Ненасытная энтропия

Энтропия — понятие очень сложное и многогранное. Эдакая бяка-закаляка, которая пронизывает всё вокруг и нас самих. И если попытаться определить, что же это такое, то это мера беспорядка, мера хаоса. А рождается энтропия из совершенно, казалось бы, безобидного бытового фактика: ничем холодным нельзя нагреть более тёплое. Наоборот, что-то горячее будет нагревать это холодное, причем до того момента, пока между этими двумя предметами не наступит тепловое равновесие. Только что отваренное горячее яйцо, как известно, довольно быстро остынет, если поместить его в холодную воду, но эту воду оно при этом нагреет. И то и другое станет теплым. Яйцо можно комфортно поедать, а воду можно вылить, если не найдете ей какого-то иного применения: но рано или поздно она всё равно остынет, сравнявшись с температурой воздуха в вашей кухне. Всё вышеописанное в физике называется вторым началом термодинамики. Оно, это второе начало, не следует ни из чего. Оно не является следствием каких-то великих теорий и не вытекает из изощренных теорем. Это просто наблюдаемый факт. Мы постулируем, что это так, потому что никто никогда в нашем мире не видел, чтобы холодное еще больше нагрело горячее.

А энтропия — следствие этого факта. Максимальная энтропия (хаос) в системе (яйцо, холодная вода и воздух на вашей кухне) возникнет, когда система придет в термодинамическое равновесие, то есть температура яйца, воды и окружающего их воздуха сравняется. Если вы не съедите яйцо еще тёплым, конечно. Казалось бы, когда всё уравновешивается, тут-то и наступает полный порядок. Ан нет. Всё наоборот. И связано это с внутренним микросостоянием системы, ее молекулярным уровнем.

Представьте себе все те мириады молекул, которые образуют воздух на вашей кухне. Они совершенно беспорядочно, хаотично носятся по всему ее объему, сталкиваясь и непрестанно меняя направление. Причем чем выше температура (стоит летний зной, а кондиционер вы так и не поставили), тем быстрее и, следовательно, хаотичней эти молекулы носятся вокруг вас. Отсюда первый вывод: чем выше температура системы, тем выше мера ее хаоса, то есть энтропии. Но взглянем на тот же самый воздух на вашей кухне с другой стороны. Сколь ни покажется странным, но именно благодаря хаотичности и случайности передвижений молекул воздуха они не концентрируются в каком-то одном углу, а достаточно равномерно распределяются по всему ее объёму. Если бы воздух вел себя иначе, нам пришлось бы бегать за ним, пытаясь перед каждым вдохом определить, в какой же угол он на сей раз забился. Но, слава богу, молекулы воздуха в норме ведут себя самым предсказуемым, наиболее вероятным, образом: как и всякий газ, воздух займет весь тот объём, который ему будет предложен. Кухню — так кухню, весь воздушный бассейн Земли — так весь воздушный бассейн (в космос, как вы понимаете, он не улетает из-за гравитации).

Это вам не какой-нибудь высокоэнтропийный воздух вашей кухни. Это низкоэнтропийный воздух, «загнанный» в баночку. А вы-то думали, почему так дорого…

И наоборот. Если нам вздумается загнать-таки воздух в какой-либо один угол нашей кухни, нам потребуется уйма изобретательности, сил и энергии, чтобы это проделать. Очевидно, нам понадобится какая-то герметичная перегородка, достаточно мощный насос, какая-то энергетическая установка для подпитки этого насоса и т. д. Иными словами, чтобы заставить воздух вести себя неким организованным образом, нам потребуется проделать большую работу. Только так мы заставим его нарушить наиболее вероятное своё поведение и собраться в понравившемся нам углу. И при этом мы уменьшим меру его беспорядка: энтропия системы уменьшится. Отсюда следует: чем менее вероятный характер приобретет микросостояние системы, тем ниже энтропия этой системы, то есть мера ее беспорядка. И наоборот. А так как термодинамическое равновесие — это наиболее вероятное состояние любой замкнутой системы, то оно, это состояние, и будет самым высокоэнтропийным.

Кому-то этот мой рассказ может показаться чем-то отвлеченным, не слишком существенным: какое нам дело до микросостояний каких-то там систем, даже если это касается яйца, которое мы собираемся съесть на завтрак. Вряд ли тот факт, что яйцо придет в термодинамическое равновесие с холодной водой, которой мы его залили специально, чтобы немножко охладить, испортит нам аппетит. А воздух, слава богу, ведет себя самым подобающим, наиболее вероятным для себя и ожидаемым нами образом. Но к сожалению, это не отвлеченные разговоры. Энтропия — это то, что всё в этом мире и сам этот мир направляет к смерти.

Существует закон неубывания энтропии. На самом деле, мы можем смело говорить, что это закон постоянного возрастания энтропии.Неубывание касается систем, достигших своего термодинамического равновесия, то есть своего максимума энтропии. Во всех остальных случаях речь идет исключительно о возрастании энтропии. Что случится с нашими яйцом, водой и воздухом на кухне (боюсь, они вам порядочно уже надоели, но вскоре мы их оставим в покое), когда они достигнут своего температурного равновесия? Если мы будем их считать замкнутой системой, то есть изолируем от внешнего мира, то эта система придет, в конце концов, в полный покой, там прекратятся какие бы то ни было процессы. Это будет покой смерти, вечный покой. Исключением, правда, будут различные квантовые эффекты, связанные с принципом неопределенности, но тут мы их оставим за скобками, чтобы не запутаться. Именно из-за энтропии невозможно создание вечного двигателя, потому что эволюция любой замкнутой системы должна закончиться полным покоем.

Наша Вселенная — это, скорее всего, замкнутая система. По крайней мере, так считает большинство ученых: нет никаких научных свидетельств того, чтобы в нее поступало что-либо извне. Всякая замкнутая система стремится к термодинамическому равновесию. То, что энтропия нашей Вселенной непрерывно растет — факт, не вызывающий сомнений. Когда физики оценили энтропию фонового излучения, которое осталось от Большого взрыва и которое пронизывает всю Вселенную, они были, по их собственным словам, просто ошарашены (сн: Роджер Пенроуз. Новый ум короля).  И до относительно недавнего времени наиболее вероятным сценарием гибели Вселенной считалась так называемая тепловая смерть, то есть Вселенная должна была, как казалось тогда, завершить свой путь, достигнув термодинамического равновесия при температуре близкой к абсолютному нулю. Попросту говоря — замерзнуть.

Но когда была проведена оценка энтропии черных дыр, стало очевидным, что она, а следовательно, энтропия всей Вселенной, на много порядков больше, чем можно было себе вообразить. Точкой равновесия нашей Вселенной как системы должно быть равновесие сверхмассивной черной дыры. Нет ни одного научно обоснованного оптимистического сценария эволюции нашего мира: гибель его неизбежна.

Мир, который мы видим вокруг себя, обречен, потому что базируется на принципе постоянного стремления к самоуничтожению: максимуму беспорядка и энергетическому минимуму. Всякое поле старается сбросить лишнюю энергию, образовав квант; всякий возбужденный электрон при любом удобном случае отдает лишний фотон, чтобы спуститься на более низкий энергетический уровень; всякий камень при первой возможности готов скатиться с горы, чтобы избавиться от лишней потенциальной энергии.

С точки зрения современного научного знания, совершенно противоестественным для нашего мира выглядит само рождение Вселенной, образование звезд и планет (вообще, вещества), зарождение жизни, формирование сознания. Все эти феномены, совершенно очевидно, противоположны мэйнстриму эволюции мира. Безусловно, локально, в отдельно взятых уголочках Вселенной возможно преобладание негэнтропии (этот термин обозначает отрицательную энтропию, то есть меру противоположного процесса — уменьшение беспорядка; несколько позже мы увидим, что практически всегда негэнтропия тождественна такому понятию, как информация). Но за это приходится расплачиваться ростом энтропии вокруг таких исключительных уголков.

Так зачем же мы едим? Для того чтобы получать необходимую человеку энергию, достаточно летнего солнышка или печки-буржуйки в холод. А для многих из нас и этого не надо: вспомним, масса пропорциональна энергии. Вы давно взвешивались? Всякий человек отдает в окружающее пространство примерно столько же тепловой энергии, сколько получает извне. А если бы получал больше, чем отдавал, он постоянно бы увеличивался в размерах (что со многими из нас и происходит). Но вспомните, сколько энергии(!) наш организм тратит на то, чтобы избавиться от лишней тепловой (высокоэнтропийной) энергии в зной: усиленная работа потовых желез, расширенные сосуды, учащенные дыхание и сердцебиение…

На самом деле с едой в первую очередь мы получаем негэнтропию. Человек — существо очень высокоорганизованное, то есть, извините за выражение,  существо низкоэнтропийное. Чтобы поддерживать это своё состояние, ему необходим источник этой самой низкой энтропии. Таким источником для нас служат растения, научившиеся фотосинтезу и способные создавать органические (сложные и маловероятные, а следовательно, низкоэнтропийные) вещества под воздействием солнечного света. Видимый спектр света — относительно низкоэнтропийная форма излучения. Именно его используют растения (и некоторые микроорганизмы), чтобы разделять атмосферный углекислый газ на кислород и углерод и затем формировать свою сложную органическую структуру. При этом в окружающее пространство они излучают тепло, оно же высокоэнтропийное, инфракрасное излучение.

Мы едим растения напрямую, а также косвенно, употребляя в пищу мясо, рыбу и другие продукты животного происхождения (понятно, что те, кого едим мы, поедали до недавнего времени растения или тех, кто поедал растения). И тем самым получаем сложные органические соединения, из которых уже дальше строим самих себя и в том числе свою сложную (низкоэнтропийную) энергетическую систему. А во вне выделяем опять-таки тепло и относительно высокоэнтропийный углекислый газ при дыхании. Если бы животные, включая человека, сами были бы способны к фотосинтезу, то пища им при комфортной температуре внешней среды, пожалуй, не требовалась вовсе. Разве что минеральные удобрения. Ну и вода, конечно. Не знаю, как вас, меня такая гипотетическая возможность почему-то не очень радует: то ли слишком люблю поесть, то ли высокомерно отношусь к растениям и не хочу на них походить. И то и другое, наверное, не очень хорошо. Но очевидно одно: разделение труда целесообразно не только в человеческом обществе, но и в живой природе в целом.

Вот и пообедали…

Благодаря такой локальной неоднородности в нашем уголке Вселенной, каким является лучащееся Солнце, на нашем небосводе мы имеем бесплатный источник низкоэнтропийного, упорядоченного излучения. А потому возможно существование жизни на нашей планете. Но, получая солнечный свет, мы, Земля и все ее обитатели вместе взятые, в качестве «благодарности» переадресуем в холодный космос, прежде всего, высокоэнтропийное, хаотическое тепловое излучение. Таким образом, энтропия всей системы, нашей Вселенной, растет. Да что там космос. Я даже боюсь заикаться о том невероятном количестве энтропии, которую люди, существа, как считается, разумные, производят вокруг себя: в среде собственного обитания. Платой за продукты всех наших высоких (и не слишком высоких) технологий, а эти продукты также очень высокоорганизованная (организованная нами) форма материи, является то самое загрязнение окружающей среды, которое уже стало прямой угрозой существования самому человечеству.

Энтропия подчинила себе не только вещество и энергию. Она подчинила себе и само время. Все фундаментальные уравнения физики, которыми описывается наш мир, симметричны во времени. То есть будущее и прошлое, с точки зрения физики, абсолютно равноправны. И в классической механике, и в квантовой, и в волновых уравнениях Максвелла, и в теории относительности, везде (есть одно исключение, которое относится к ядерной физике, так называемому слабому взаимодействию, но что следует из этого исключения, сами ядерщики пока не понимают). Уравнения — они потому и уравнения, что левая часть равна правой. Иными словами, время не должно было бы иметь никакого направления: что из прошлого в будущее, что из будущего в прошлое — всё равно. Если бы не энтропия!

Классический пример, который используют физики, чтобы показать непосвященным, как же у времени появляется направление или, как его еще называют, стрела времени. Чашка чая на столе. Вот она стоит. Её случайно задели, она падает, вокруг осколки, чай растекается по полу. Картинка всеми нами виденная и не раз. Но никто никогда не видел обратного, если не считать перемотки видео или киноплёнки назад: чтобы осколки собрались снова в целую чашку, в неё забрался чай, и чашка легко запрыгнула на стол. Но с точки зрения физики, энергия, полученная чашкой при падении и столкновении с полом, будет в точности равна энергии необходимой для того, чтобы всем осколкам и чаю собраться вместе и запрыгнуть назад на стол. Закон сохранения энергии и здесь срабатывает в полном объёме. Так что же мешает это сделать? Другой закон, вытекающий из второго начала термодинамики: закон неубывания энтропии.

Дело тут в том, что энергия, полученная чашкой при падении, в основном перешла в тепло. Атомы осколков и чая после удара о пол (который тоже немножко нагрелся) стали двигаться чуточку быстрее, хаотичней. То есть энтропия системы повысилась. И чтобы вернуть их в прежнее, более организованное состояние, потребуется невероятно точная обратная настройка этих атомов, которая, скорее всего, просто невозможна. Не говоря уже о том, что часть образовавшегося тепла тут же рассеется в окружающем пространстве. Конечно, если помнить законы квантовой механики, можно всё же надеяться, что из всех миллиардов, миллиардов, миллиардов чашек, стаканов, бокалов, рюмок, тарелок, плошек, пиал и т. д., упавших со столов за всю историю человечества, хотя бы одна (или один) собралась сама собой и всё же запрыгнула на прежнее место. Но скажите честно, вы поверите свидетелям такого происшествия? В лучшем случае решите, что эти свидетели предварительно выпили слишком много содержимого своих чашек, стаканов, бокалов и рюмок, и что в них был вовсе не чай. Хотя законы физики не запрещают подобных событий. Но они, эти события, очень редки, а потому мы относим их в лучшем случае к чудесам, а в худшем — к галлюцинациям.

Мы не видим пожаренных яичниц, собирающихся назад в свежие яйца, каминной золы, снова превращающейся в поленья, кусочков сахара, выпрыгивающих из горячего кофе прямо в руку тому, кто их туда положил. Время для нас течет только в одну сторону. А направление ему задает энтропия, и только она. И направление это, как мы выяснили выше, довольно мрачное: к разрушению и смерти. Обычно, чуточку повзрослев, мы начинаем это замечать и по себе, и оглядываясь вокруг. Но напрасно мы говорим, что время неумолимо. Неумолима, на самом деле, энтропия.

И тут я хотел бы вернуться к понятию сингулярности, о чем мы говорили в предыдущей статье. Мы относительно подробно рассмотрели, какими будут конечные сингулярности (или конечная сингулярность) этого мира. Эта сингулярность черной дыры — самой высокоэнтропийной системы, которая человечеству известна. Но эта же картина говорит о том, что наш мир в самом начале должен был быть очень упорядоченным. Начальная сингулярность, породившая Большой взрыв, должна была быть необычайно низкоэнтропийной, потому что в наблюдаемом нами мире энтропия непрерывно растет, значит, когда-то она была низкой или равной нулю. Космология сегодняшнего дня — это пространство нераскрытых тайн и неразгаданных загадок. Но тайна начального состояния мира, пожалуй, самая большая.

Роджер Пенроуз оценочно посчитал величину энтропии для конечного коллапса нашей Вселенной: 1010123! Отсюда через представление о фазовом объёме (фазовое пространство – это множество всех состояний системы в конкретный момент времени. В фазовом пространстве состояние системы описывается координатами одной точки, а вся эволюция системы — перемещением этой точки) Пенроуз делает вывод о вероятности возникновения мира, в котором бы соблюдалось второе начало термодинамики в том виде, который мы знаем.

Замечу, что вероятности ниже 1/1050 математики считают нулевыми и не учитывают при расчетах, а это число, записанное в десятичной системе, легко вмещается в одну строку стандартного листа писчей бумаги.

Приведённое Пенроузом немыслимое число (так и хочется сделать его именем собственным и писать с большой буквы — Число), по его словам, очень приблизительная, наименьшая точность, которая потребовалась для организации Большого взрыва, породившего наблюдаемый нами мир. В то же время конечная сингулярность Вселенной, примером которой для нас служит сингулярность черных дыр, как мы говорили выше, должна быть совершенно хаотична. Материальный мир идёт к смерти. Но создан он был для жизни! И об этом я надеюсь рассказать в дальнейшем. опубликовано econet.ru

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое потребление - мы вместе изменяем мир! © econet