#чтиво | Энтропия растет с течением времени или создает его?

6 897 просмотров
Об авторе

Сальвадор Дали

Сегодня мы вернемся к термодинамике. Попробуем понять, почему хаос так важен и может ли он объяснить загадку, как работает время. Обычно мы говорим о космологии, теории относительности, квантовой механике, физике частиц и другом, но что плохого в том, чтобы на миг нырнуть в 19 век в объятья старомодной термодинамики? Термодинамика не так уж плоха: она помогла осуществить промышленную революцию и в конечном итоге будет ответственна за смерть вселенной. Она заслуживает вашего уважения.

Вопрос будет следующим:

«Допустим, энтропия — это мера беспорядка объектов. Но что в ней такого важного, что она должна быть законом?».

Если вы посмотрите почти на все законы физики, время будет течь почти с опозданием. Сделайте фильм из столкновения двух электронов, а потом запустите фильм в обратном порядке, и вторая версия будет выглядеть так же нормально и физически достоверно, как и первый вариант. На микроскопическом уровне время кажется практически симметричным. Потому что, как мы писали, на этом уровне не работает привычная нам термодинамика.

На макроскопическом уровне все совершенно иначе. Вы не помните будущее, например, не можете склеить яйцо или разделить коктейль на составляющие. И говоря о возможности путешествий во времени, мы подразумеваем только одну стрелу времени, один вектор, одно направление: вперед.

Есть один общий знаменатель, отличающий будущее от прошлого: все запутывается. Вы знаете это как «второй закон термодинамики». Или не знаете. Мне все равно.

Второй закон гласит, буквально, что все разваливается, или что вещи становятся все более и более хаотичными и беспорядочными со временем, но это не совсем так. Правильно так: полная энтропия замкнутой системы возрастает со временем. Энтропия является мерой числа способов, которыми вы можете переворачивать вещи с ног на голову и сохранять все макроскопические величины неизменными.

Весьма школьный пример

Энтропия

На примере все станет понятным. Допустим, у вас было три молекулы воздуха и вы поместили их в левой части коробки. Это очень аккуратный способ организовать вещи. Позвольте природе сделать свое дело — и молекулы разлетятся в разные стороны, и каждая из них проведет половину своего времени в правой части коробки, и другую половину — в левой части.

В любой момент времени вы будете видеть случайный снимок трех молекул. Есть восемь разных путей организовать молекулы, но только два из них (ЛЛЛ, ППП) разместят все три молекулы в одной части контейнера. Это всего лишь 25 % вероятности. В остальное время атомы, скорее всего, будут распределены равномерно. И равномерное распределение — это более высокое состояние энтропии, чем концентрированное.

Вы можете играть в эту же игру, набрав полную ладонь монет и подбрасывая их в воздух. Орел и решка — это правая и левая часть коробки, и наоборот. Проделайте этот жест несколько раз и увидите, что молекулы почти всегда равномерно распределяются.

Большие числа превращают вероятность в закон

Если вы увеличите число молекул воздуха, к примеру, до 1026 или выше, вероятность подсказывает, что случайные движения в итоге распределят молекулы «равномерно». Благодаря квантовой механике, случайность становится принципиальной составляющей всего этого. То есть, поскольку есть техническая вероятность того, что все молекулы воздуха внезапно покинут вашу спальню, пока вы спите, за несколько минут, это явно не то, чего стоит бояться ночью.

Растущая энтропия — на самом деле закон, поскольку во Вселенной так много частиц, что вероятность того, что все они спонтанно выстроятся в состояние низкой энтропии, ошеломляюще мала. Этот же тип случайно работает в отношении азартных игр и прогнозирования погоды.

Ну или еще пример. Вам выпадает решка два раза подряд, и вы совсем не удивляетесь этому. Но если кому-то решка выпадает сто раз кряду, это становится подозрительным. Чтобы оценить масштаб такого события, представьте себе: если вы будете подбрасывать монетку 10 раз в секунду, у вас уйдет времени в триллион раз больше нынешнего возраста вселенной, прежде чем вы дождетесь результата. Грубо говоря, в определенный момент система становится настолько большой, что шанс на то, что энтропия будет уменьшаться, не просто мал, но крайне близок к нулю. Поэтому мы называем это «вторым законом».

Креационисты среди вас могут использовать это как доказательство, что сложные вещи (вроде людей или динозавров) никогда не смогли бы сформироваться. В конце концов, вы ведь высоко упорядоченный человек, стоит полагать. Если вы облако газа, примите мои извинения. Но если предположить, что вы человек, нет ничего странного в том, что вы существуете как маленький шанс высокого порядка.

Суть правила в том, что энтропия растет во всей вселенной. Например, если вы сделаете хорошенький холодильник, полный холодного воздуха, вы сделаете это за счет высокой энтропии горячего воздуха. Вот почему кондиционер нуждается в выхлопе, а обогреватель — нет. По этой же причине вы не можете построить вечный двигатель. Часть энергии всегда будет преобразовываться в тепло.

Энтропия непрерывно увеличивается со временем. Вы сидите в горячей ванне в прохладной комнате, чувствуете себя тепло и уютно, но потом события начинают принимать угрожающий поворот: вода в номере по температуре приближается к воздуху, вам становится холодно, вас атакуют мурашки.

То же самое касается будущего Вселенной. С течением времени тепло равномерно распределится во Вселенной. Звезды выгорят, черные дыры испарятся, станет темно и холодно. Бум.

Время и второй закон

Энтропия

Физики постоянно спорят на тему того, работает ли второй закон термодинамики наоборот. Другими словами, определяется ли течение времени увеличением энтропии во Вселенной? Шон Кэрролл написал очень интересную книгу на эту тему. Стивен Хокинг лихо связывал «психологическое время», способ нашего запоминания вещей, с «энтропийным временем». Другими словами, если поток энтропии обратить вспять, время будет течь в обратном направлении.

Одной из причин, почему вообще эти идеи набирают обороты, является загадка наблюдателя. Юная вселенная, судя по всему, находилась в состоянии высокого порядка, но нет никаких фундаментальных причин, почему это должно быть так. Вселенная, созданная сразу после Большого Взрыва, должна была бы находиться в состоянии полного хаоса, но вместо этого она была невероятно упорядоченной. Гравитационная система высокой энтропии свернулась в комки (произведя звезды, галактики и черные дыры), но вселенная была гладкой. Почему?

Другие заходят еще дальше. Эрик Верлинде, например, утверждает, что такие явления, как гравитация, вытекают из второго закона термодинамики (и теории струн). Стоит отметить, что интересных идей много. Многие говорят, что время заставляет энтропию расти, но не энтропия порождает время. Для кого-то энтропия это просто то, что происходит.

Или должно произойти с высокой вероятностью.

#чтиво | Энтропия растет с течением времени или создает его?

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

21 комментарий

  1. Askarko

    Ээээ..

  2. максим

    опять Ильюха с нами травой не поделился.......

  3. idslot

    Google translator?

  4. SanekTrick

    Интересное представление. Мне кажется, что само понятие упорядоченности, порядка, искажено человеческим сознанием. Мы наблюдаем за всем со своей вершины, не думая, что глядя на хаос в системе мы видим очень сложную структуру, которую мы не в силах понять. Простой пример: представим оживлённый перекрёсток двух больших проспектов. На углу перекрёстка сидит кот, которому необходимо пересечь его по диагонали. Как вы думаете, что творится у него в голове, когда он смотрит на организованное человеком движение автомобилей? Если бы кот умел давать названия предметам и явлением, он без сомнения назвал ситуацию происходящую на дороге хаосом.

    • Аноним

      Анархия мать порядка

    • PRO-EVA

      Очень важный момент в "наблюдении". Человек, наблюдая, измеряет, ощущает, воспринимает длительности всех процессов в своём масштабе времени. Поэтому время в микромире мы оцениваем в микро-, нано-, пико- и ещё более мелких секундах, а в макромире - годами и даже световыми годами. Мы наблюдаем, но не понимаем всех причинно следственных связей наблюдаемых процессов. Поэтому - с нашей точки зрения - многие процессы мы воспринимаем как хаос. Но ничего во Вселенной случайного и друг с другом не связанного не существует. Хаоса нет. Есть неопределённость позиции наблюдателя (человека - ортодоксального учёного) и незнание им законов, связывающих многоуровневые, многоиерархические системы и миры. Упорно не замечая, что человек - это не вершина Вселенной, а одна из мыслящих её точек со своим сечением взаимодействия и своим мерилом времени, наука находится в тупике (в который сама себя и загнала).

  5. Sam777

    Илья, благодарю за великолепный иронический стиль статьи, получаешь удовольствие при чтении :)
    По существу - наблюдатель все-таки есть и основная проблема современной физики, что ученые как фанатики (именно фанатики, не желающие посмотреть истине в лицо из-за своих штампов в голове) отстаивают стандартную модель и отрицают наличие создателя у нашей вселенной. По иному проблемы второго закона термодинамики элегантно не решить, а истина всегда проста. И вселенная была упорядочена с самого начала и более того - тепловая смерть вселенной уже была должна наступить (читал ранее об этом, сейчас лень искать) и самое ее существование доказывает наличие внешнего наблюдателя, ну а как его называть решайте сами.

    • PRO-EVA

      Вселенная не только упорядачена с самого начала, но и в каждой точке, в каждом объёме пространства - иерархична. И каждый уровень иерархии подчиняется законам вышестоящего уровня. Поэтому закрытых систем - нет! Законы закрытых систем (например, "научной" термодинамики) ущербны в принципе и ставят лишь барьеры в изучении Мира. Цели и ресурсы для развития любой системы идут Сверху. В процессе достижения этих целей и освоения этих ресурсов сама система усложняется (совершенствуется), увеличиваясь пространственно и энергетически, управляя развитием нижележащих уровней. Дурак, осознавший, что он дурак - уже не дурак. Учёный, осознавший, что он не Высший Разум, а лишь управляемая Его частица - резко прорвётся в познании Вселенной.

      • Sam777

        С итоговым выводом согласен, но внутрення логика Вашего рассуждения мне не понятна. Слишком сложную темы пытаетесь раскрыть в комментариях. Может есть где прочитать подробнее эту теорию, напишите ссылку, если не трудно.

        • PRO-EVA

          Вам знаком двух томник "Законы мироздания или основы существования Божественной Иерархии" под редакцией Секлитовой Л.А. и Стрельниковой Л.Л. (можно заказать на ozon.ru)? А обсудить вопросы и подискуссировать можно по е-почте. Я на: eva47@list.ru. Занимаюсь развитием человека и Вселенной более 30 лет. Системный аналитик.

      • Ванёк

        Дурак, осознавший, что он дурак - уже не дурак. ))) Понравилось!

  6. tonus90

    Что-то ощущение незаконченности возникло после прочтения, а так второй курс института

  7. Archer

    Второй закон термодинамики говорит о ЗАМКНУТЫХ системах. Вселенная, принципиально, не Замкнутая (и возможно, не система). Вселенная -бесконечна. Тут имеет место единство и борьба противоположностей. Порядок естественным образом стремится стать более хаотичным, т.е. стать Хаосом. Но только из Хаоса может возникнуть новый Порядок. Закон таков - Хаос порождает Порядок, а Порядок порождает Хаос.

    • PRO-EVA

      Правильно, 2--й закон термодинамики (науки, а не Вселенной) относится к ЗАКРЫТЫМ (искусственным, НАУЧНЫМ) системам одного ранга. Вселенная - принципиально открытая система, она много ранговая. Поэтому энергия более высокого уровня из вышестоящей системы может влиять, изменять состояние нижестоящей системы, которые будут восприниматься этой системой как чудо. Хаоса во Вселенной нет!! Это не выявленное состояние порядка на относительно коротком отрезке времени. Порядок и хаос - это относительные понятия. Порядок порождает вышестоящая система, а нижестоящая на своём уровне воспринимает это как хаос в своём масштабе времени.

    • Jakobi

      "Вселенная -бесконечна. "

      КОГО ??? В школу ходил? Вселенная -бесконечна, ага, а Земля - плоскаая.
      Еще раз - все конечно - и вселенная и пространство и материя в ней и энергия. Даже "время" конечно. Все конечно. Запомни это.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.