Universumi soojussurm

Universumi soojussurm on olek, mille korral langeb temperatuur elutegevuse jaoks univerumis liiga madalaks ehk kõik on lõpuks külm ja surnud. See on termodünaamiline paradoks, mis tähendab universumi teoreetilist lõppolekut, kus täieliku termodünaamilise tasakaalu tõttu on kõik makroskoopilised protsessid lakanud. Termodünaamika seaduste alusel väidetakse, et aja möödudes läheneb universum paratamatult võimalikult korrapäratule olekule, kus kõigi füüsikaliste suuruste väärtused ühtlustuvad. Aine kaotab oma struktuuri ja sellest saab täielikult ühtlane segu. Kuumus kandub soojadest piirkondadest külmematesse ning kogu universumis valitseb sama keskmine temperatuur. Igasugused muutused ja protsessid lakkavad, tekib igavene tasakaaluolek.

Idee päritolu
Soojussurma mõte näib tulenevat termodünaamika teisest seadusest, kui käsitleda kogu universumit ühe suure suletud süsteemina. Kuna suletud süsteemis entroopia paratamatult suureneb ja lõppolek on varem või hiljem ühtlane tasakaaluolek, siis võiks see kehtida ka terve universumi puhul. Selline lõpptulemus on siiski vaieldav. Termodünaamika seadused on välja töötatud uurides piiratud süsteeme, peamiselt soojusmasinaid. Tervikuna ei pruugi universum olla käsitletav suletud süsteemina, millele termodünaamika teise seaduse saab automaatselt üle kanda. Sellest järeldub hüpotees, et kui universum kestab küllaltki kaua, siis see läheneb asümptootiliselt olukorrani, kus kogu energia jaotub ühtlaselt.

Soojussurma oletusest kirjutas esimest korda 1777. aastal prantsuse astronoom Jean-Sylvain Bailly. Ta tegi seda oma astronoomia ajalugu käsitlevates kirjutistes ja kirjavahetuses Voltaire'iga. Bailly arvates on kõigil planeetidel sisekuumus ja mõned planeedid on jahutusetapis. Näiteks on Jupiter endiselt liiga kuum, et seal elu tekiks, kuid erinevalt Jupiterist on Kuu liiga külm. Lõplik seisund sellises vaates on kirjeldatud kui üks tasakaal, milles kõik algav lõpeb.

Soojussurma idee on kui termodünaamika seaduste tagajärg. Esimesena pakkus selle välja 1851. aastal William Thomson, esimene parun Kelvin, kes võttis soojuse teooriat kui mehaanilist energiakulu looduses ja hindas seda üleüldiselt suuremal skaalal. Thomsoni vaateid täiustasid järgmistel aastatel Herman von Helmholtz ja William Rankine.

Lihtsamalt öeldes, kui kaoksid kõik temperatuurierinevused ning temperatuur ühtlustuks, saabuks universumi soojussurm. See tähendab, et alati peab olema temperatuuride vahe. Elu Maalgi on võimalik vaid seetõttu, et on olemas kuum keha Päike, jahutav keha ehk 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. William Thomson ehk parun Kelvin esitas 1851. aastal 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 päikese vanusest ja universaalse operatsiooni dünaamika rakendusest meelitasid William Rankie't ja Hermann von Helmholtz'i. Nad on vahetanud ka ideid sellel teemal. Aastal 1862 avaldas Thomson artikli "On the age of the Sun's heat" (Päikese soojuse ajastul), kus ta kordas oma põhilisi uskumusi energia hävimatusest (esimene seadus) ja energia universaalsest hajumisest (teine seadus), mis põhjustavad soojuse levikut, kasuliku liikumise (töö) lõpetamist ja potentsiaalse energia ammendumist materiaalse universumi kaudu. Lühidalt, selgitas ta enda arvamust tagajärgedest 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 Thomsonile ideid nii Helmholtz kui ka Rankie. Lugedes põhjalikult tema artikleid, tuleb välja, et William Thomson väitis, et universum lõpeb "soojussurmaga", mis on "kõigi füüsiliste nähtuste lõpp".

Praegune seis
Ettepanekud universumi lõplikust seisundist sõltuvad sellest tehtud eeldustest, mis 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 absoluutsele nulltemperatuurile väga pikalt. Kui kosmoloogiline konstant on positiivne, nagu viimaste vaatluste puhul näib, on temperatuur asümptoteerunud mitte-nullile positiivse väärtusega ja universum läheneb täielikule entroopiale.

Soojussurma olukorda saaks vältida, kui oleks olemas meetod või mehhanism, mille abil taastada vesinikuaatomeid kiirgusest, tumedast energiast või muudest allikatest. Nii oleks võimalik hoida ära universumi järkjärgulist kurnamist, mille käigus aine muutub pidevalt energiaks ja täheprotsesside jooksul loodud raskemateks elementideks.

Vaata ka 
 Suur Pauk
 Suur Kollaps
 Tumeenergia

Viited 

Kosmoloogia
Entroopia