הצגת המקור של הדף "מות החום של היקום"

'''מות החום של היקום''' הוא [[תאוריה|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]].

== אינטואיציה ==
מוות-החום אליו צופים שהיקום יגיע הוא 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]]): דוגמה לכך היא בלון ([[מערכת פיזיקלית|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 לדוגמה 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]]). דוגמה 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 ל[[אנרגיה 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 הן:
#'''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 היא הכללה שביצע הפיזיקאי [[רודולף קלאוזיוס]].{{הערה|{{קישור כללי|כתובת=http://web.mit.edu/keenansymposium/|כותרת=Meeting the Entropy Challenge|אתר=web.mit.edu|תאריך_וידוא=2020-08-01}}}}

שילוב שתי ההנחות הללו, שקול לחוק השני של התרמודינמיקה, עבור היקום כולו. לכן, נובעת המסקנה כי האנטרופיה תמשיך לגדול עד שתגיע לערכה המרבי, וכאשר תגיע לערכה המרבי (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){{הערה|{{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}}}}. נשים לב כי הרעיון של [[חץ הזמן]] מבוסס על עיקרון 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). דוגמה פשוטה המבהירה את העיקרון 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 דוגמה 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, יגיע למצב של מוות-חום. לכן, ניתן להסיק שזמן החיים של היקום 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]] הוא 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=אנגלית|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 הוא בסדר גודל של <math>10^{16}</math> שנים.
* זמן דעיכת [[חורים שחורים|חורים-שחורים]] מסיביים, עקב תהליכים כגון [[קרינת הוקינג]], הוא בסדר-גודל של <math>10^{100}</math> שנים.
* הזמן שיחלוף עד הגעת היקום למצב של מוות-חום הוא 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 התאורטי תחת הרעיון של הגעת היקום למצב של מוות-החום.

=== טענות החולקות על הנחה 1: האם אכן היקום הוא 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 הוא 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 היא "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 טיסה]] (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 (זהו דיון 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 היקום 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>. מהעיקרון שהוא מבקש לסתור, בשילוב עקרון אוניברסליות האנטרופיה, נובע כי כל יצירת מסה מקרינה תצטרך לבוא על חשבון הפיכת כמות גדולה יותר - של מסה אחרת - לקרינה.

== ראו גם ==
* [[גורל היקום]]
* [[החוק השני של התרמודינמיקה]]
* [[העתיד הרחוק]]
* [[הקיפאון הגדול]]

== קישורים חיצוניים ==
* [[יואב בן דב (פילוסוף מדע)|יואב בן דב]], [http://www.snunit.k12.il/heb_journals/galileo/009014.html מות החום ולידת החיים], באתר סנונית; פורסם ב"גלילאו", גיליון 8, 1995
* Thomson, William. (1851). [http://zapatopi.net/kelvin/papers/on_the_dynamical_theory_of_heat.html On the Dynamical Theory of Heat]
* 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
==הערות שוליים==
{{הערות שוליים}}

[[קטגוריה:ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה]]
[[קטגוריה:תרמודינמיקה]]
[[קטגוריה:חום (פיזיקה)]]
[[קטגוריה:אסכטולוגיה]]
[[קטגוריה:היקום]]