30 октября
604 прочитали
Энтропия— это мера неупорядоченности. И она всегда увеличивается со временем. Всё естественным образом стремится к беспорядку. Здания разрушаются. Машины ржавеют. Люди стареют.
Неизбежное увеличение энтропии со временем для изолированных систем обеспечивает «стрелу времени» для этих систем. В повседневной жизни нетрудно отличить прямое течение времени от обратного. Например, если бы фильм показывал, что стакан теплой воды самопроизвольно превращается в горячую воду со льдом, плавающим наверху, сразу станет очевидно, что пленка движется в обратном направлении, потому что процесс передачи тепла от теплой воды к горячей воде нарушит второе закон термодинамики. Однако эта очевидная асимметрия между прямым и обратным направлениями течения времени не сохраняется на уровне фундаментальных взаимодействий. Наблюдатель смотрит фильм, в котором показаны две молекулы воды столкновение не сможет определить, движется ли пленка вперед или назад.
Разница между прошлым и будущим – основа и одновременно поворотный пункт человеческого опыта. Родились мы в прошлом, живем в настоящем, планируем будущее (если планируем). Каждый из нас вырастает и стареет, и невозможно заставить стрелки наших внутренних часов двигаться вспять – невозможно вернуть юность.
Необратимость – центральное свойство развития любого живого организма. Исходя из этого, можно думать, что мы определенно подтвердим этот опыт в математических формулах законов физики, которые управляют механикой всех частиц, составляющих живое. Вероятно, мы должны иметь возможность указать на что-то конкретное в уравнениях – что гарантирует запрет математики изменениям протекать в обратную сторону – из будущего в настоящее. Но на протяжении сотен лет все математические уравнения, сформулированные физиками, не в состоянии были это подтвердить. Наоборот, по мере того как законы физики формулировались, благодаря выдающимся умам: Ньютона (классическая механика), Максвелла (электромагнетизм), Эйнштейна (релятивистская физика) и десятков ученых, ответственных за квантовую физику, одна черта оставалась неизменной: законы упрямо сохраняли полную нечувствительность к тому, чтó мы, люди, называем будущим и чтó мы называем прошлым.
При заданном состоянии мира математические уравнения описывают развертывание событий в направлении будущего или в направлении прошлого совершенно одинаково.
Для нас эта разница ощутима, но законы квантовой механики не обращают на нее внимания. И это означает, что если законы допускают какую-то конкретную цепочку событий, то эти же законы допускают также и обратную им последовательность.
В реальном мире мы не видим, чтобы олимпийские прыгуны в воду вылетали из бассейна ногами вперед и спокойно приземлялись на трамплине. Мы не видим, чтобы осколки цветного стекла подскакивали бы с пола и вновь собирались в лампу. Отрывки из фильмов, пущенные задом наперед, так забавляют нас именно потому, что происходящее при этом на экране принципиально отличается от того, что мы встречаем в действительности. И все же, если верить математике, события, происходящие в перевернутых видеоклипах, полностью соответствуют законам физики.
Почему же тогда мы получаем такой односторонний опыт? Почему мы всегда уверены, что события однозначно разворачиваются в одном временнóм направлении и никогда – в другом? Ключевой ответ на эти вопросы заключается в понятии энтропии, принципиально важном понятии современной науки.
В конце XIX в. австрийский физик Людвиг Больцман считал, что может ответить на вопрос: чем отличается будущее от прошлого? Его ответ опирался на понятие энтропии, определяемой вторым началом термодинамики.
Людвиг Больцман (1844 - 1906) - австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. Член Венской Императорской академии наук, иностранный член Лондонского королевского общества, член-корреспондент Петербургской академии наук, Парижской академии наук и ряда других.
Начала термодинамики
Если энтропия и второе начало прочно прописались в современной культуре, то отсылки к первому началу термодинамики в обыденном общении попадаются намного реже. Тем не менее чтобы до конца освоиться со вторым началом, полезно сначала разобраться с первым. Оказывается, первое начало тоже широко известно, но, если можно так выразиться, под псевдонимом. Речь о законе сохранения энергии. Каким бы количеством энергии вы ни располагали в начале процесса, в конце этого процесса у вас ее будет ровно столько же.
Второе начало термодинамики сосредоточено на энтропии. В отличие от первого начала, второе не является законом сохранения. Это закон роста. Второе начало гласит, что во времени существует неизбежная тенденция к увеличению энтропии. Проще говоря, особенные конфигурации склонны эволюционировать в сторону обычных (ваша тщательно отглаженная рубашка становится мятой), то есть порядок склонен скатываться к беспорядку (ваш идеально убранная комната со временем становится беспорядочным набором вещей). Хотя подобные сравнения формируют прекрасный интуитивный образ, статистическая формулировка понятия энтропии, данная Больцманом, позволяет описать второе начало со всей точностью и, что не менее важно, получить ясное представление о том, почему оно верно.
Все сводится к игре чисел. Представим монеты. Если вы аккуратно разложите их на столе орлами кверху – в низкоэнтропийной конфигурации, – а затем немного потрясете и перемешаете их, то получите, скорее всего, хотя бы несколько решек – более высокоэнтропийную конфигурацию. Если потрясти монеты еще раз, то можно представить, что вам удастся вернуть все монеты в положение орлом кверху, но для этого стол нужно будет трясти вполне определенным образом, настолько точно, что перевернутся только те несколько монет, которые легли решкой. Это чрезвычайно маловероятно. Намного более вероятно, что тряска вместо этого перевернет некий случайный набор монет. Некоторые из тех нескольких монет, что были решками, возможно, перевернутся обратно, но из тех монет, что были орлами, гораздо большее количество станет решками. Так что простая прямолинейная логика – сообщает нам, что если начать с варианта «все орлы», то произвольное встряхивание приведет к увеличению числа решек. То есть к росту энтропии.
Движение к увеличению числа решек будет продолжаться до тех пор, пока мы не достигнем соотношения орлов и решек примерно 50 на 50. В этот момент встряхивание станет переворачивать монеты из орлов в решки примерно столько же, сколько из решек в орлы, и дальше конфигурация начнет бóльшую часть времени мигрировать между самыми густонаселенными, самыми высокоэнтропийными группами. То, что верно для монет, справедливо и в более общем плане.
Энергия и энтропия
Можно подумать, что первое и второе начала термодинамики различны. В конце концов, одно из них сфокусировано на энергии и ее сохранении, а другое – на энтропии и ее росте. Но существующая между ними глубокая связь подчеркивается фактом, который неявно содержится во втором начале: не вся энергия одинакова.
Рассмотрим, к примеру, динамитный патрон. Поскольку вся энергия, заключенная в динамите, содержится в плотной, компактной, упорядоченной химически упаковке, эту энергию несложно обуздать. Поместите динамит туда, где вы хотите эту энергию освободить, и подожгите запал. Вот и все. После взрыва вся энергия динамита по-прежнему существует. Это первое начало в действии. Но поскольку энергия динамита превратилась в стремительное и беспорядочное движение широко разлетевшихся частиц, обуздать эту энергию теперь чрезвычайно трудно. Поэтому, хотя суммарное количество энергии не изменилось, характер ее стал совсем другим.
Можно утверждать, что до взрыва энергия динамита была высокого качества: она была сконцентрирована в малом объеме и легко доступна. И наоборот. После взрыва энергия стала низкокачественной: теперь она распределена по большому объему и использовать ее трудно. А поскольку взрывающийся динамит полностью подчиняется второму началу и движется от порядка к беспорядку – от низкой энтропии к высокой, – мы связываем низкую энтропию с высококачественной энергией, а высокую энтропию – с низкокачественной энергией. Вывод получается весьма ценным: если первое начало термодинамики гласит, что количество энергии сохраняется во времени, то второе утверждает, что качество этой энергии со временем ухудшается.
Итак, почему же будущее отличается от прошлого у живых систем? Ответ, очевиден, исходя из сказанного выше, со временем энергия теряет свое качество - энергия, работающая в будущем, более низкого качества, чем та, что работала в прошлом. Будущее, связанное с возрастом живых систем обладает большей энтропией, чем прошлое, когда энергия была более высокого качества.