Второй принцип термодинамики является обобщением огромного количества экспериментального материала и блестяще подтверждается для всех известных макроскопических процессов. Однако выводы из него различные
ученые делали диаметрально противоположные. Уже авторы второго принципа У. Томсон (Кельвин) и Р. Клаузиус распространили его на мир в целом и сделали вывод о неизбежной тепловую смерть мира.
Закон возрастания энтропии определяет направление энергетических преобразований: все они в замкнутых системах происходят только в одном направлении. Достижения замкнутой системой максимально возможной энтропии соответствует достижению в ней теплового равновесия. Разница температур, характеризующие отдельные части системы, исчезает, и макроскопические процессы становятся невозможными. Вся свойственна системе энергия превращается в энергию неупорядоченного, хаотического движения микрочастиц системы, и обратный переход теплоты в работу невозможен. С этой точки зрения энтропия характеризует способность энергии к преобразованиям. Это можно понять из анализа понятия свободной энергии 4 '= U - TS, где 4х - свободная энергия, Т - абсолютная температура; S - энтропия. В работу может быть преобразована не вся энергия U, а лишь часть ее за вычетом величины TS. Эту величину можно назвать связанной, «обесцененной» энергией, которая не может быть преобразована в работу. Чем выше энтропия, тем меньше свободная энергия и тем более обесценена полная энергия, хотя качественно она остается прежним.
По Клаузиусом, все процессы в природе происходят в направлении роста энтропии, означает неуклонное обесценение энергии, связано с ее превращением в теплоту, и выравнивание температур вследствие теплообмена. Рано или поздно это приведет к абсолютной теплового равновесия во Вселенной и, следовательно, к тепловой смерти. Энергия хоть и сохранится количественно, но исчезнет в качественном отношении. Эту мысль в лаконичной форме изложил Р. Клаузиус так: энергия Вселенной стала, энтропия Вселенной стремится к максимуму.
Рассматривая второй принцип термодинамики как закон «обесценивания» энергии во Вселенной, Дж. Джин считал, что при полном превращении вещества в излучение температура мирового пространства поднимется лишь на несколько десятков градусов, оставаясь все же значительно ниже температуры жидкого воздуха.
К выводам Дж. Джинса присоединился А. Эддингтон, который считал, что со временем вся вещество Вселенной превратится в излучение и мир напоминать радиоволновой шар расширяется. А. Эддингтон раз считал возрастания энтропии показателем направления изменения времени от прошлого к будущему. Поскольку при тепловой смерти энтропия достигнет максимума, то время в этом случае остановится. Если за конец света А. Эддингтон принимал состояние его термодинамического равновесия, то за начало - такое состояние мира, когда материя и энергия должны максимум возможной организации. Получается, что по второму принципу конец света должен быть с наступлением его тепловой смерти, то тогда должно существовать начало его, как утверждает А. Эддингтон. Сторонником тепловой смерти был, например, известный американский ученый Н. Винер - один из создателей кибернетики.
С критикой теории тепловой смерти Вселенной выступил выдающийся физик-материалист Л. Больцман (1844-1906). В классической термодинамике считается, что при достижении в системе теплового равновесия в ней прекращаются любые активные процессы, связанные с отклонением от этого состояния. Л. Больцман подошел к проблеме теплового равновесия с позиций молекулярно-кинетической теории теплоты, связал понятие энтропии с состоянием молекулярной системы, с его вероятностью (7.36). Однако он допускал возможность изменения состояния системы даже при статистической равновесии. Поскольку состояние наибольшей вероятности близок к состоянию несколько меньшей вероятности, то в системе будут происходить небольшие отклонения от этого состояния, или флуктуации, в течение которых энтропия уменьшаться. По Больцманом, энтропия замкнутой системы со временем увеличивается, но в отдельные моменты времени наблюдается ее уменьшение, обусловленное флуктуациями вещества.
Л. Больцман перенес эти представления на Вселенную. Он считал, что второй принцип справедлив для Вселенной, в целом находится уже в состоянии теплового равновесия. В отдельных частях его с уменьшением энтропии происходят отклонения от этого состояния, или флуктуации, которые охватывают иногда гигантские по размерам области. Подобные флуктуации характеризуются законами вероятности, после каждой из таких флуктуаций система возвращается в предыдущее состояние равновесия. JI. Больцман допускал, что область звездного пространства, которая окружает нас, является именно такой гигантской по размерам флуктуацией, во время которой возникли возможности для возникновения жизни на Земле.
Флуктуационная гипотеза Л. Больцмана сыграла прогрессивную роль в борьбе против теории тепловой смерти, поскольку она допускала возможность постоянных изменений в мире. Однако ученый отстаивал позиции метафизического и механистического материализма и выдвинутая им гипотеза имела принципиальные недостатки, которые обесценивали ее положительный критический смысл. Дав статистическое толкование второму принципу, он отверг лишь идею неизменности Вселенной после установления теплового равновесия, но не само положение о тепловое равновесие.
Если применить положения статистической механики к Вселенной, существует неограниченно во времени, то, казалось бы, с необходимостью должны сделать вывод, что Вселенная (точнее, любой сколь угодно велика его область) находиться в состоянии термодинамического равновесия. Время релаксации любого конечного области не может быть бесконечным. На самом же деле ничего такого не наблюдается. Вся та область Вселенной, из которой доходит до нас информация, находится в состоянии очень далеком от равновесия. Сконцентрирована в галактиках и звездах материя непрерывно теряет энергию, которая рассеивается в пространстве, а это ведет к сложной эволюции звездных систем, звезд и планет.
Одним из первых глубокую критику теории тепловой смерти Вселенной дал Ф. Энгельс. Он указывал на несовместимость этой теории с материалистическим мировоззрением. Она противоречит принципу нерушимости движения, поэтому должна быть отвергнута философией. Опровергая утверждение о неизбежности превращения всех форм движения в теплоту, которая необратимо рассеивается в пространство, Ф. Энгельс отмечал, что движение материи сохраняется в количественном и качественном отношениях, т.е. неограниченно превращается из одних форм в другие. Он писал, что излучений в мировое пространство теплота должна иметь возможность каким-то путем - путем, установление которого будет когда-то в будущем задачей естествознания, - превратиться в другую форму движения, в которой она может снова сосредоточиться и начать активно функционировать.
Нетрудно убедиться, что второй принцип термодинамики имеет ограниченную сферу действия, характеризует не все формы движения, а только те, которые связаны с преобразованием теплоты. Он не распространяется на гравитационные, ядерные и электромагнитные процессы, хотя именно они предопределяют концентрацию рассеянной материи и привлекают ее в новые циклы развития. Второй принцип не распространяется на броуновское движение, не проявляет никакой тенденции к прекращению, поэтому его нельзя считать общим законом, которым является, например, закон сохранения энергии, действующей во всех без исключения процессах, как единичных, так и массовых. Кроме того, при обобщениях надо иметь в виду ту грань, где количественные накопления в системе приводят к новым качеств. Энтропией можно характеризовать большие и малые тела, но она не имеет смысла по отдельным молекул. Некоторые физические понятия и законы качественно изменяются при переходе от макрофизичних процессов к процессам мегамира. Суть методологической ошибки в заключении о тепловой смерти кроется также в пренебрежении качественных изменений основных понятий (изолированная система, энтропия, равновесное состояние) при распространении термодинамики на мир в целом. Закон возрастания энтропии действует только в замкнутой, т.е. конечной, системе. Мир же бесконечен в пространстве и времени и является незамкнутой совокупности систем. Поэтому безосновательно распространять закон, справедливый для ограниченных областей, действующего на Вселенную только при определенных условиях. При этом допускается абсолютизация второго принципа. Даже если считать, что мир бесконечен в пространстве и конечный во времени, как это допускается в концепции тепловой смерти, то и тогда она никогда не наступила. Опыт показывает, что любые взаимодействия распространяются со конечной скоростью. Тогда мир, бесконечен в пространстве, пришел бы к тепловой смерти только через бесконечно большой промежуток времени, то есть практически никогда не смог бы прийти к термодинамического равновесия.
Энтропия - это единственная известная функция состояния, которая однозначно увеличивается со временем. Эта особенность энтропии позволяет иногда считать ее своеобразным показателем направления времени от прошлого к будущему. Попытка связать быстротечности времени с изменением энтропии имеет некоторые основания. Направление времени нельзя вывести из осложнения материи в процессе развития, поскольку распад систем нужно было бы связать с обратной направлению текучести времени, что недопустимо. Однако рост энтропии нельзя считать единственным и универсальным показателем направления времени для всех процессов. Для процессов, в которых понятие энтропии неприменимо, показатель направления времени должен быть другим. Этот показатель не всегда действителен и для процессов, к которым можно применять понятие энтропии. Эти процессы связаны в основном с тепловой формой движения. Например, если в изолированной системе наступает термодинамическое равновесие, энтропия достигает своего наибольшего из возможных значений, то нужно было бы признать, что за это время в такой системе остановился бы. Такой вывод не имеет смысла, поскольку даже после установления статистического равновесия движение в системе не прекращается. Хотя в среднем скорости молекул станут примерно одинаковыми, но они будут значительно отличаться от нуля. Происходить также движение атомов в молекулах, элементарных частиц в атомах, разная взаимодействие их. Эти формы движения принципиально уничтожены, а само их существование предполагает текучесть времени, который выступает как объективная мера продолжительности любого изменения. Понятие энтропии к ним применить невозможно.
Однако в случае макроскопических явлений возникают значительные трудности и противоречия в связи с таким пониманием энтропии. Иногда, как показал Больцман, возможно не только рост, но и уменьшение энтропии за счет флуктуаций. Если текучесть времени от прошлого к будущему отождествлять с ростом энтропии, то уменьшение энтропии следовало бы связать с обратным направлением времени - от будущего к прошлому.
Следовательно, рост энтропии нельзя считать критерием текучести времени к будущему. Не время является производным от отдельной физической характеристики - энтропии, а, наоборот, рост энтропии является производным по изменениям материи во времени.
Увеличение энтропии на участке расширения Вселенной согласуется с законами классической механики. Лишь в сверхплотная состояниях Вселенной, видимо, окажется необходимым учет квантовых эффектов, а следовательно, характер изменения энтропии обусловлен на определенных этапах эволюции Вселенной квантовыми законами поведения частиц.