Экология познания. Как вы думаете, для чего мы едим? Стандартный и при этом совсем неточный, и даже, скорее, неправильный ответ: мы получаем энергию. А какой же правильный? Сейчас расскажу. Но начнём с энтропии.

Как вы думаете, для чего мы едим? Стандартный и при этом совсем неточный, и даже, скорее, неправильный ответ: мы получаем энергию. А какой же правильный? Сейчас расскажу. Но начнём с энтропии.

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.

Эта величина свидетельствует о том, насколько точным должен был быть замысел Творца: точность составляла примерно одну 1010123–ую! Это поразительная точность. Подобную цифру нельзя даже полностью выписать в обычной десятичной системе исчисления: она представляла бы собой 1 с последующими 10??? нулями! Даже если бы мы были в состоянии записать «0» на каждом протоне и каждом нейтроне во вселенной, а также использовали для этой цели все остальные частицы, наше число, тем не менее, осталось бы недописанным. (Р. Пенроуз. Новый ум короля)

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

Энтропия Вселенной

Энтропия, какой ее знал Эддингтон, касалась Земли, Солнца, Солнечной системы, других звезд, туманностей, света звезд и других объектов, которые могут быть обнаружены. Со времен Эддингтона мы выяснили, что она составляет лишь микроскопическую часть общей энтропии Вселенной.

Первое свидетельство существования великой энтропии, которой никто не ожидал, появилось с открытием Пензиасом и Уилсоном космического микроволнового излучения. Энтропия этого излучения относительно мала в расчете на кубический метр, но оно заполняет все космическое пространство, в отличие от обычной материи. В результате, по нашим оценкам, энтропия этих микроволн в 10 миллионов раз больше, чем энтропия всех звезд и планет, вместе взятых.

Как меняется со временем необъятная энтропия космических микроволн? Поразительно, но никак. По мере расширения Вселенной микроволны заполняют пространство, но теряют энергию. Общий результат в том, что энтропия остается постоянной. Но время движется вперед. Следует ли отсутствие изменения энтропии принимать за аргумент, опровергающий направление стрелы ?

Физики уверены, что Вселенная располагает тремя большими вместилищами энтропии, но ни одно из них до сих пор не обнаружено и его существование не подтверждено. Все они, по существу, лишь теоретические построения. Первое такое вместилище состоит из нейтрино, оставшихся после Большого взрыва. Их так же много, как и фотонов в микроволновом излучении, но они взаимодействуют с веществом еще меньше фотонов. Таких нейтрино насчитывается три вида (электронное, мюонное и тау-нейтрино), и поскольку они не взаимодействуют, их энтропия постоянна и сравнима с энтропией фотонов в микроволнах.

Второй большой источник скрытой энтропии находится в сверхмассивных черных дырах. Энтропия черной дыры была впервые вычислена Яаковом Бекенштейном и Стивеном Хокингом. Большинство теоретиков согласились с их результатами, но экспериментальных подтверждений пока нет. Поскольку работа этих ученых находится на самом краю наших знаний об относительности и квантовой физике, чрезвычайно важно все-таки узнать, окажется она правильной или ошибочной.

Давайте предположим, что рассчитанная по формуле Бекенштейна-Хокинга энтропия сверхмассивных черных дыр полностью подавляет энтропию материи, микроволн и нейтрино во Вселенной. Значит, направление стрелы времени на Земле определяет черная дыра, расположенная в центре нашего Млечного Пути?

Вот вам важный факт об энтропии. Номинально черная дыра находится от нас на расстоянии 14 миллиардов световых лет. Но энтропия тоже глубоко, рядом с поверхностью черной дыры. Если предположить, что она только что сформировалась, то энтропия находится от нас на расстоянии бесконечности. В реальности она будет от нас просто очень далеко, на расстоянии количества лет с начала своего формирования, помноженного на скорость света. В любом случае, эта энтропия в миллиардах световых лет от нас. Как она может на таком расстоянии оказать влияние на наше время?

Может быть и еще один, более огромный источник энтропии. Он расположен в том, что физики называют горизонтом событий , на расстоянии 14 миллиардов световых лет. Эта энтропия быстро увеличивается по мере расширения Вселенной. Но она «убегает» от нас со скоростью света. И она очень далеко.

Помните, что связь между увеличением энтропии и течением времени не установлена. Это всего лишь размышления, основанные на определенной корреляции параметров – то есть на том факте, что оба процесса развиваются. Такой теории нет, в том смысле, как, например, существует общая теория относительности. Может быть, когда-нибудь подобные теории и появятся. Я этого не исключаю, однако с трудом верится, что они покажут, как отдаленные энтропии определяют стрелу времени , или свяжут нас с не изменяющейся (и почти внутренне не взаимодействующей) энтропией микроволнового излучения.

Мы знаем, что корреляция параметров еще не подразумевает наличия причинно-следственной связи между ними. Есть даже латинское выражение, обозначающее эту ошибку в мышлении: cum hoc ergo propter hoc. Буквально значит: «с этим – значит, по причине этого». Это выражение относится к тому ошибочному представлению, что если два явления коррелируют между собой, значит, они причинно связаны, то есть одно оказывается причиной появления второго. Если применить такие логические построения, можно прийти к заключению, например, что сон в обуви вызывает похмелье, рост продаж мороженого ведет к большему количеству утопающих или еще к каким-то столь же абсурдным выводам. Однако именно физики часто не признают, что попадают в эту логическую ловушку, утверждая, что стрела времени определяется энтропией.

Видный философ науки Карл Поппер утверждал: чтобы какая-то теория считалась научной, должна существовать возможность ее опровержения. Объяснение стрелы времени теорией энтропии как раз этому условию не удовлетворяет.

Теории, которые нельзя опровергнуть, включают в себя спиритизм, логические умозаключения, астрологию и связь между стрелой времени и энтропией. Возможно, вы вспомните и о других подобных. Из упомянутых астрология ближе всего к тому, чтобы быть опровергаемой. Описание тонкого эксперимента Шона Карлсона (в котором я выступал как научный консультант и в ходе которого для приобретения астрологических карт использовалась часть моей премии Уотермана) было опубликовано в престижном журнале Nature . Шон проверял фундаментальный постулат астрологии – о том, что точное время рождения человека коррелирует с его личными качествами. Он использовал двойной слепой метод, который приветствовался (до тех пор, пока не появились результаты) самыми уважаемыми астрологами мира. (Да, существует множество таких людей, и большинство из них имеют докторские степени по психологии .) После того как полученные Карлсоном результаты опровергли этот базовый постулат астрологии, ее адепты испытали шок и разочарование (все-таки они относились к своей работе серьезно), но никто от профессии не отказался. Так что с точки зрения ученых астрология может быть опровергнута – но ее мастера проявляют стойкость в отношении своего дискредитированного дела.

Согласно греческому мифу, Антей был богатырем, сохранявшим свою огромную силу только до тех пор, пока какой-нибудь частью тела касался земли. Думаю, это своеобразная метафора по отношению к современному «интеллигентному» фермеру: если он не будет каждый день пачкать руки землей, не получит никакого урожая. Любимым делом Антея было зазывать прохожих на борьбу с собой. Он всегда побеждал соперников, часто убивал и использовал их черепа, чтобы строить храм. В конце концов он вступил в схватку с Геркулесом. Тот уже был близок к поражению, когда вдруг вспомнил, что для сохранения силы Антею необходим контакт с землей. Геркулес поднял Антея над землей и раздавил его руками.

Теоретическая физика должна иметь контакт с землей, настаивая на необходимости проверяемых и опровергаемых экспериментальных результатов. Если бы Эддингтон обнаружил другую величину отклонения луча света возле Солнца во время его затмения, это могло бы показать, что Эйнштейн ошибался. Если бы разогнанные до околосветовых скоростей частицы не имели бы продолжительное время жизни, это опять-таки говорило бы, что Эйнштейн в своей теории был неправ. То же самое произошло бы, если бы для глобальной системы позиционирования (GPS) не пришлось вводить корректировку на замедление времени, которое вызывается одновременно и земной гравитацией, и скоростью спутников.

Да, эйнштейновская теория броуновского движения вскоре после ее опубликования была признана ошибочной. Серия экспериментов опровергла ее. Именно в тот период совершил самоубийство Людвиг Больцман, отец до сих пор оспариваемой статистической физики. Однако дальнейшие экспериментальные исследования показали, что в первых опытах имелись ошибки. Предсказания Эйнштейна подтвердились. На это ушло четыре года.

ЭНТРОПИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Величина, характеризующая степень неупорядоченности и тепловое состояние Вселенной. Количественно оценить полную Э. В. как энтропию Клаузиуса (см. Энтропия )нельзя, поскольку Вселенная не является термодинамич. системой. Действительно, из-за того, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим и неэкранируемым, грави-тац. энергия Вселенной (в той степени, в какой её вообще можно определить) не пропорциональна её объёму. Напр., в ньютоновском приближении гравитац. энергию сферич. массы М с однородной плотностью р можно оценить по ф-ле: U ~-GM 2 V -1/3 = -G r 2 V 5/3 , где G -ньютоновская гравитационная постоянная, V- объём. Полная энергия Вселенной тоже не пропорциональна объёму и потому не есть аддитивная величина. Кроме того, Вселенная, согласно Хаббла закону, расширяется, т. е. нестационарна. Оба эти факта означают, что Вселенная не удовлетворяет исходным аксиомам термодинамики об аддитивности энергии и существовании термодинамич. равновесия. Поэтому Вселенная как целое не характеризуется и к.-л. одной темп-рой. Оценить Э. В. как энтропию Больцмана k ln Г, где k - Больцмана постоянная, Г - число возможных микросостояний системы, также нельзя, поскольку Вселенная не "пробегает" все возможные состояния, а эволюционирует от одного состояния к другому. Иными словами, для всей Вселенной нельзя ввести статистический ансамбль Гиббса (см. в ст. Гиббса распределения), т. к. нельзя пренебречь гравитац. взаимодействием членов такого ансамбля.

Однако во Вселенной можно выделить подсистемы, к к-рым применимо термодинамич. и статистич. описание, и вычислить их энтропию. Такими подсистемами являются, напр., все компактные объекты (звёзды, планеты и др.). Но полная энтропия всех наблюдаемых компактных объектов ничтожна по сравнению с энтропией, содержащейся в тепловом реликтовом микроволновом фоновом излучении с темп-рой T =2,73 К (см. Космология). Плотность его энтропии равна =1,49 . 10 3 см -3 k,

где s - Стефана-Больцмана постоянная, с - скорость света (в этой ф-ле не учитывается гравитац. взаимодействие фотонов реликт. излучения друг с другом и с остальной материей во Вселенной). Плотность числа фотонов связана с плотностью энтропии ф-лой n g = s g k -1 / 3,602. Каждый из сортов безмассовых (или имеющих массу покоя т<< 1 МэВ) нейтрино вносит в плотность Э. В. дополнит. вклад , т. к. в стандартном космологич. сценарии темп-pa безмассовых нейтрино [Альфер (R. Alpher) и Херман (R. Herman), 1953]. Плотность энтропии можно определить и для гравитонов; ожидаемый вклад в Э. В. от реликтовых гравитонов, возникших вблизи сингулярности космологической, также не превосходит s g . Полная энтропия в единице сопутствующего веществу объёма Вселенной [к-рый растёт R 3 (t )с расширением Вселенной, R(t) - масштабный фактор Фридмана - Ро-бертсона-Уокера метрики ], связанная с безмассовыми частицами, мало изменяется, начиная с очень ранних стадий эволюции Вселенной-по крайней мере при t> 1 с после космологич. сингулярности. Иначе говоря, расширение Вселенной идёт практически адиабатически.

Как указано выше, осн. причиной, мешающей строго ввести понятие Э. В., является неограниченность по пространству и нестационарность крупномасштабного гравитац. поля Вселенной. Однако эта часть гравитац. поля весьма упорядочена - Вселенная почти однородна и изотропна в достаточно больших масштабах. Поэтому естественно предположить, что с крупномасштабным гравитац. полем не связано никакой существ. энтропии, как бы мы её ни определяли. Тогда полная плотность энтропии безмассовых частиц во Вселенной s g (~s g) будет близка к плотности Э. В. Соответствующая оценка полной энтропии той части Вселенной, к-рая доступна наблюдению в настоящий момент, есть ~10 90 k, где

Мпк-совр. космологич. горизонт, Н 0 - Хаббла постоянная в км/(с. Мпк) [здесь подразумевается, что R(t )/ 2/3 , ср. плотность вещества во Вселенной равна критич. плотности r с = 3H 2 0 /8pG , а пространственная кривизна равна нулю]. Сравнение этой величины с энтропией чёрной дыры, обладающей такой же массой г, к-рая равна S ч. r g 2 l Pl -2 ~ 10 124 k [r g = 2GM/c 2 - гравитац. радиус невращающейся чёрной дыры, 10 -33 см-планковская длина; см. Квантовая теория гравитации, Чёрные дыры ], показывает, насколько окружающая нас часть Вселенной далека от максимально неупорядоченного состояния. Вероятно, хотя и не доказано, что именно эта неравновесность наблюдаемой Вселенной является причиной справедливости 2-го начала термодинамики для всех замкнутых подсистем в ней.

Э. В. характеризуют также с помощью безразмерной уд. энтропии - энтропии, приходящейся на 1 барион; в част-

ности, , где п b - ср.

плотность числа барионов во Вселенной, W b - ср. плотность барионного вещества во Вселенной в долях критич. плотности r c . Величина , согласно теории космологического нуклеосинтеза, наиб. хорошо соответствует совр. распространённости лёгких хим. элементов Н, D, He 3 , He 4 , Li 7 . Тот факт, что полная удельная Э. В. S yд . >>1, свидетельствует о том, что в прошлом Вселенная была горячей, радиационно-доминированной. Плотность барионов n b ~R -3 (t )вследствие сохранения барионного заряда (разности между числом барионов и антибарио-нов). Однако в настоящее время общеприняты гипотезы, что при очень больших энергиях и плотностях материи барионный заряд не сохраняется и что Вселенная содержала равные кол-ва вещества и антивещества на достаточно ранней стадии своей эволюции, вблизи космологич. сингулярности. Тогда избыток вещества над антивеществом может естественно возникнуть в ходе термодинамически неравновесного расширения Вселенной из-за нарушения СР-инвариантности (см. Барионная асимметрия Вселенной). Если эти гипотезы верны, то полная удельная Э. В. зависит не столько от числителя (s), сколько от знаменателя (n b ), и приближённо выражается через микрофиз. константы взаимодействий, ответственных за генерацию барионной асимметрии.

Существует предположение, что Э. В. как целого можно оценить, используя понятие энтропии Колмогорова-Синая (K -энтропии; см. Энтропия, Эргодическая теория). К- энтропия явл. мерой хаотичности и неустойчивости, она связана со ср. скоростью разбегания близких в нач. момент траекторий. Причём K -энтропия тем больше, чем быстрее разбегаются траектории, т. K -энтропии. Т. о., в рамках этого предположения для Вселенной справедлив закон роста энтропии, хотя она и не является термодинамич. системой и в ходе эволюции становится структурно более сложной.

Энтропия Вселенной и стрела времени во Вселенной. Вопрос об Э. В. тесно связан с проблемой объяснения стрелы времени во Вселенной: необратимой временной эволюции от прошлого к будущему, направленной в одну сторону для всех наблюдаемых подсистем Вселенной. Известно, что законы механики, электродинамики, квантовой механики обратимы во времени. Ур-ния, описывающие эти законы, не изменяются при замене t на -t. В квантовой теории поля имеет место более общая СРT -инвариан-тность (см. Теорема СРТ). Это означает, что любой физ. процесс с элементарными частицами может быть осуществлён как в прямом, так и в обратном направлении времени (с заменой частиц на античастицы и с пространственной инверсией). Поэтому с его помощью нельзя определить стрелу времени. Пока известен единств. физ. закон - 2-е начало термодинамики-к-рый содержит утверждение о необратимой направленности процессов во времени. Он задаёт т.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, М., 1975; Долгов А. Д., Зельдович Я. Б., Сажин М. В., Космология ранней Вселенной, М., 1988.

И. К. Розгачёва, А. А. Старобинский.

"ЭНТРОПИЯ ВСЕЛЕННОЙ" в книгах

Что такое энтропия?

Что такое энтропия? Энтропия – понятие из второго закона термодинамики, согласно которому энергия необратимо рассеивается – от порядка к хаосу.В соответствии с первым законом термодинамики, энергию нельзя уничтожить, однако она может трансформироваться и становиться

Индустриализм и энтропия

автора Кунстлер Джеймс Говард

Индустриализм и энтропия

Из книги Что нас ждет, когда закончится нефть, изменится климат, и разразятся другие катастрофы автора Кунстлер Джеймс Говард

Индустриализм и энтропия Финансовое безумие 1920-х годов стало страстью, подпитываемой нефтью. Повсюду началась лихорадка деловой активности - от освоения земель до производства различных приборов и устройств. С удивительной скоростью распространялись товары массового

Энтропия и синтропия

Из книги Аспектика автора Славинский Живорад

Энтропия и синтропия В отличие от мистического восприятия мира, которое осознает всё, что существует, как единое целое, наука стремится к открытию более элементарных частей целого и объяснению тайны жизни. При таком дроблении внутри большого целого наука обнаруживает

Развитие и возобновление Вселенной. Цикл Вселенной

Из книги Щит научной веры (сборник) автора Циолковский Константин Эдуардович

Развитие и возобновление Вселенной. Цикл Вселенной Бесконечность пространства, равные расстояния между материальными, равными и вначале неподвижными точками, их взаимное притяжение – вот начальная картина Вселенной, или, вернее сказать, простейшая картина Вселенной.

Что такое энтропия?

Из книги Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики] автора Пенроуз Роджер

Что такое энтропия? Каково же точное определение энтропии физической системы? Мы уже знаем, что это некая мера явного беспорядка - но что означают такие не очень строгие понятия, как «явный» и «беспорядок»? Может возникнуть мысль, что энтропия - это величина, вообще не

Энтропия (Entropie)

Из книги Философский словарь автора Конт-Спонвиль Андре

Энтропия (Entropie) Свойство состояния изолированной (или принимаемой за таковую) физической системы, характеризуемое количеством самопроизвольного изменения, на которое она способна. Энтропия системы достигает максимума, когда она полностью утрачивает способность к

2.1. Энтропия черных дыр

Из книги Черные дыры и структура пространства-времени [лекция] автора Малдасена Хуан

Энтропия и развитие вселенной

Из книги Движение. Теплота автора

Энтропия и развитие вселенной Реки текут вниз, камни скатываются с горы, движение останавливается из-за трения – прекращаются все относительные движения. Горячие тела остывают, а холодные нагреваются – температуры всех тел мира выравниваются. Таков неотвратимый ход

Что такое энтропия?

Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий Павлович

Что такое энтропия? Энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение) – это функция состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической

Удельная энтропия

Из книги Универсальный энциклопедический справочник автора Исаева Е. Л.

Удельная энтропия Калория на грамм-кельвин (4,1868 кДж/(кг ‘ К))Килокалория на килограмм-кельвин (4,1868 кДж/(кг ‘

Энтропия

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ЭН) автора БСЭ

ЭНТРОПИЯ

Из книги Новейший философский словарь автора Грицанов Александр Алексеевич

ЭНТРОПИЯ (греч en - в, tropia - поворот, превращение) - понятие классической физики (введено в науку Р. Клаузиусом в 19 в.), посредством которого, в частности, описывалось действие второго начала термодинамики: в замкнутой системе, находящейся в стационарных условиях, либо в

Энтропия

Из книги Невероятно - не факт автора Китайгородский Александр Исаакович

Энтропия Внесем небольшое терминологическое изменение в закон о максимальной вероятности равновесного состояния.Очень часто в физике величины, которые меняются в больших пределах, заменяют их логарифмами.Напомним, что такое логарифм. Когда я пишу о науке для так

Урок 36. Энтропия

Из книги Уроки атеизма автора Невзоров Александр Глебович

Урок 36. Энтропия Советую вам провести любопытный эксперимент. Он несложен и доступен абсолютно каждому. Достаточно спросить любого так называемого верующего православного, почему их главный праздник называется Пасхой и что на самом деле это слово обозначает? И вообще,

ЭНТРОПИЯ ВСЕЛЕННОЙ

ЭНТРОПИЯ ВСЕЛЕННОЙ

Величина, характеризующая степень неупорядоченности и тепловое состояние Вселенной. Количественно оценить полную Э. В. как энтропию Клаузиуса (см. Энтропия )нельзя, поскольку Вселенная не является термодинамич. системой. Действительно, из-за того, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим и неэкранируемым, грави-тац. Вселенной (в той степени, в какой её вообще можно определить) не пропорциональна её объёму. Напр., в ньютоновском приближении гравитац. энергию сферич. массы М с однородной плотностью р можно оценить по ф-ле: U ~-GM 2 V -1/3 = -G r 2 V 5/3 , где G -ньютоновская гравитационная постоянная, V- объём. Полная энергия Вселенной тоже не пропорциональна объёму и потому не есть аддитивная величина. Кроме того, Вселенная, согласно Хаббла закону, расширяется, т. е. нестационарна. Оба эти факта означают, что Вселенная не удовлетворяет исходным аксиомам термодинамики об аддитивности энергии и существовании термодинамич. равновесия. Поэтому Вселенная как целое не характеризуется и к.-л. одной темп-рой. Оценить Э. В. как энтропию Больцмана k ln Г, где k - Больцмана постоянная, Г - число возможных микросостояний системы, также нельзя, поскольку Вселенная не "пробегает" все возможные , а эволюционирует от одного состояния к другому. Иными словами, для всей Вселенной нельзя ввести Гиббса (см. в ст. Гиббса распределения), т. к. нельзя пренебречь гравитац. взаимодействием членов такого ансамбля.

Однако во Вселенной можно выделить подсистемы, к к-рым применимо термодинамич. и статистич. описание, и вычислить их энтропию. Такими подсистемами являются, напр., все компактные объекты ( , планеты и др.). Но полная всех наблюдаемых компактных объектов ничтожна по сравнению с энтропией, содержащейся в тепловом реликтовом микроволновом фоновом излучении с темп-рой T =2,73 К (см. Космология). Плотность его энтропии равна =1,49 . 10 3 см -3 k,

где s - Стефана-Больцмана постоянная, с - скорость света (в этой ф-ле не учитывается гравитац. фотонов реликт. излучения друг с другом и с остальной материей во Вселенной). Плотность числа фотонов связана с плотностью энтропии ф-лой n g = s g k -1 / 3,602. Каждый из сортов безмассовых (или имеющих массу покоя т<< 1 МэВ) вносит в Э. В. дополнит. вклад , т. к. в стандартном космологич. сценарии темп-pa безмассовых нейтрино [Альфер (R. Alpher) и Херман (R. Herman), 1953]. Плотность энтропии можно определить и для гравитонов; ожидаемый вклад в Э. В. от реликтовых гравитонов, возникших вблизи сингулярности космологической, также не превосходит s g . Полная энтропия в единице сопутствующего веществу объёма Вселенной [к-рый растёт R 3 (t )с расширением Вселенной, R(t) - масштабный фактор Фридмана - Ро-бертсона-Уокера метрики ], связанная с безмассовыми частицами, мало изменяется, начиная с очень ранних стадий эволюции Вселенной-по крайней мере при t> 1 с после космологич. сингулярности. Иначе говоря, расширение Вселенной идёт практически адиабатически.

Как указано выше, осн. причиной, мешающей строго ввести понятие Э. В., является неограниченность по пространству и нестационарность крупномасштабного гравитац. поля Вселенной. Однако эта часть гравитац. поля весьма упорядочена - Вселенная почти однородна и изотропна в достаточно больших масштабах. Поэтому естественно предположить, что с крупномасштабным гравитац. полем не связано никакой существ. энтропии, как бы мы её ни определяли. Тогда полная плотность энтропии безмассовых частиц во Вселенной s g (~s g) будет близка к плотности Э. В. Соответствующая оценка полной энтропии той части Вселенной, к-рая доступна наблюдению в настоящий момент, есть ~10 90 k, где

Мпк-совр. космологич. горизонт, Н 0 - Хаббла постоянная в км/(с. Мпк) [здесь подразумевается, что R(t )/ 2/3 , ср. плотность вещества во Вселенной равна критич. плотности r с = 3H 2 0 /8pG , а пространственная равна нулю]. Сравнение этой величины с энтропией чёрной дыры, обладающей такой же массой г, к-рая равна S ч. r g 2 l Pl -2 ~ 10 124 k [r g = 2GM/c 2 - гравитац. радиус невращающейся чёрной дыры, 10 -33 см-планковская длина; см. Квантовая теория гравитации, Чёрные дыры ], показывает, насколько окружающая нас часть Вселенной далека от максимально неупорядоченного состояния. Вероятно, хотя и не доказано, что именно эта неравновесность наблюдаемой Вселенной является причиной справедливости 2-го начала термодинамики для всех замкнутых подсистем в ней.

Э. В. характеризуют также с помощью безразмерной уд. энтропии - энтропии, приходящейся на 1 барион; в част-

ности, , где п b - ср.

плотность числа барионов во Вселенной, W b - ср. плотность барионного вещества во Вселенной в долях критич. плотности r c . Величина , согласно теории космологического нуклеосинтеза, наиб. хорошо соответствует совр. распространённости лёгких хим. элементов Н, D, He 3 , He 4 , Li 7 . Тот факт, что полная удельная Э. В. S yд . >>1, свидетельствует о том, что в прошлом Вселенная была горячей, радиационно-доминированной. Плотность барионов n b ~R -3 (t )вследствие сохранения барионного заряда (разности между числом барионов и антибарио-нов). Однако в настоящее общеприняты гипотезы, что при очень больших энергиях и плотностях материи не сохраняется и что Вселенная содержала равные кол-ва вещества и антивещества на достаточно ранней стадии своей эволюции, вблизи космологич. сингулярности. Тогда избыток вещества над антивеществом может естественно возникнуть в ходе термодинамически неравновесного расширения Вселенной из-за нарушения СР-инвариантности (см. Барионная асимметрия Вселенной). Если эти гипотезы верны, то полная удельная Э. В. зависит не столько от числителя (s), сколько от знаменателя (n b ), и приближённо выражается через микрофиз. константы взаимодействий, ответственных за генерацию барионной асимметрии.

Существует предположение, что Э. В. как целого можно оценить, используя понятие энтропии Колмогорова-Синая (K -энтропии; см. Энтропия, Эргодическая теория). К- энтропия явл. мерой хаотичности и неустойчивости, она связана со ср. скоростью разбегания близких в нач. момент траекторий. Причём K -энтропия тем больше, чем быстрее разбегаются траектории, т. распределение вещества гравитационно неустойчиво; развитие неустойчивости приводит к образованию отд. сгустков. При гравитац. сжатии сгустка гравитац. энергия вещества переходит в тепловую энергию движения частиц. Поэтому образование звёзд и галактик из равномерно распределённого вещества сопровождается ростом K -энтропии. Т. о., в рамках этого предположения для Вселенной справедлив закон роста энтропии, хотя она и не является термодинамич. системой и в ходе эволюции становится структурно более сложной.

Энтропия Вселенной и стрела времени во Вселенной. Вопрос об Э. В. тесно связан с проблемой объяснения стрелы времени во Вселенной: необратимой временной эволюции от прошлого к будущему, направленной в одну сторону для всех наблюдаемых подсистем Вселенной. Известно, что законы механики, электродинамики, квантовой механики обратимы во времени. Ур-ния, описывающие эти законы, не изменяются при замене t на -t. В квантовой теории поля имеет место более общая СРT -инвариан-тность (см. Теорема СРТ). Это означает, что любой физ. процесс с элементарными частицами может быть осуществлён как в прямом, так и в обратном направлении времени (с заменой частиц на и с пространственной инверсией). Поэтому с его помощью нельзя определить стрелу времени. Пока известен единств. физ. закон - 2-е начало термодинамики-к-рый содержит утверждение о необратимой направленности процессов во времени. Он задаёт т. запаздывающие потенциалы эл.-магн. поля), а космологич. стрела времени задана расширением Вселенной. Не все эти стрелы времени эквивалентны: если термодинамич. и электродинамич. стрелы считаются совпадающими (хотя строгого доказательства этого нет), то , стрела не связана с ними к.-л. локальным причинным взаимодействием. В частности, нет оснований ожидать, что если какая-то часть Вселенной из-за гравитац. неустойчивости перестанет расширяться и начнёт сжиматься, то в ней изменят своё направление электродинамич. и термодинамич. стрелы времени. Однако вопрос о взаимообусловленности этих стрел времени и их связи с психологич. стрелой времени (ощущением каждым человеком необратимого течения времени от прошлого через настоящее в будущее) остаётся в значит. степени открытым.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, М., 1975; Долгов А. Д., Зельдович Я. Б., Сажин М. В., Космология ранней Вселенной, М., 1988.

И. К. Розгачёва, А. А. Старобинский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. - М.: Советская энциклопедия . Главный редактор А. М. Прохоров . 1988 .

Смотреть что такое "ЭНТРОПИЯ ВСЕЛЕННОЙ" в других словарях:

- (от греч. entropia – поворот, превращение) часть внутренней энергии замкнутой системы или энергетической совокупности Вселенной, которая не может быть использована, в частности не может перейти или быть преобразована в механическую работу. Точное … Философская энциклопедия

ЭНТРОПИЯ - ЭНТРОПИЯ, понятие, вводимое в термодинамике и являющееся как бы мерой необратимости процесса, мерой перехода энергии в такую форму, из к рой она не может самопроизвольно перейти в другие формы. Все мыслимые процессы, протекающие в любой системе,… … Большая медицинская энциклопедия

ЭНТРОПИЯ, показатель случайности или неупорядоченности строения физической системы. В ТЕРМОДИНАМИКЕ энтропия выражает количество тепловой энергии, пригодной для совершения работы: чем энергии меньше, тем выше энтропия. В масштабах Вселенной… … Научно-технический энциклопедический словарь

- [англ. entropy Словарь иностранных слов русского языка

Энтропия - Энтропия ? Entropie Свойство состояния изолированной (или принимаемой за таковую) физической системы, характеризуемое количеством самопроизвольного изменения, на которое она способна. Энтропия системы достигает максимума, когда она полностью … Философский словарь Спонвиля

- (греч en в, tropia поворот, превращение) понятие классической физики (введено в науку Р. Клаузиусом в 19 в.), посредством которого, в частности, описывалось действие второго начала термодинамики: в замкнутой системе, находящейся в стационарных… … Новейший философский словарь

- [en (эн) в; tropi (sропэ) превращение] одно из наиболее абстрактных научных понятий, имеющее фундаментальное значение. 1. В классической термодинамике Э это понятие, введенное Клаузисом в середине XIX в. и… … Геологическая энциклопедия

энтропия - и, ж. entropie f., нем. Entropie <гр. en в, внутрь + trope поворот, превращение. 1. Физическая величина, характеризующая тепловое состояние тела или системы тел и возможные изменения этих состояний. Вычисление энтропии. БАС 1. ||… … Исторический словарь галлицизмов русского языка

энтропия - ЭНТРОПИЯ (от греч. in в и trope поворот, превращение) понятие классической термодинамики, введенное Р. Клаузиусом. С его помощью формулируется один из ее основных законов, утверждающий, что Э. в замкнутой системе не может убывать. Когда Э … Энциклопедия эпистемологии и философии науки

«Все процессы в мире происходят с увеличением энтропии» - эта расхожая формулировка превратила энтропию из научного термина в какое-то непреложное свидетельство обреченной борьбы человека с окружающим его беспорядком. Но что в оригинале скрывается за этой физической величиной? И как можно посчитать энтропию? «Теории и практики» попытались разобраться в этом вопросе и найти спасение от надвигающегося распада.

Термодинамика и «тепловая смерть»

Впервые термин «энтропия» в 1865 году ввел немецкий физик Рудольф Клаузиус. Тогда он имел узкое значение и использовался в качестве одной из величин для описания состояния термодинамических систем - то есть, физических систем, состоящих из большого количества частиц и способных обмениваться энергией и веществом с окружающей средой. Проблема заключалась в том, что до конца сформулировать, что именно характеризует энтропия, ученый не смог. К тому же, по предложенной им формуле можно было определить только изменение энтропии, а не ее абсолютное значение.

Упрощенно эту формулу можно записать как dS = dQ/T. Это означает, что разница в энтропии двух состояний термодинамической системы (dS) равна отношению количества тепла, затраченного на то, чтобы изменить первоначальное состояние (dQ), к температуре, при которой проходит изменение состояния (T). Например, чтобы растопить лед, нам требуется отдать ему некоторое количество тепла. Чтобы узнать, как изменилась энтропия в процессе таяния, нам нужно будет поделить это количество тепла (оно будет зависеть от массы льда) на температуру плавления (0 градусов по Цельсию = 273, 15 градусов по Кельвину. Отсчет идет от абсолютного нуля по Кельвину (- 273° С), поскольку при этой температуре энтропия любого вещества равна нулю). Так как обе величины положительны, при подсчете мы увидим, что энтропии стало больше. А если провести обратную операцию - заморозить воду (то есть, забрать у нее тепло), величина dQ будет отрицательной, а значит, и энтропии станет меньше.

Примерно в одно время с этой формулой появилась и формулировка второго закона термодинамики: «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться». Выглядит похоже на популярную фразу, упомянутую в начале текста, но с двумя важными отличиями. Во-первых, вместо абстрактного «мира» используется понятие «изолированная система». Изолированной считается та система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Во-вторых, категорическое «увеличение» меняется на осторожное «не убывает» (для обратимых процессов в изолированной системе энтропия сохраняется неизменной, а для необратимых - возрастает).

За этими скучноватыми нюансами скрывается главное: второй закон термодинамики нельзя без оглядки применять ко всем явлениям и процессам нашего мира. Хороший тому пример привел сам Клаузиус: он считал, что энтропия Вселенной постоянно растет, а потому когда-нибудь неизбежно достигнет своего максимума - «тепловой смерти». Этакой физической нирваны, в которой не протекают уже никакие процессы. Клаузиус придерживался этой пессимистической гипотезы до самой смерти в 1888 году - на тот момент научные данные не позволяли ее опровергнуть. Но в 1920-х гг. американский астроном Эдвин Хаббл доказал, что Вселенная расширяется, а значит, ее

сложно назвать изолированной термодинамической системой. Поэтому современные физики к мрачным прогнозам Клаузиуса относятся вполне спокойно.

Энтропия как мера хаоса

Поскольку Клаузиус так и не смог сформулировать физический смысл энтропии, она оставалась абстрактным понятием до 1872 года - пока австрийский физик Людвиг Больцман не вывел новую формулу, позволяющий рассчитывать ее абсолютное значение. Она выглядит как S = k * ln W (где, S - энтропия, k - константа Больцмана, имеющая неизменное значение, W - статистический вес состояния). Благодаря этой формуле энтропия стала пониматься как мера упорядоченности системы.

Как это получилось? Статистический вес состояния - это число способов, которыми можно его реализовать. Представьте рабочий стол своего компьютера. Сколькими способами на нем можно навести относительный порядок? А полный беспорядок? Получается, что статистический вес «хаотичных» состояний гораздо больше, а, значит больше и их энтропия. Посмотреть подробный пример и рассчитать энтропию собственного рабочего стола можно .

В этом контексте новый смысл приобретает второй закон термодинамики: теперь процессы не могут самопроизвольно протекать в сторону увеличения порядка. Но и тут не стоит забывать про ограничения закона.

Иначе человечество уже давно было бы в рабстве у одноразовой посуды. Ведь каждый раз, когда мы моем тарелку или кружку, нам на помощь приходит простейшая самоорганизация. В составе всех моющих средств есть поверхно-активные вещества (ПАВ). Их молекулы составлены из двух частей: первая по своей природе стремится к контакту с водой, а другая его избегает.

При попадании в воду молекулы «Фэйри» самопроизвольно собираются в «шарики», которые обволакивают частички жира или грязи (внешняя поверхность шарика это те самые склонные к контакту с водой части ПАВ, а внутренняя, наросшая вокруг ядра из частички грязи - это части, которые контакта с водой избегают). Казалось бы, этот простой пример противоречит второму закону термодинамики. Бульон из разнообразных молекул самопроизвольно перешел в некое более упорядоченное состояние с меньшей энтропией. Разгадка снова проста: систему «Вода-грязная посуда после вечеринки», в которую посторонняя рука капнула моющего средства, сложно считать изолированной.

Черные дыры и живые существа

Со времен появления формулы Больцмана термин «энтропия» проник практически во

все области науки и оброс новыми парадоксами. Возьмем, к примеру астрофизику и пару «черная дыра - падающее в нее тело». Ее вполне можно считать изолированной системой, а значит, ее энтропия такой системы должна сохраняться. Но она бесследно исчезает в черной дыре - ведь оттуда не вырваться ни материи, ни излучению. Что же происходит с ней внутри черной дыры?

Некоторые специалисты теории струн утверждают, что эта энтропия превращается в энтропию черной дыры, которая представляет собой единую структуру, связанную из многих квантовых струн (это гипотетические физические объекты, крошечные многомерные структуры, колебания которых порождают все элементарные частицы, поля и прочую привычную физику). Впрочем, другие ученые предлагают менее экстравагантный ответ: пропавшая информация, все-таки возвращается в мир вместе с излучением, исходящим от черных дыр.

Еще один парадокс, идущий вразрез со вторым началом термодинамики - это существование и функционирование живых существ. Ведь даже живая клетка со всеми ее биослоями мембран, молекулами ДНК и уникальными белками - это высокоупорядоченная структура, не говоря уже о целом организме. За счет чего существует система с такой низкой энтропией?

Этим вопросом в своей книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» задался знаменитый Эрвин Шредингер, создатель того самого мысленного эксперимента с котом: «Живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющему собой смерть. Он может избежать этого состояния, то есть оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей его среды отрицательную энтропию. Отрицательная энтропия - это то, чем организм питается».

Точнее организм питается углеводами, белками и жирами. Высокоупорядоченными, часто длинными молекулами со сравнительно низкой энтропией. А взамен выделяет в окружающую среду уже гораздо более простые вещества с большей энтропией. Вот такое вечное противостояние с хаосом мира.