Universumi soojussurm

Idee päritolu

Soojussurma mõte näib tulenevat termodünaamika teisest seadusest, kui käsitleda kogu universumit ühe suure suletud süsteemina. Kuna suletud süsteemis entroopia paratamatult suureneb ja lõppolekuks on varem või hiljem ühtlane tasakaaluolek, siis võiks see kehtida ka universumi kui terviku puhul. Selline lõpptulemus on siiski vaieldav. Termodünaamika seadused on välja töötatud väikesemastaabilisi süsteeme, eriti soojusmasinaid uurides. Universum tervikuna ei pruugi olla käsitletav suletud süsteemina, millele termodünaamika II seaduse saab automaatselt üle kanda. Sellest järeldub hüpotees, et kui universum kestab küllaltki kaua, siis see läheneb asümtootiliselt sellise olukorrani, kus kogu energia jaotub ühtlaselt.
Oletust, et kõik universumi kehad jahtuvad maha nii, et lõpuks langeb temperatuur elutegevuse jaoks liiga madalaks, kirjutas esimest korda 1777. aastal prantsuse astronoom Jean-Sylvain Bailly oma astronoomia ajalugu käsitlevates kirjutistes ja kirjavahetuses Voltaire'iga. Bailly arvates on kõigil planeetidel sisekuumus ja nüüd mõned planeedid on konkreetsel jahutusstaadiumil. Näiteks Jupiter on endiselt liiga kuum selleks, et seal mingisugust elu tekkida, kuid vastupidiselt Jupiterile on Kuu liiga külm. Lõplik seisund sellises vaates on kirjeldatud kui üht "tasakaalu", milles kõik algatus lõpeb.
Soojussurma idee on kui termodünaamika seaduste tagajärg. Kuigi esmakordselt pakkus selle välja William Thomson, esimene parun Kelvin 1851. aastal, kes võttis soojuse teooriat kui mehaanilist energiakulu looduses ja hindas seda üleüldiselt suuremal skaalal. Thomsoni vaateid täiustati järgmistel aastatel Herman von Helmholtzi ja William Rankine'i poolt.
Lihtsamalt öeldes, kui kaoksid kõik temperatuurierinevused ning temperatuur ühtlustuks, saabuks universumi soojussurm. See tähendab, et alati peab olemas olema temperatuuride vahe. Elu Maalgi on võimalik vaid seetõttu, et on olemas kuum keha Päike, jahutav keha, milleks on külm maailmaruum ning töötav keha Maa. Termodünaamika järgi läheb energia alati üle soojemalt kehalt külmemale, mistõttu soojem keha jahtub ja külmem keha soojeneb kuni temperatuurid on võrdsed. Igaviku jooksul ühtlustuvad kõik temperatuurid maailmas. See tähendaks aga, et igavese universumi korral peaks soojussurm olema juba saabunud, kuid nii see ei ole. Selle paradoksi sõnastas 1865. aastal Rudolf J. E. Clausius, kes oli üks termodünaamika rajajaid. Kui aga eeldada, et universum paisub, siis see paradoks kaob, sest pidev paisumine jahutab ja tasakaalu ei tekiks.

Ajalugu

Universumi soojussurma idee tuleneb termodünaamika kahe esimese seaduse rakendamisest universaalsetele protsessidele. Täpsemalt, 1851. aastal esitas William Thomson (parun Kelvin) ülevaate, mis põhines hiljutistel eksperimentidel dünaamilises soojusuuringus, et "Kuumus ei ole aine, vaid mehaanilise mõju dünaamiline vorm, me mõistame, et mehaanilise töö ja kuumuse vahel peab olema samaväärsus nagu ka on põhjuste ja tagajärgede vahel." 

Aastal 1852 avaldas Thomson ajakirjas On a Universal Tendency in Nature (Üldkehtiv kalduvus looduses) loo "The Dissipation of Mechanical Energy" (Mehaanilise energia raiskamisest), milles ta kirjeldas termodünaamika teise seaduse alguses kokku võetud seisukohta, et mehaaniline liikumine ja selle liikumise tekitamiseks kasutatav energia kipuvad loomulikult hajuma või kaduma. Kõik ideed selles ajakirjas, seoses päikese vanuse ja universaalse operatsiooni dünaamika rakendusega, meelitasid William Rankie't ja Hermann von Helmholtz'i. Kõik nad on ka vahetanud ideid sellel teemal. Aastal 1862 avaldas Thomson artiklis "On the age of the Sun's heat" (Päikese soojuse ajastul), kus ta kordas oma põhilisi uskumusi energia hävimatust (esimene seadus) ja energia universaalset hajumist (teine seadus), mis põhjustab soojuse levikut, kasuliku liikumise (töö) lõpetamist ja potentsiaalse energia ammendumist materiaalse universumi kaudu. Ühesõnaga ta selgitas enda arvamust tagajärgede kohta universumile tervikuna. Põhipunktis kirjutas Thomson: 
Kui universum oleks piiratud ning jäetud järgima kehtivaid seadusi, siis tulemus oleks paratamatult olnud universaalne puhke- ja surmaolukord. Kuid universumis oleva aine ulatuse piirangut ei ole võimalik ette kujutada. Seetõttu teadus osutab pigem lõputule arengule, läbi lõputu ruumi, mis hõlmab potentsiaalse energia muutmist katsutavaks liikumiseks ja sealt soojuseks, kui ühele ainsale piiratud mehhanismile, mis peaks kasutama kõike võimalike ressursse ning siis peatuma igaveseks.
Mõlema Thomsoni artikli, aastast 1852 ja 1862, jaoks andsid nii Helmholtz kui ka Rankie Thomsonile ideid. Lugedes põhjalikult tema artikleid, tuleb välja, et William Thomson väitis, et universum lõpeb "soojussurmaga", mis on "kõigi füüsiliste nähtuste lõpp".

Praegune seis

Ettepanekud universumi lõpliku seisundi kohta sõltuvad selle lõplikust saatusest tehtud eeldustest ja need eeldused on 20. sajandi lõpu ja 21. sajandi alguses oluliselt mitmekesistunud. Oletatavas "avatud" või "tasases" universumis, mis jätkab piiramatult laienemist, eeldatakse soojussurma juhtumist. Kui kosmoloogiline konstant on null, siis läheneb universum absoluutse nulltemperatuurile väga kaua aega. Kuid kui kosmoloogiline konstant on positiivne, nagu viimaste vaatluste puhul näib, on temperatuur asümptoteerunud mitte-nullile positiivse väärtusega ja universum läheneb maksimaalsesse entroopiasse.
Soojussurma olukorda oleks võimalik vältida, kui oleks olemas meetod või mehhanism, mille abil saaks taastada vesinikuaatomeid kiirgusest, tumedast energiast või muudest allikatest, et vältida universumi järkjärgulist langemist aine ja energia raskendavate elementide täheprotsessides.