגטית לבצע תגובות כימיות (ולכן, הן לא יבוצעו). זה שקול לכך שהאנטרופיה של המערכת מרבית. כלומר, זהו מצב שיווי-משקל.
שני גופים (שלא נוגעים זה בזה) בחלל ריק ומבודד: שיווי-המשקל במקרה זה מורכב משני חלקים. ראשית, כל גוף בנפרד יהיה במצב שיווי-משקל פנימי. בנוסף, משיקולי קרינת חום, שני הגופים יגיעו לטמפרטורת שיווי-משקל (אותה ניתן למצוא, למשל, באמצעות חוק סטפן-בוצלמן). דהיינו, במצב שיווי-משקל, גם הטמפרטורה של שני הגופים נקבעת, וגם כל גוף בפני עצמו נמצא במצב שיווי-משקל.

הכללה

באופן כללי, מתוך שלוש הדוגמאות הללו, ניתן להבין מהי המשמעות של מוות-חום: "שיתוק" מוחלט של המערכת עקב הגעתה למצב שיווי-משקל. "שיתוק" משמעו שלא מתקיימות תגובות כימיות במערכת (שכן משיקולים אנרגטיים, כל התגובות המשתלמות אנרגטית כבר התרחשו). כמו כן, הטמפרטורה נמצאת בשיווי-משקל. כך, למעשה, אנו מבינים כי מצב שיווי-משקל שקול לאנרגיה חופשית מינימלית, כלומר, לאנטרופיה מרבית.

ההכללה של תוצאות אלו לכל היקום אמנם קשה תפיסתית, אך באופן עקרוני ניתן לדמיין איך יראה היקום במצב של מוות-חום. נשים לב כי מוות-חום ושיווי-משקל הם שני רעיונות זהים, המבוטאים בדרך שונה – בעוד שיווי-משקל מדבר על הגעה למצב המסתבר ביותר (הגדרה סטטיסטית), מוות-חום מדבר על הגעה למצב שבו אמנם ייתכן וקיימת אנרגיה חופשית במערכת, אך היא קטנה מכדי שיוכלו להתבצע בה תהליכים (הגדרה תרמודינמית).

המודל הפיזיקלי

תומסון הכליל את שני החוקים הראשונים של התרמודינמיקה לכל היקום (נכונות המודל נתונה לוויכוח, ראו בפרק "טענות החולקות על רעיון זה"). הנחות המודל הינן:

היקום הוא מערכת תרמודינמית מבודדת: מערכת תרמודינמית מבודדת היא מערכת שלא יכולה להחליף חומר או חום עם סביבתה (שהיא בפני עצמה מערכת תרמודינמית). למעשה, היקום מוגדר כך שאין לו סביבה (אם הייתה ליקום סביבה איתה הוא היה מקיים אינטראקציה, אזי היא הייתה חלק ממנו). לכן, באופן ריק, היקום הוא מערכת מבודדת.
עקרון גידול האנטרופיה תקף למערכות אינסופיות (בפרט היקום): הנחה זו הינה הכללה שביצע הפיזיקאי רודולף קלאוזיוס.^[2]

שילוב שתי ההנחות הללו, שקול לחוק השני של התרמודינמיקה, עבור היקום כולו. לכן, נובעת המסקנה כי האנטרופיה תמשיך לגדול עד שתגיע לערכה המירבי, וכאשר תגיע לערכה המירבי (למצב שיווי-המשקל, או ליתר דיוק – לכל מצבי שיווי-המשקל, לפי הנחת הארגודיות, שכן קיים ניוון של המצבים הללו), נקבל את מוות-החום המדובר. רעיון זה מתואר באופן מפורט בין היתר בעבודתו של צ'ארלס ליינווייבר (Charles H. Lineweaver)^[3]. נשים לב כי הרעיון של חץ הזמן מבוסס על עקרון זהה, ומוביל אותנו למסקנה זהה.

נבהיר כי מוות-חום אינו מצריך הגעה לטמפרטורה מסוימת, אלא רק הגעה למצב שיווי-משקל תרמודינמי, או מצב שמספיק קרוב אליו (מצב בו הפרשי הטמפרטורה, או הבדלים אחרים באנרגיה, קטנים מכדי שתהיה האפשרות לבצע עבודה). דוגמא פשוטה המבהירה את העקרון הזה היא תה בתרמוס (המשמש כמבודד של התה) – גם תה חם וגם תה קר נמצאים בו בשיווי-משקל. כלומר, המשקה נמצא בו במצב שיווי-משקל, ללא קשר לטמפרטורה שלו. נכליל דוגמא זאת לכל מערכת מבודדת, ובכך גם ליקום (תחת הנחה 1).

הזמן המשוער שייקח ליקום להגיע למצב של מוות-חום

בהינתן מודל זה, היקום, בעוד פרק זמן סופי (אל דאגה, זהו פרק זמן גדול מאוד), יגיע למצב של מוות-חום. לכן, ניתן להסיק שזמן החיים של היקום הינו סופי. כלומר, לא רק שהזמן שנותר ליקום עד שיגיע למצב של מוות-חום הוא סופי, אלא גם שפרק הזמן שעבר מראשית היקום (בתצורתו המוכרת) ועד עכשיו – גם הוא סופי.

על-מנת לקבל פרופורציה באשר לפרקי הזמן שלוקח למערכות להגיע לשיווי-משקל באופן טבעי, נבחן כמה דוגמאות:

על-מנת להסיר מיקרומטר של גלוון (חם), נדרשת שנה שלמה של בלאי טבעי.
זמן מחצית-חיים של פלוטוניום-238 הינו כ-87.7 שנים.
הזמן שלוקח לבקבוק פלסטיק להתפרק (בהטמנה) הוא כ-450 שנים.^[4]
במצרים התגלו שרידי עצמות בקברים מלפני כ-5,200 שנים.^[5]

נשים לב כי אלו הן מערכות זניחות מאוד ביחס ליקום. לכן, גם פרקי-הזמן המתוארים הם זניחים ביחס לפרק הזמן שנדרש ליקום להגיע למוות-חום. לפי הערכות שונות, ביקום יש כ- $10^{22}-10^{24}$ כוכבים (מספר זה, לשם אינטואיציה, דומה בסדר-הגודל למספר אבוגדרו). חישובים שונים שנעשו נותנים סדרי גודל עבור הזמן שלוקח למערכות בסדר-גודל גלקטי להגיע למצב של מוות-חום (נתונים נוספים מרוכזים בעמוד הבא ובספר הבא^[6]):

זמן דעיכת מערכות השמש הינו בסדר גודל של $10^{16}$ שנים.
זמן דעיכת חורים-שחורים מסיביים, עקב תהליכים כגון קרינת הוקינג, הינו בסדר-גודל של $10^{100}$ שנים.
הזמן שיחלוף עד הגעת היקום למצב של מוות-חום הינו בסדר-גודל של $10^{1000}$ שנים ועד $10^{10^{120}}$ שנים.

טענות החולקות על רעיון זה

ישנן טענות המתעמתות עם הנחות המודל הפיזיקלי שצוינו לעיל. אין מחלוקת באשר לכך שמן ההנחות הללו נובעת התחזית של מוות-החום של היקום, אלא יש מחלוקת עם ההנחות עצמן. כלומר, במידה והטענות המנוגדות להנחות הללו הן נכונות, הן שומטות את הבסיס התיאורטי תחת הרעיון של הגעת היקום למצב של מוות-החום.

טענות החולקות על הנחה 1: האם אכן היקום הינו מערכת מבודדת?

יש הטוענים כי היקום אינו מערכת מבודדת. לטענה זו שני מישורים:

ההכללה של המערכת מבודדת לאינסוף שנויה במחלוקת – יש הסבורים כי ההגדרות המוכרות לא תקפות בגבול לאינסוף. לדעת רבים, דיון זה הוא בעיקרו פילוסופי.^[7]
יש הטוענים כי היקום הינו מערכת פתוחה, אשר בפרט אינה מבודדת. טענה זו מתבססת בין היתר על תורת הכאוס.^[8]

טענות החולקות על הנחה 2: האם אכן מתקיים ביקום עקרון גידול האנטרופיה?

יש הטוענים כי לא מתקיים עקרון גידול האנטרופיה ביקום. גם לטענה זו שני מישורים:

פיזיקאים רבים חלקו על הנחה זו באופן עקרוני, עקב כך שהיא מבוססת על התייחסות לאנטרופיה של היקום, על אף שלטענתם היא אינה מוגדרת באופן מדויק, ולכן להכללות שמבצעים עבור היקום הקשורות לאנטרופיה הכוללת שלו, אין משמעות. ביניהן, הכללת עקרון גידול האנטרופיה – עליה מתבסס הרעיון של מוות-החום של היקום. הבולט מבין הפיזיקאים שנקטו בגישה זו הוא מקס פלאנק^[9]. אריה בן-נאים טוען כי הכללה זו הינה "הכללת-יתר".^[10] הפיזיקאי ההונגרי לסלו טיזה (László Tisza) תקף טענה זו מזווית אחרת, באומרו כי עקב כך שהיקום לא נמצא בשיווי-משקל, לא ניתן לייחס לו אנטרופיה. דעה זו היא חלק מדיון מקיף יותר, על אנטרופיה מחוץ לשיווי-משקל (דיון זה הינו בתחום תרמודינמיקה מחוץ לשיווי-משקל).^[11]
בשנת 2011 פרסם הפיזיקאי ג. פ. פטין מאמר המתאר מודל אפשרי של המרת קרינה (חלקיקים קוסמיים) למסה. מודל זה משלים את המודל הידוע של המרת מסה לקרינה, וסותר, לשיטתו, את עקרון גידול האנטרופיה עבור יקום כולו.^[12]

ראו גם

קישורים חיצוניים

יואב בן דב, מות החום ולידת החיים, באתר סנונית; פורסם ב"גלילאו", גיליון 8, 1995
Thomson, William. (1851). On the Dynamical Theory of Heat
Thomson, William (1852). On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy
Heat death of the universe, Physlink

^ Lord Kelvin | On the Age of the Sun’s Heat, zapatopi.net
^ Meeting the Entropy Challenge, web.mit.edu
^
שגיאות פרמטריות בתבנית:צ-ספר
פרמטרים [ קישור לפרק הרלוונטי בספר (גישה חופשית) ] לא מופיעים בהגדרת התבנית Dewar, R.C., Lineweaver, C.H., Niven, R.K., Regenauer-Lieb, K., Chapter 22: The Entropy of the Universe and the Maximum Entropy Production Principle, Beyond the Second Law: Entropy Production and Non-equilibrium Systems, 2014, ISBN 978-3-642-40154-1. (באנגלית)
^ Full Bio Follow Linkedin Follow Twitter Rick LeBlanc wrote about sustainability, supply chain topics for The Balance Small Business He has been covering the pallet, packaging industries for 25 years Read The Balance's editorial policies Rick LeBlanc, How Long Will It Take That Bag of Trash to Decompose in a Landfill?, The Balance Small Business (באנגלית)
^ 83 ancient graves discovered in Egypt's Daqahliya Governorate, Egypt Independent, ‏2020-02-13 (באנגלית אמריקאית)
^ Adams, Fred, 1961-, The five ages of the universe : inside the physics of eternity, First Touchstone edition 2000, New York, ISBN 0-684-86576-9
^ Is our universe an isolated system?, ResearchGate (באנגלית)
^ The Universe is an Open System, theoryoforder.com
^ Max Planck, Alexander Ogg, Treatise on thermodynamics, London : Longmans, Green, 1903
^ Aryieh Ben-Naim, Can entropy be defined for and the Second Law applied to the entire universe?
^ László Tisza, Generalized Thermodynamics, MIT Press, 1966, עמ' 41, ISBN 978-0-262-20010-3
^ G. P. Petin, The Compton effect on ultrare ativistic particles and heat death of the Universe, Russian Physics Journal, 2011

[1] Lord Kelvin | On the Age of the Sun’s Heat, zapatopi.net

[2] Meeting the Entropy Challenge, web.mit.edu

[3] 
שגיאות פרמטריות בתבנית:צ-ספר
פרמטרים [ קישור לפרק הרלוונטי בספר (גישה חופשית) ] לא מופיעים בהגדרת התבנית Dewar, R.C., Lineweaver, C.H., Niven, R.K., Regenauer-Lieb, K., Chapter 22: The Entropy of the Universe and the Maximum Entropy Production Principle, Beyond the Second Law: Entropy Production and Non-equilibrium Systems, 2014, ISBN 978-3-642-40154-1. (באנגלית)

[4] Full Bio Follow Linkedin Follow Twitter Rick LeBlanc wrote about sustainability, supply chain topics for The Balance Small Business He has been covering the pallet, packaging industries for 25 years Read The Balance's editorial policies Rick LeBlanc, How Long Will It Take That Bag of Trash to Decompose in a Landfill?, The Balance Small Business (באנגלית)

[5] 83 ancient graves discovered in Egypt's Daqahliya Governorate, Egypt Independent, ‏2020-02-13 (באנגלית אמריקאית)

[6] Adams, Fred, 1961-, The five ages of the universe : inside the physics of eternity, First Touchstone edition 2000, New York, ISBN 0-684-86576-9

[7] Is our universe an isolated system?, ResearchGate (באנגלית)

[8] The Universe is an Open System, theoryoforder.com

[9] Max Planck, Alexander Ogg, Treatise on thermodynamics, London : Longmans, Green, 1903

[10] Aryieh Ben-Naim, Can entropy be defined for and the Second Law applied to the entire universe?

[11] László Tisza, Generalized Thermodynamics, MIT Press, 1966, עמ' 41, ISBN 978-0-262-20010-3

[12] G. P. Petin, The Compton effect on ultrare ativistic particles and heat death of the Universe, Russian Physics Journal, 2011

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

@@ שורה 1: / שורה 1: @@
-'''מות החום של היקום''' הוא רעיון תאורטי על פיו ה[[יקום]] יגיע לסיומו במצב בו רמת [[אנרגיה חופשית|האנרגיה החופשית]] תגיע לרמה שלא תאפשר יישום תהליכים צורכי אנרגיה.
+'''מות החום של היקום''' הוא רעיון תאורטי העוסק ב[[גורל היקום]], לפיו היקום יגיע לסיומו במצב בו הוא יהיה קרוב ל[[שיווי משקל תרמודינמי|שיווי-משקל תרמודינמי]]. כלומר, כאשר רמת [[האנרגיה החופשית של הלמהולץ|האנרגיה החופשית]] תגיע לרמה מספיק נמוכה, כך שלא יתאפשר יישום [[תהליך ספונטני|תהליכים ספונטניים]] או תהליכים צורכי [[אנרגיה]]. כמובן, גם חיים לא ייתכנו במצב כזה. תיאוריה זו מתבססת על [[תרמודינמיקה]].
+רעיון זה תואר לראשונה בעבודתו של [[ויליאם תומסון]], בשנות ה-50 של המאה ה-19<ref>{{קישור כללי|כתובת=https://zapatopi.net/kelvin/papers/on_the_age_of_the_suns_heat.html#fn1|כותרת=Lord Kelvin {{!}} On the Age of the Sun’s Heat|אתר=zapatopi.net|תאריך_וידוא=2020-08-01}}</ref>. בנוסף, רעיון זה הוא הנושא המרכזי בסיפורו הקצר של [[אייזק אסימוב]], [[השאלה האחרונה]].
-מות חום אינו מצריך הגעה ל[[טמפרטורה]] מסוימת, אלא למצב בו הפרשי הטמפרטורה או הבדלים אחרים באנרגיה קטנים מכדי לבצע [[עבודה (פיזיקה)|"עבודה"]]. זהו תהליך בו היקום מגיע לשוויון [[תרמודינמיקה|תרמודינמי]], כלומר ל[[אנטרופיה]] מקסימלית.
+== אינטואיציה ==
-הרעיון של מוות חום תואר לראשונה בעבודתו של [[ויליאם תומסון]], אשר בשנות ה-1850 השתמש בשני החוקים הראשונים של התרמודינמיקה והרחיב אותם למצב קיצון לגבי כל היקום. רעיון זה הוא גם הנושא המרכזי בסיפורו הקצר של [[אייזק אסימוב]], [[השאלה האחרונה]].
+מוות-החום אליו צופים שהיקום יגיע ההינו למעשה שיווי-משקל תרמודינמי. זה שקול למינימום של האנרגיה החופשית, או המקסימום של ה[[אנטרופיה]] (מתוך [[החוק השני של התרמודינמיקה]] – עקרון גידול האנטרופיה).
+=== בחינה של מערכות פשוטות ===
+על-מנת להבין את התהליך שעל-פי מודל זה צפוי לעבור היקום, נבחן מערכות מקרוסקופיות שונות במצב של מוות-חום:
+#'''מערכת של [[גז|גזים]] שאינם זהים''' (נבדלים ביניהם בלפחות מאפיין אחד, כגון סוג הגז, [[טמפרטורה]], [[לחץ]] ו[[פוטנציאל כימי]]. יש להדגיש כי לא מתקיימים תנאי [[פרדוקס גיבס|הפרדוקס של גיבס]]): דוגמא לכך היא בלון (מערכת מבודדת) מחוץ ל[[שדה כבידה]], ובתוכו נמצאים שני גזים, המופרדים על-ידי מחיצה האטומה למעבר של אנרגיה ([[חום (פיזיקה)|חום]]) ושל חומר ([[חלקיק|חלקיקים]] או [[מולקולה|מולקולות]], לצורך העניין). במצב הנתון, כל אחד מבין שני הגזים במכל נמצא בשיווי-משקל בפני עצמו, במערכת המבודדת (קצותיה הם המחיצה, והחלק המתאים מהדופן הפנימית של הבלון). מאידך, מייד כאשר נסיר את המחיצה, המערכת הכוללת (הבלון כולו) לא תהיה במצב של שיווי-משקל. לכן, בהסרת המחיצה, הגזים "יתערבבו" ו"יתמזגו", וכך יגיעו למצב שיווי-משקל משותף, זאת כתוצאה משיקולים תרמודינמיים. נוסיף כי ישנן מערכות של [[נוזל|נוזלים]] אשר ניתן להכליל תוצאה זו עבורן (גם במערכות אלו לא נתייחס לכבידה), למשל, תרכיז ומים.
+#'''מערכת של חומרים בפאזות שונות''': באופן דומה לדוגמא הקודמת, מצב שיווי-המשקל הוא מצב בו החומרים "מעורבבים". מצב זה ינבע מ[[מעבר פאזה|מעברי פאזה]] של חלק מהחומר (במקרה שהטמפרטורה של החומרים שונה מספיק, כך שאחד החומרים יעבור [[התכה]], [[הקפאה]], [[המראה (פיזיקה)|המראה]] וכו'), ו[[תגובה כימית|תגובות כימיות]] (כגון יצירת מולקולות או [[קולואיד|קולואידים]]). דוגמא לכך היא מערכת של ברזל, מים וחמצן, בה לאחר זמן רב נקבל מעין תמיסה של [[חלודה]]. באופן כללי, האנרגיה החופשית של המערכת תקטן, עד שלא יהיה משתלם אנרגטית לבצע תגובות כימיות (ולכן, הן לא יבוצעו). זה שקול לכך שהאנטרופיה של המערכת מרבית. כלומר, זהו מצב שיווי-משקל.
+#'''שני גופים''' (שלא נוגעים זה בזה) '''בחלל [[ריק]] ומבודד''': שיווי-המשקל במקרה זה מורכב משני חלקים. ראשית, כל גוף בנפרד יהיה במצב שיווי-משקל פנימי. בנוסף, משיקולי [[קרינת חום]], שני הגופים יגיעו לטמפרטורת שיווי-משקל (אותה ניתן למצוא, למשל, באמצעות [[חוק סטפן-בולצמן|חוק סטפן-בוצלמן]]). דהיינו, במצב שיווי-משקל, גם הטמפרטורה של שני הגופים נקבעת, וגם כל גוף בפני עצמו נמצא במצב שיווי-משקל.
+=== הכללה ===
+באופן כללי, מתוך שלוש הדוגמאות הללו, ניתן להבין מהי המשמעות של מוות-חום: "שיתוק" מוחלט של המערכת עקב הגעתה למצב שיווי-משקל. "שיתוק" משמעו שלא מתקיימות תגובות כימיות במערכת (שכן משיקולים אנרגטיים, כל התגובות המשתלמות אנרגטית כבר התרחשו). כמו כן, הטמפרטורה נמצאת בשיווי-משקל. כך, למעשה, אנו מבינים כי מצב שיווי-משקל שקול לאנרגיה חופשית מינימלית, כלומר, לאנטרופיה מרבית.
+ההכללה של תוצאות אלו לכל היקום אמנם קשה תפיסתית, אך באופן עקרוני ניתן לדמיין איך יראה היקום במצב של מוות-חום. נשים לב כי מוות-חום ושיווי-משקל הם שני רעיונות זהים, המבוטאים בדרך שונה – בעוד שיווי-משקל מדבר על הגעה למצב המסתבר ביותר (הגדרה סטטיסטית), מוות-חום מדבר על הגעה למצב שבו אמנם ייתכן וקיימת אנרגיה חופשית במערכת, אך היא קטנה מכדי שיוכלו להתבצע בה תהליכים (הגדרה תרמודינמית).
+== המודל הפיזיקלי ==
+תומסון הכליל את שני החוקים הראשונים של התרמודינמיקה לכל היקום (נכונות המודל נתונה לוויכוח, ראו בפרק "טענות החולקות על רעיון זה"). הנחות המודל הינן:
+#'''היקום הוא מערכת תרמודינמית מבודדת''': מערכת תרמודינמית מבודדת היא מערכת שלא יכולה להחליף חומר או חום עם [[סביבה (מערכות)|סביבתה]] (שהיא בפני עצמה מערכת תרמודינמית). למעשה, היקום מוגדר כך שאין לו סביבה (אם הייתה ליקום סביבה איתה הוא היה מקיים אינטראקציה, אזי היא הייתה חלק ממנו). לכן, [[באופן ריק]], היקום הוא מערכת מבודדת.
+#'''עקרון גידול האנטרופיה תקף למערכות אינסופיות''' (בפרט היקום): הנחה זו הינה הכללה שביצע הפיזיקאי [[רודולף קלאוזיוס]].<ref>{{קישור כללי|כתובת=http://web.mit.edu/keenansymposium/|כותרת=Meeting the Entropy Challenge|אתר=web.mit.edu|תאריך_וידוא=2020-08-01}}</ref>
+שילוב שתי ההנחות הללו, שקול לחוק השני של התרמודינמיקה, עבור היקום כולו. לכן, נובעת המסקנה כי האנטרופיה תמשיך לגדול עד שתגיע לערכה המירבי, וכאשר תגיע לערכה המירבי (למצב שיווי-המשקל, או ליתר דיוק – לכל מצבי שיווי-המשקל, לפי [[הנחת הארגודיות]], שכן קיים [[ניוון (פיזיקה)|ניוון]] של המצבים הללו), נקבל את מוות-החום המדובר. רעיון זה מתואר באופן מפורט בין היתר בעבודתו של צ'ארלס ליינווייבר (Charles H. Lineweaver)<ref>{{צ-ספר|מחבר=Dewar, R.C., Lineweaver, C.H., Niven, R.K., Regenauer-Lieb, K.|שם=Beyond the Second Law: Entropy Production and Non-equilibrium Systems|מקום הוצאה=|מו"ל=|שנת הוצאה=2014|פרק=Chapter 22: The Entropy of the Universe and the Maximum Entropy Production Principle|ISBN=978-3-642-40154-1|קישור=https://www.springer.com/gp/book/9783642401534|שפה=אנגלית|קישור לפרק הרלוונטי בספר (גישה חופשית)=https://www.mso.anu.edu.au/~charley/papers/Chapter22Lineweaver.pdf}}</ref>. נשים לב כי הרעיון של [[חץ הזמן]] מבוסס על עקרון זהה, ומוביל אותנו למסקנה זהה.
+נבהיר כי מוות-חום אינו מצריך הגעה לטמפרטורה מסוימת, אלא רק הגעה למצב שיווי-משקל תרמודינמי, או מצב שמספיק קרוב אליו (מצב בו הפרשי הטמפרטורה, או הבדלים אחרים באנרגיה, קטנים מכדי שתהיה האפשרות לבצע עבודה). דוגמא פשוטה המבהירה את העקרון הזה היא תה בתרמוס (המשמש כמבודד של התה) – גם תה חם וגם תה קר נמצאים בו בשיווי-משקל. כלומר, המשקה נמצא בו במצב שיווי-משקל, ללא קשר לטמפרטורה שלו. נכליל דוגמא זאת לכל מערכת מבודדת, ובכך גם ליקום (תחת הנחה 1).
+== הזמן המשוער שייקח ליקום להגיע למצב של מוות-חום ==
+בהינתן מודל זה, היקום, בעוד פרק זמן סופי (אל דאגה, זהו פרק זמן גדול מאוד), יגיע למצב של מוות-חום. לכן, ניתן להסיק שזמן החיים של היקום הינו סופי. כלומר, לא רק שהזמן שנותר ליקום עד שיגיע למצב של מוות-חום הוא סופי, אלא גם שפרק הזמן שעבר מראשית היקום (בתצורתו המוכרת) ועד עכשיו – גם הוא סופי.
+על-מנת לקבל פרופורציה באשר לפרקי הזמן שלוקח למערכות להגיע לשיווי-משקל באופן טבעי, נבחן כמה דוגמאות:
+* על-מנת להסיר מיקרומטר של [[גלוון|גלוון (חם)]], נדרשת שנה שלמה של בלאי טבעי.
+* [[זמן מחצית חיים|זמן מחצית-חיים]] של [[פלוטוניום|פלוטוניום-238]] הינו כ-87.7 שנים.
+* הזמן שלוקח לבקבוק [[פלסטיק]] להתפרק (בהטמנה) הוא כ-450 שנים.<ref>{{קישור כללי|כתובת=https://www.thebalancesmb.com/how-long-does-it-take-garbage-to-decompose-2878033|הכותב=Full Bio Follow Linkedin Follow Twitter Rick LeBlanc wrote about sustainability, supply chain topics for The Balance Small Business He has been covering the pallet, packaging industries for 25 years Read The Balance's editorial policies Rick LeBlanc|כותרת=How Long Will It Take That Bag of Trash to Decompose in a Landfill?|אתר=The Balance Small Business|שפה=en|תאריך_וידוא=2020-08-01}}</ref>
+* במצרים התגלו שרידי עצמות בקברים מלפני כ-5,200 שנים.<ref>{{קישור כללי|כתובת=https://egyptindependent.com/83-ancient-graves-discovered-in-egypts-daqahliya-governorate/|כותרת=83 ancient graves discovered in Egypt's Daqahliya Governorate|אתר=Egypt Independent|תאריך=2020-02-13|שפה=en-US|תאריך_וידוא=2020-08-01}}</ref>
+נשים לב כי אלו הן מערכות זניחות מאוד ביחס ליקום. לכן, גם פרקי-הזמן המתוארים הם זניחים ביחס לפרק הזמן שנדרש ליקום להגיע למוות-חום. לפי הערכות שונות, ביקום יש כ-<math>10^{22}-10^{24}</math> כוכבים (מספר זה, לשם אינטואיציה, דומה בסדר-הגודל ל[[מספר אבוגדרו]]). חישובים שונים שנעשו נותנים סדרי גודל עבור הזמן שלוקח למערכות בסדר-גודל גלקטי להגיע למצב של מוות-חום (נתונים נוספים מרוכזים בעמוד [[העתיד הרחוק|הבא]] ובספר הבא<ref>{{צ-ספר|שם=The five ages of the universe : inside the physics of eternity|קישור=https://www.worldcat.org/oclc/44402328|מקום הוצאה=New York|ISBN=0-684-86576-9|oclc=44402328|מהדורה=First Touchstone edition 2000|מחבר=Adams, Fred, 1961-}}</ref>):
+* זמן דעיכת מערכות השמש הינו בסדר גודל של <math>10^{16}</math> שנים.
+* זמן דעיכת [[חורים שחורים|חורים-שחורים]] מסיביים, עקב תהליכים כגון [[קרינת הוקינג]], הינו בסדר-גודל של <math>10^{100}</math> שנים.
+* הזמן שיחלוף עד הגעת היקום למצב של מוות-חום הינו בסדר-גודל של <math>10^{1000}</math> שנים ועד <math>10^{10^{120}}</math> שנים.
+== טענות החולקות על רעיון זה ==
+ישנן טענות המתעמתות עם הנחות המודל הפיזיקלי שצוינו לעיל. אין מחלוקת באשר לכך שמן ההנחות הללו נובעת התחזית של מוות-החום של היקום, אלא יש מחלוקת עם ההנחות עצמן. כלומר, במידה והטענות המנוגדות להנחות הללו הן נכונות, הן שומטות את הבסיס התיאורטי תחת הרעיון של הגעת היקום למצב של מוות-החום.
+=== טענות החולקות על הנחה 1: האם אכן היקום הינו מערכת מבודדת? ===
+יש הטוענים כי היקום אינו מערכת מבודדת. לטענה זו שני מישורים:
+# ההכללה של המערכת מבודדת לאינסוף שנויה במחלוקת – יש הסבורים כי ההגדרות המוכרות לא תקפות בגבול לאינסוף. לדעת רבים, דיון זה הוא בעיקרו [[פילוסופיה|פילוסופי]].<ref>{{קישור כללי|כתובת=https://www.researchgate.net/post/Is_our_universe_an_isolated_system|כותרת=Is our universe an isolated system?|אתר=ResearchGate|שפה=en|תאריך_וידוא=2020-08-01}}</ref>
+# יש הטוענים כי היקום הינו מערכת פתוחה, אשר בפרט אינה מבודדת. טענה זו מתבססת בין היתר על [[תורת הכאוס]].<ref>{{קישור כללי|כתובת=http://theoryoforder.com/book-of-order/the-universe-is-an-open-system/|כותרת=The Universe is an Open System|אתר=theoryoforder.com|תאריך_וידוא=2020-08-01}}</ref>
+=== טענות החולקות על הנחה 2: האם אכן מתקיים ביקום עקרון גידול האנטרופיה? ===
+יש הטוענים כי לא מתקיים עקרון גידול האנטרופיה ביקום. גם לטענה זו שני מישורים:
+# פיזיקאים רבים חלקו על הנחה זו באופן עקרוני, עקב כך שהיא מבוססת על התייחסות לאנטרופיה של היקום, על אף שלטענתם היא אינה מוגדרת באופן מדויק, ולכן להכללות שמבצעים עבור היקום הקשורות לאנטרופיה הכוללת שלו, אין משמעות. ביניהן, הכללת עקרון גידול האנטרופיה – עליה מתבסס הרעיון של מוות-החום של היקום. הבולט מבין הפיזיקאים שנקטו בגישה זו הוא [[מקס פלאנק]]<ref>{{צ-ספר|שם=Treatise on thermodynamics|קישור=http://archive.org/details/treatiseonthermo00planrich|מו"ל=London : Longmans, Green|שנת הוצאה=1903|מחבר=Max Planck, Alexander Ogg}}</ref>. [[אריה בן נאים|אריה בן-נאים]] טוען כי הכללה זו הינה "הכללת-יתר".<ref>{{צ-מאמר|מחבר=Aryieh Ben-Naim|שם=Can entropy be defined for and the Second Law applied to the entire universe?|קישור=https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1705/1705.01100.pdf}}</ref> הפיזיקאי ההונגרי [[לסלו טיזה]] (László Tisza) תקף טענה זו מזווית אחרת, באומרו כי עקב כך שהיקום לא נמצא בשיווי-משקל, לא ניתן לייחס לו אנטרופיה. דעה זו היא חלק מדיון מקיף יותר, על אנטרופיה מחוץ לשיווי-משקל (דיון זה הינו בתחום [[תרמודינמיקה מחוץ לשיווי-משקל]]).<ref>{{צ-ספר|מחבר=László Tisza|שם=Generalized Thermodynamics|שנת הוצאה=1966|מקום הוצאה=MIT Press|עמ=41|ISBN=978-0-262-20010-3|קישור=https://mitpress.mit.edu/books/generalized-thermodynamics}}</ref>
+# בשנת 2011 פרסם הפיזיקאי [[ג. פ. פטין]] מאמר המתאר מודל אפשרי של המרת [[קרינה]] ([[קרן קוסמית|חלקיקים קוסמיים]]) ל[[מסה]]. מודל זה משלים את המודל הידוע של המרת מסה לקרינה, וסותר, לשיטתו, את עקרון גידול האנטרופיה עבור יקום כולו.<ref>{{צ-מאמר|מחבר=G. P. Petin|שם=The Compton effect on ultrare ativistic particles and heat death of the Universe|כתב עת=Russian Physics Journal|שנת הוצאה=2011|קישור=https://link.springer.com/article/10.1007/s11182-011-9492-8}}</ref>
 == ראו גם ==
+* [[גורל היקום]]
 * [[החוק השני של התרמודינמיקה]]
+* [[העתיד הרחוק]]
 * [[הקיפאון הגדול]]
-* [[גורל היקום]]
 == קישורים חיצוניים ==
@@ שורה 15: / שורה 68: @@
 * Thomson, William (1852). [http://zapatopi.net/kelvin/papers/on_a_universal_tendency.html On a Universal Tendency in Nature to the Dissipation of Mechanical Energy]
 * [http://www.physlink.com/Education/AskExperts/ae181.cfm Heat death of the universe], Physlink
-{{קצרמר|מדעי החלל}}
 [[קטגוריה:תרמודינמיקה]]