Загадочный мир энтропии: судьба против термодинамики?

Пожалуй самой невероятной областью науки можно назвать изучение энтропии. Это ключевой термин в области термодинамики, связанный с беспорядком и хаосом в системе. Суть явления определена вторым законом термодинамики и часто связывается с вопросами о смысле жизни и судьбе.

Главное об энтропии:

• Энтропия — это мера случайности или беспорядка системы.
  
• Значение энтропии зависит от массы системы. Обозначается буквой S и измеряется в джоулях на кельвин.
  
• Энтропия может иметь положительное или отрицательное значение. Согласно второму закону термодинамики энтропия одной системы может уменьшиться только в том случае, если энтропия другой системы увеличится.
  

Попросту говоря, второй закон термодинамики предполагает, что энтропия в закрытой системе всегда возрастает. Любая система в конечном итоге войдет в состояние полного хаоса и разрушения. Однако есть несколько исключений и из этого правила.

Мы все считаем очевидным, что у времени есть направление. Эта истина выражается фундаментальным законом природы, что энтропия замкнутой системы может только увеличиваться или быть постоянной. Но что именно лежит в основе концепции энтропии, и правильно ли на 100%, что энтропия никогда не может уменьшиться?

Животные, растения, люди — все они стареют и в конечном итоге умирают. То же самое верно для звезды, которая рождается из большого газового облака и заканчивает свои дни, сгорая через несколько миллиардов лет. Это все хорошо известно.

В таких предметах, как биология и геология, развитие времени является центральным понятием, независимо от того, идет ли речь о жизненном цикле клетки или индивидуума, создании гор и геологических отложений или эволюции в целом.

Тот факт, что время может идти только в одну сторону, называется необратимостью. И наоборот, обратимый процесс — это процесс, который может идти в обратном направлении. Хотя некоторые процессы обратимы, не может быть никаких сомнений в том, что мир в целом живет по законам необратимости. В противном случае мы бы иногда видели, как мертвые оживают, становятся моложе с течением времени и в конечном итоге рождаются.



В чем же загадка? Она заключается в том, что практически все фундаментальные законы природы в физике обратимы (реверсивны). Это относится к основным уравнениям механики (установленным Ньютоном в 1680-х годах), основным уравнениям электромагнетизма (установленным Максвеллом в 1860-х годах) или квантовой механике, которые были разработаны рядом выдающихся физиков в течение 1920-х годов.

Так, например, когда маятник тикающих часов колеблется назад и вперед, это является реверсивным процессом. Если бы мы записали движение маятника и проиграли эту запись задом наперед, мы бы не заметили разницы. Однако маятник в итоге останавливается из-за трения, и это свидетельствует, что время все же имеет определенное направление.

«Энтропия всегда растет», заявил Эйнштейн, указывая на принцип, который, по его мнению, нельзя отменить. Энтропия — это мера хаоса системы, и она превращает порядок в хаос, что и происходит в таких процессах, как смерть звезд, старение организма и потеря энергии маятника.

Итак, если законы физики реверсивны, почему же все процессы в мире кажутся необратимыми? Развеем одно заблуждение: идея реверсивности законов не означает, что время может идти назад. Может быть, это еще одна тайна вселенной, ожидающая своего Исаака Ньютона или Альберта Эйнштейна, и нас ждут новые открытия, которые раз за разом будут удивлять нас.

Энтропия — это четко определенная величина, которую можно определить с помощью экспериментов, как вес или размер предмета. Если у вас в руке стакан воды, вода имеет определенную энтропию. Когда вода нагревается, энтропия увеличивается. Эти постулаты были фундаментальной частью физики и химии со второй половины 1800-х годов.

Если вы смешаете 1 литр холодной воды с 1 литром горячей воды, вы получите 2 литра теплой воды. Все мы это знаем, но мало кто думает, что энтропия Вселенной тем самым увеличивается и никогда не возвращается к началу. Смешивание воды является необратимым процессом, потому что никто не наблюдал, как 2 литра теплой воды внезапно расщеплялись бы на холодную воду слева и горячую воду справа.

Почему энтропия никогда не может уменьшиться, когда поведение атомов и молекул регулируется естественными законами, где время может идти как назад, так и вперед? Здесь вопрос становится немного философским, потому что полезно различать два разных понятия истины: онтологические истины и прагматические истины.

• Онтологическая истина — это утверждения, которые не могут быть ошибочными. Например, невозможно представить себе мир, где 3*4=13.
  
• Прагматическая истина — это правильное для всех практических целей осознание, например, что вы не выживете, если упадете из самолета на высоте 8 километров.
  

Интересна дискуссия о том, является ли, например, базовое уравнение квантовой механики онтологической или прагматической истиной. Но большинство физиков сходятся во мнении, что парадокс роста энтропии, бросающий вызов обратимости лежащих в его основе законов, обусловлен тем, что этот закон не является онтологической истиной. Иными словами, энтропия вполне может уменьшиться. Это не невозможно в принципе, но крайне маловероятно.

Возьмем другой пример. Воздух состоит в основном из примерно 80% азота (азота) и 20% кислорода (кислорода), оба из которых являются двухатомными молекулами. Если у вас есть контейнер с кислородом и азотом на противоположных концах, разделенный стенкой, которую вы затем удалите, все молекулы перемешаются случайным образом между собой.



В результате энтропия увеличилась, и можно даже подсчитать, насколько она выросла. Дело в том, что на практике вы никогда не увидите, что происходит обратное. В принципе, может случиться так, что ваш следующий вдох втянет в легкие только молекулы азота. В реальности такого никогда не происходит. Это гораздо более маловероятно, чем, например, выигрыш джекпот в лотерее в течение 10 недель подряд.

Большинство физиков согласны с приведенным выше объяснением. Однако очевидно, что эта тема все еще обсуждается. Например, нобелевские лауреаты Илья Пригожин (химия) и Роджер Пенроуз (физика) выразили сомнения в том, является ли это объяснение того, почему мир необратим, полностью всеобъемлющим.

Если мы снова посмотрим на пример смешивания азота и кислорода, он иллюстрирует то, что энтропия является мерой беспорядка. Чем больше беспорядок, тем больше энтропия. Когда вы подбрасываете кусочки головоломки в воздух, должно быть странно, если они приземлятся так, что головоломка будет собрана. Потому что беспорядок гораздо более вероятен, чем порядок. Вот почему энтропия увеличивается с течением времени. Это обычное объяснение, и мы с ним согласны. Тем не менее нужно быть осторожным в определении «беспорядка».

Некоторые ученые предсказывают, что энтропия Вселенной увеличится до такой степени, что случайность создаст систему, неспособную к полезной работе. Когда остается только тепловая энергия, можно сказать, что Вселенная умерла от тепловой смерти.

Однако другие исследователи оспаривают теорию тепловой смерти. Одни из них говорят, что Вселенная как расширяющаяся система все дальше от энтропии, даже если области внутри нее энтропию увеличивают. Другие рассматривают вселенную как часть большей системы. Третьи утверждают, что возможные состояния не имеют равной вероятности, поэтому обычные уравнения для расчета энтропии для Вселенной недействительны.



Энтропия тесно связана с теорией информации и может использоваться в области квантовой физики. Например, исследователи используют энтропийные процессы для изучения процесса информационного обмена в квантовых системах. Она до сих пор остается для многих ученых вместилищем мистической иронии. Большой вопрос — имеет ли увеличение энтропии что-то общее с судьбой и естественным порядком вещей, или все это только случайность? Пока ответ не найден, но одно можно сказать точно: как и судьба, энтропия не раскрывает своих тайн для всех.