الموت الحراري للكون

الموت الحراري للكون (المعروف أيضًا باسم البرد القارس أو التجمد العظيم ) ^{[ 1 ] [ 2 ]} هو فرضية علمية تتعلق بالمصير النهائي للكون، تفترض أن الكون سيتطور إلى حالة انعدام الطاقة الحرة الديناميكية الحرارية ، وبوصوله إلى أقصى إنتروبيا ، سيصبح بالتالي غير قادر على دعم أي عمليات ديناميكية حرارية أخرى . لا يشير الموت الحراري إلى درجة حرارة مطلقة محددة ؛ بل يتطلب فقط أن فروق درجات الحرارة أو العمليات الأخرى لن تُستغل بعد ذلك لأداء شغل . بلغة الفيزياء ، هذا هو الوقت الذي يصل فيه الكون إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري .

إذا كان انحناء الكون زائديًا أو مسطحًا ، أو إذا كانت الطاقة المظلمة ثابتًا كونيًا موجبًا ، فسيستمر الكون في التوسع إلى الأبد، ومن المتوقع حدوث موت حراري، ^{[ 3 ]} مع تبريد الكون ليقترب من حالة التوازن عند درجة حرارة منخفضة جدًا بعد فترة زمنية طويلة.

تستند نظرية الموت الحراري إلى أفكار اللورد كلفن الذي، في خمسينيات القرن التاسع عشر، أخذ نظرية الحرارة باعتبارها فقدانًا للطاقة الميكانيكية في الطبيعة (كما هو مُجسّد في القانونين الأولين للديناميكا الحرارية ) وعمّمها على عمليات أوسع نطاقًا على مستوى الكون. وقد مكّن هذا كلفن أيضًا من صياغة مفارقة الموت الحراري ، التي تُفنّد فكرة أن عمر الكون لا نهائي. ^{[ 4 ]}

تنبثق فكرة الموت الحراري من القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، الذي ينص في إحدى صيغه على أن الإنتروبيا تميل إلى الزيادة في نظام معزول . ومن هذا المنطلق، تفترض الفرضية أنه إذا استمر الكون لفترة كافية، فإنه سيقترب تدريجيًا من حالة تتوزع فيها الطاقة بالتساوي. بعبارة أخرى، وفقًا لهذه الفرضية، ثمة ميل في الطبيعة نحو تبديد (تحول الطاقة) الطاقة الميكانيكية (الحركة) إلى طاقة حرارية ؛ وبالتالي، بالاستقراء، يمكن القول إنه بمرور الوقت، ستتضاءل الحركة الميكانيكية للكون مع تحول الشغل إلى حرارة بسبب القانون الثاني.

يبدو أن فرضية أن جميع الأجرام في الكون تبرد تدريجيًا، حتى تصبح في النهاية شديدة البرودة بحيث لا تسمح بوجود الحياة ، قد طُرحت لأول مرة من قِبل الفلكي الفرنسي جان سيلفان بيلي عام 1777 في كتاباته عن تاريخ علم الفلك وفي مراسلاته اللاحقة مع فولتير . ويرى بيلي أن جميع الكواكب تمتلك حرارة داخلية ، وأنها تمر بمرحلة معينة من التبريد. فعلى سبيل المثال، لا يزال كوكب الزهرة شديد الحرارة لدرجة تمنع نشوء الحياة عليه لآلاف السنين، بينما أصبح المريخ شديد البرودة. وتُوصَف الحالة النهائية، وفقًا لهذا الرأي، بأنها حالة "توازن" تتوقف فيها جميع الحركات. ^{[ 5 ]}

إلا أن فكرة الموت الحراري كنتيجة لقوانين الديناميكا الحرارية طُرحت لأول مرة بشكل عام في عام 1851 من قِبل اللورد كلفن (ويليام طومسون)، الذي طوّر نظرياته بناءً على آراء سادي كارنو (1824) وجيمس جول (1843) ورودولف كلاوزيوس (1850) حول فقدان الطاقة الميكانيكية. ثم قام هيرمان فون هيلمهولتز وويليام رانكين بتطوير آراء طومسون خلال العقد التالي . ^{[ 6 ]}

تاريخ

تستمد فكرة الموت الحراري للكون من مناقشة تطبيق القانونين الأولين للديناميكا الحرارية على العمليات الكونية. وعلى وجه التحديد، في عام 1851، أوضح اللورد كلفن هذا الرأي، استنادًا إلى تجارب حديثة على النظرية الديناميكية للحرارة : "الحرارة ليست مادة، بل هي شكل ديناميكي للتأثير الميكانيكي، وندرك أنه لا بد من وجود تكافؤ بين الشغل الميكانيكي والحرارة، كما هو الحال بين السبب والنتيجة." ^{[ 7 ]}

في عام ١٨٥٢، نشر طومسون بحثًا بعنوان "حول ميل الطبيعة العام لتبديد الطاقة الميكانيكية" ، حيث أوضح فيه مبادئ القانون الثاني للديناميكا الحرارية، والذي يُلخص في فكرة أن الحركة الميكانيكية والطاقة المستخدمة في توليدها تميلان بطبيعتهما إلى التبديد أو النضوب. ^{[ ٨ ]} وقد استقطبت الأفكار الواردة في هذا البحث، فيما يتعلق بتطبيقها على عمر الشمس وديناميكيات العمليات الكونية، اهتمام علماء بارزين مثل ويليام رانكين وهيرمان فون هيلمهولتز. ويُقال إن الثلاثة تبادلوا الأفكار حول هذا الموضوع. ^{[ 6 ]} في عام 1862، نشر طومسون مقالًا بعنوان "حول عمر حرارة الشمس"، أكد فيه مجددًا معتقداته الأساسية حول عدم فناء الطاقة ( القانون الأول ) وتبددها الشامل (القانون الثاني)، مما يؤدي إلى انتشار الحرارة، وتوقف الحركة المفيدة ( الشغل )، ونضوب طاقة الوضع ، "المفقودة بلا رجعة" في الكون المادي، مع توضيح رؤيته لعواقب ذلك على الكون ككل. كتب طومسون:

لو كان الكون محدودًا وخاضعًا للقوانين القائمة، لكانت النتيجة حتمًا حالة من السكون والموت الشاملين. لكن من المستحيل تصور حدٍّ لكمية المادة في الكون؛ ولذلك يشير العلم إلى تقدم لا نهائي، عبر فضاء لا نهائي، لحركة تتضمن تحويل الطاقة الكامنة إلى حركة ملموسة ، ومن ثم إلى حرارة ، بدلًا من آلية واحدة محدودة، تتناقص كالساعة، وتتوقف إلى الأبد. ^{[ 4 ]}

يُظهر مثال الساعة كيف كان كلفن غير متأكد مما إذا كان الكون سيصل في نهاية المطاف إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري . تكهن طومسون لاحقًا بأن استعادة الطاقة المبددة في " القوة الحيوية " ومن ثم العمل القابل للاستخدام - وبالتالي عكس اتجاه الساعة، مما ينتج عنه "كون متجدد" - سيتطلب "فعلًا إبداعيًا أو فعلًا يمتلك قوة مماثلة". ^{[ 9 ] [ 10 ]} انطلاقًا من هذا المنشور، قدم كلفن أيضًا مفارقة الموت الحراري (مفارقة كلفن)، التي تحدت المفهوم الكلاسيكي للكون ذي العمر اللانهائي، نظرًا لأن الكون لم يصل إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري، وبالتالي لا يزال من الممكن إنتاج المزيد من العمل والإنتروبيا . يمكن اعتبار وجود النجوم واختلافات درجات الحرارة دليلًا تجريبيًا على أن الكون ليس ذا عمر لانهائي. ^{[ 11 ] [ 4 ]}

في السنوات التي تلت بحثي طومسون عامي 1852 و1862، نسب كل من هيلمهولتز ورانكين الفكرة إلى طومسون، بالإضافة إلى مفارقته، لكنهما فسّرا بحثه بشكل أعمق من خلال نشر آراء تفيد بأن طومسون جادل بأن الكون سينتهي بـ"موت حراري" (هيلمهولتز)، والذي سيكون "نهاية جميع الظواهر الفيزيائية" (رانكين). ^{[ 6 ] [ 12 ]}

تعتمد المقترحات المتعلقة بالحالة النهائية للكون على الافتراضات المُسبقة حول مصيره النهائي، وقد تباينت هذه الافتراضات بشكل كبير خلال أواخر القرن العشرين وأوائل القرن الحادي والعشرين. في كونٍ نظري "مفتوح" أو "مسطح" يستمر في التوسع إلى ما لا نهاية، يُتوقع حدوث إما موت حراري أو تمزق عظيم في نهاية المطاف. ^{[ 3 ] [ 13 ]} إذا كان الثابت الكوني يساوي صفرًا، فسيقترب الكون من درجة حرارة الصفر المطلق على مدى زمني طويل جدًا . أما إذا كان الثابت الكوني موجبًا ، فستقترب درجة الحرارة من قيمة موجبة غير صفرية، وسيقترب الكون من حالة أقصى إنتروبيا حيث لا يمكن القيام بأي عمل إضافي. ^{[ 14 ]}

الموت الحراري الديناميكي الحراري هو مفهوم من مفاهيم الفيزياء الكلاسيكية، ولكنه امتد ليشمل فيزياء الكم. حتى عندما تصل الإنتروبيا الديناميكية الحرارية إلى أقصى حد لها، تستمر كميات أخرى مثل تعقيد الدوائر الكمومية في الازدياد، لتصل في النهاية إلى قيمة قصوى أيضًا. ^{[ 15 ]}

تشير النظرية إلى أنه منذ الانفجار العظيم وحتى يومنا هذا، يُعتقد أن المادة والمادة المظلمة في الكون قد تركزت في النجوم والمجرات وتجمعات المجرات ، ويُفترض أن يستمر هذا الوضع لفترة طويلة في المستقبل. لذلك، فإن الكون ليس في حالة توازن ديناميكي حراري ، ويمكن للأجسام أن تبذل شغلاً فيزيائياً. ^{[ 16 ] : §VID} يبلغ زمن اضمحلال ثقب أسود فائق الكتلة ، تبلغ كتلته تقريبًا كتلة مجرة ​​واحدة (10^ ¹¹ كتلة شمسية )، بسبب إشعاع هوكينغ حوالي 10 ^{^100} سنة، ^{[ 17 ]} لذا يمكن إنتاج الإنتروبيا حتى ذلك الوقت على الأقل. من المتوقع أن تستمر بعض الثقوب السوداء الكبيرة في الكون في النمو لتصل كتلتها إلى 10 ^{^14} كتلة _شمسية أثناء انهيار تجمعات المجرات العملاقة. حتى هذه الثقوب ستتبخر خلال فترة زمنية تصل إلى 10^ ¹⁰⁶ سنة. ^{[ 18 ]} بعد ذلك الوقت، يدخل الكون ما يُسمى بالعصر المظلم ، ومن المتوقع أن يتكون بشكل رئيسي من غاز مخفف من الفوتونات واللبتونات . ^{[ 16 ] : §VIA} مع بقاء مادة شديدة الانتشار فقط، سيتراجع النشاط في الكون بشكل كبير، مع مستويات طاقة منخفضة للغاية وفترات زمنية طويلة للغاية. من الممكن، على سبيل التكهن، أن يدخل الكون حقبة تضخمية ثانية، أو بافتراض أن حالة الفراغ الحالية هي فراغ زائف ، فقد يتحلل الفراغ إلى حالة طاقة أقل . ^{[ 16 ] : §VE} من الممكن أيضًا أن يتوقف إنتاج الإنتروبيا ويصل الكون إلى الموت الحراري. ^{[ 16 ] : §VID}  

لقد طُرحت فرضية مفادها أنه على مدى فترات زمنية طويلة، قد يحدث انخفاض تلقائي في الإنتروبيا عبر نظرية بوانكاريه للتكرار ، ^{[ 19 ]} والتقلبات الحرارية ، ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]} ونظرية التقلبات . ^{[ 23 ] [ 24 ]} ومن خلال ذلك، قد يُنشئ انفجار عظيم آخر كونًا جديدًا مشابهًا للكون الحالي عن طريق التقلبات الكمومية والنفق الكمومي في فترة زمنية تقريبية${\displaystyle 10^{10^{10^{56}}}}$سنوات. ^{[ 25 ]}

كتب ماكس بلانك أن عبارة "إنتروبيا الكون" لا معنى لها لأنها لا تقبل تعريفًا دقيقًا. ^{[ 26 ] [ 27 ]} وفي عام 2008، كتب والتر غراندي: "من المبالغة الحديث عن إنتروبيا كون لا نزال نفهم عنه القليل، ونتساءل كيف يمكن تعريف الإنتروبيا الديناميكية الحرارية لكون ومكوناته الرئيسية التي لم تكن في حالة توازن طوال وجودها." ^{[ 28 ]} ووفقًا للازلو تيزا ، "إذا لم يكن النظام المعزول في حالة توازن، فلا يمكننا ربط الإنتروبيا به." ^{[ 29 ]} ويكتب هانز أدولف بوخدال عن "الافتراض غير المبرر على الإطلاق بأن الكون يمكن التعامل معه كنظام ديناميكي حراري مغلق." ^{[ 30 ]} ووفقًا لجوفاني غالافوتي ، "لا يوجد مفهوم مقبول عالميًا للإنتروبيا للأنظمة غير المتوازنة، حتى عندما تكون في حالة مستقرة." ^{[ 31 ]} عند مناقشة مسألة الإنتروبيا لحالات عدم التوازن بشكل عام، أعرب إليوت هـ. ليب وجاكوب ينجفاسون عن رأيهما على النحو التالي: "على الرغم من أن معظم الفيزيائيين يؤمنون بوجود إنتروبيا لحالات عدم التوازن، فقد ثبت حتى الآن استحالة تعريفها تعريفًا واضحًا ومرضيًا." ^{[ 32 ]} ويرى بيتر لاندسبيرغ أن: " المفهوم الخاطئ الثالث هو أن الديناميكا الحرارية، وتحديدًا مفهوم الإنتروبيا، يمكن تطبيقها على الكون بأكمله دون مزيد من البحث. ... هذه الأسئلة مثيرة للاهتمام، لكن الإجابات عليها مجرد تكهنات." ^{[ 33 ]}

يشير تحليلٌ أُجري عام ٢٠١٠ حول الإنتروبيا إلى أن "إنتروبيا مجال الجاذبية العام لا تزال غير معروفة"، وأن " قياس إنتروبيا الجاذبية أمرٌ صعب". ويتناول التحليل عدة افتراضات محتملة ضرورية للتقديرات، ويشير إلى أن الكون المرئي يتمتع بإنتروبيا أكبر مما كان يُعتقد سابقًا. ويعود ذلك إلى استنتاج التحليل بأن الثقوب السوداء فائقة الكتلة هي المساهم الأكبر. ^{[ ٣٤ ]} ويضيف لي سمولين : "من المعروف منذ زمن طويل أن الجاذبية مهمة للحفاظ على الكون خارج حالة التوازن الحراري. فالأنظمة المرتبطة جاذبيًا لها حرارة نوعية سالبة ، أي أن سرعات مكوناتها تزداد عند إزالة الطاقة. ... لا يتطور مثل هذا النظام نحو حالة توازن متجانسة، بل يصبح أكثر تنظيمًا وتجانسًا مع انقسامه إلى أنظمة فرعية." ^{[ ٣٥ ]} ويدعم هذا الرأي أيضًا اكتشافٌ تجريبي حديث لحالة مستقرة غير متوازنة في نظام مغلق بسيط نسبيًا. من المتوقع ألا يصل النظام المعزول المُجزأ إلى أنظمة فرعية بالضرورة إلى حالة التوازن الديناميكي الحراري، وأن يبقى في حالة استقرار غير متوازنة. ستنتقل الإنتروبيا من نظام فرعي إلى آخر، لكن إنتاجها سيكون معدومًا، وهو ما لا يتعارض مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية . ^{[ 36 ] [ 37 ]}

أدى اكتشاف مبدأ الموت الحراري للكون إلى إعادة تقييم فلسفية لمكانة الإنسان في الكون. ففي عام 1856، اقترح هيرمان فون هيلمهولتز أن هذا المبدأ يُلزم البشر بإتمام مصير أخلاقي. أما فيليب ماينلاندر ، وهو فيلسوف آخر ارتبط كتابه " فلسفة الخلاص" (Die Philosophie der Erlösung) الصادر عام 1875 بفلسفة وحدة الوجود ، فقد رأى في الموت الحراري المتوقع للكون "مصيراً مختلفاً ومُخلِّصاً للبشرية: نهاية للمعاناة". ^{[ 38 ]}

في قصة إسحاق أسيموف القصيرة " السؤال الأخير" التي نُشرت عام 1956 ، يتساءل البشر عبر العصور مرارًا وتكرارًا كيف يمكن تجنب الموت الحراري للكون.

في قصة " لوغوبوليس " من مسلسل دكتور هو عام 1981 ، يدرك الدكتور أن سكان لوغوبوليس قد أنشأوا فتحات في الكون لطرد الإنتروبيا المتراكمة إلى أكوان أخرى - تُعرف باسم "التفريغ المشحون" أو "CVE" - وذلك لتأخير زوال كوننا. ويسافر الدكتور دون قصد عبر إحدى هذه الفتحات في حلقة " دائرة كاملة ".

في سلسلة الأنمي Puella Magi Madoka Magica لعام 2011 ، يكشف الخصم كيوبي أنه عضو في جنس فضائي كان يقوم بخلق فتيات سحريات لآلاف السنين من أجل حصاد طاقتهن لمحاربة الإنتروبيا وتجنب الموت الحراري للكون.

في الفصل الأخير من لعبة Final Fantasy XIV: Endwalker ، يواجه اللاعب جنسًا فضائيًا يُعرف باسم Ea، فقدوا كل أمل في المستقبل وأي رغبة في الاستمرار في الحياة، كل ذلك لأنهم علموا بالموت الحراري النهائي للكون ويرون كل شيء آخر بلا معنى بسبب حتميته المحتملة.

تتمحور الحبكة الرئيسية لسلسلة Xeelee حول جهود طيور الفوتون لتسريع الموت الحراري للكون من خلال تسريع معدل تحول النجوم إلى أقزام بيضاء.

لعبة الفيديو المستقلة الناجحة لعام 2019، Outer Wilds، تتضمن العديد من المواضيع التي تتناول فكرة الموت الحراري للكون، ونظرية أن الكون عبارة عن دورة من الانفجارات العظيمة بمجرد أن يمر الكون السابق بموت حراري.

"التفرد الأزلي" ^{[ 39 ]} ، الحدث الرئيسي السابع في قصة لعبة الهاتف المحمول "جيرلز فرونت لاين: نيورال كلاود" ، يتناول قطاعًا افتراضيًا مصممًا لمحاكاة استكشاف الفضاء وخطر الموت الحراري للكون. تستخدم المحاكاة نموذجًا مزيفًا لفيروسات نيورال كلاود، المعروفة باسم "الإنتروبيكس"، كبديل لآثار الموت الحراري.

في توسعة لعبة الفيديو Destiny 2 Lightfall لعام 2024 ، يسعى الخصم المسمى "الشاهد" إلى القضاء على إنتروبيا الكون. هدفه هو خلق كون في حالة سكون أبدي.

• سهم الزمن – مفهوم في الفيزياء للزمن أحادي الاتجاه 
• الانفجار العظيم – النظرية الفيزيائية للكون 
• الارتداد الكبير – نموذج لأصل الكون 
• الانضغاط العظيم – سيناريو افتراضي للمصير النهائي للكون 
• التمزق العظيم – النموذج الكوني 
• التسلسل الزمني للكون – تاريخ الكون ومستقبله 
• النموذج الدوري – نماذج كونية تتضمن دورات غير محددة ومستدامة ذاتيًا 
• الإنتروبيا (اتجاه الزمن) – استخدام القانون الثاني للديناميكا الحرارية للتمييز بين الماضي والمستقبل 
• نظرية التذبذب – نظرية في الرياضيات الإحصائية 
• مفارقة الموت الحراري – مفارقة تتعلق بمصير الكون 
• السؤال الأخير – قصة قصيرة من الخيال العلمي كتبها إسحاق أسيموف عام 1956 
• الجدول الزمني للمستقبل البعيد – التوقعات العلمية المتعلقة بالمستقبل البعيد 
• رتب المقادير (الزمن) – مقارنة بين مجموعة واسعة من الأطر الزمنية 
• درجة الحرارة الديناميكية الحرارية – مقياس لدرجة الحرارة بالنسبة إلى الصفر المطلق 
• المصير النهائي للكون – نظريات حول نهاية الكون 
• الكون ذو الطاقة الصفرية – فرضية مفادها أن إجمالي كمية الطاقة في الكون يساوي صفرًا تمامًا