Энтропия как стрела времени
Представьте себе разбросанные в стороны прозрачные осколки, красные пятна на полу и ваше раздражение... Обратите внимание: По словам Стивена Хокинга, внеземные цивилизации и путешествия во времени более вероятны, чем существование Бога. Подпишитесь, чтобы не пропустить новые интересные публикации! Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники. Источник статьи: Энтропия как стрела времени.
... Раздражает мой талант самым глупым образом швырять дорогие вина, разбивать стаканы об пол.
Мы все иногда вмешиваемся в дела, и было бы здорово, если бы мы могли вернуть все это обратно, не так ли? Представьте, например, как осколки битого стекла снова скатываются в элегантный бокал, вино заползает в него бордовыми щупальцами, а раздражение превращается в радость предвкушения. Снимите это на камеру, и вам, конечно, никто не поверит. Скажут: кого ты пытаешься обмануть, ты просто прокрутил видео в другую сторону.
Но почему это выглядит так неестественно? Почему мы не видим семян одуванчика, прикреплённых ветром к сердцевине цветка, и никто никогда не видел, чтобы молоко отделялось от кофе в чашке? Почему мы вообще процесс называем обратным, как бы предполагая, что есть некий истинный, прямой путь, а этот – противоположный. И первое объяснение, которое приходит на ум, — это физика. Это, конечно, невозможно, поскольку некоторые физические законы запрещают некоторым процессам продолжаться в противоположном направлении. На самом деле это было бы очень практичное объяснение; остается только понять, что это за законы. И вот здесь начинаются проблемы.
Попробуем внимательно рассмотреть этот процесс и на примере плавающего в воздухе семени одуванчика понять, в какой момент его движение нарушит законы физики. Недавно оно оторвалось от цветка и теперь дрейфует в воздушных потоках: у него нет цели, только путь - и вообще, этот путь может быть.. каким угодно. Вправо-влево, вверх-вниз, по спирали, не важно. Пока мы наблюдаем за движением всего лишь одного семени, мы не поймем, какова тенденция движений и куда она движется. И вот парадокс: даже если в этот момент он подплывет обратно к цветку, чтобы снова вырасти, мы не увидим в его движениях ничего противоестественного. Это всего лишь семя, подхваченное ветром, просто летящее черт знает куда.
Оказывается, не существует закона, запрещающего зернам одуванчика возвращаться в цветок при порывах ветра, а стеклянным частицам под воздействием каких-то спонтанных возмущений воздуха собираться обратно в емкость. Для каждого семени, кусочка, каждой молекулы действуют одни и те же правила, и физика ничего не говорит нам о невозможности таких движений. И мы, к сожалению, не можем просто отмахнуться от этого и сказать, что законы физики запрещают обратные процессы. Не поэтому мы их не видим.
Но каким-то образом, по мере масштабирования, мы начинаем чувствовать подвох. Давайте посмотрим на ситуацию с несколько более отдаленной точки зрения, и вот уже группа семян, послушно летящая в одну сторону, начинает вызывать подозрения. И если мы не имеем права говорить, что такой процесс невозможен, то у нас есть еще одна замечательная особенность: мы будем просто называть процесс маловероятным. И настолько маловероятно, что практически невозможно, лол))
Что нужно сделать, чтобы вернуть бокалу вина его первоначальное состояние? Нам предстоит повернуть каждый кусочек, каждую каплю и молекулу и направить ее в определенную точку пространства, относительно других молекул. Подумайте, сколько различных конфигураций разбитого стекла существует после падения, как семена одуванчика могут разлететься в воздухе миллионами способов, но их исходное состояние только одно. Именно его особенность и исключительность делают обратные процессы столь маловероятными.
И именно в этом смысл идеи энтропии.
Вообще слово «энтропия» из-за своего абстрактного понятия и заумного звучания сейчас употребляется вскользь и где угодно. Недавно увидел это в рекламе бизнес-курса в версии «энтропия коммерческой организации» (честно говоря, не знаю, что они имели в виду). В физике его очень часто определяют как «меру беспорядка, беспорядка», «меру хаоса» — если хотите.
Энтропия позволяет нам количественно оценить разницу между целым и разбитым стаканом. Первый — это высокоупорядоченная структура, представляющая собой нечто уникальное и конкретное, второй — один из тысяч вариантов случайной конфигурации фрагментов и капель. Тогда энтропия первого, еще целого стекла гораздо ниже, чем у разбитого стекла, а энтропия семени одуванчика на стебле ниже, чем у связки летящих семян в воздухе. Понял, да? Чем более упорядочена система, тем ниже энтропия.
Таким образом, состояния с более высокой энтропией имеют более высокие шансы на существование: если угодно, можно сказать, что процессы с возрастающей энтропией более предпочтительны во внешнем мире, а сама энтропия имеет тенденцию постоянно возрастать. Звучит знакомо? Конечно, это второй закон термодинамики – «в изолированной системе энтропия либо остается неизменной, либо возрастает".
Считать беспорядок нас научил великий Больцман (формула энтропии высечена на его могиле), физик с печальной судьбой, идеи которого не были приняты научным сообществом его времени. Он показал, что второй закон термодинамики о диссипации энергии имеет статистический характер. Это не что иное, как естественная тенденция систем переходить из упорядоченного состояния в неупорядоченное, от низкой энтропии к высокой. И причина трогательно проста: в природе разновидностей хаотических систем гораздо больше, чем упорядоченных, и вероятность хаоса выше, чем порядка.
И это не закон физики, это логика чисел и теория вероятностей, которые делают энтропию фундаментальным определением в физике. Альберт Эйнштейн назвал энтропию и второй закон термодинамики единственными открытиями в устройстве мира, которые никогда не будут опровергнуты. Он считал, что и его теория относительности, и законы Ньютона являются лишь моделями, примерно описывающими мир, которые впоследствии будут дополнены и уточнены. А второй закон термодинамики даже моделью назвать нельзя, потому что он основан на законах чистой математики, поэтому он неразрушим и поэтому, если вы испортите и разобьете стакан, не ждите, пока он прилипнет снова вместе - иди и возьми новый.
Второй закон термодинамики гласит, что по мере движения изолированной системы «вперед» во времени энтропия изолированной системы может увеличиваться, но не уменьшаться. Удивительно, но измерение энтропии — это, по сути, способ отделения прошлого от будущего, который называется термодинамической стрелой времени. И это же утверждение порождает одну из самых популярных неразгаданных загадок физики: почему?... *театральная пауза*
Почему время имеет направление? И чем она так отличается от комнаты, в которой мы можем без особых усилий перемещаться вперед и назад?
Есть еще один вопрос. Двигаясь назад во времени, согласно второму закону термодинамики, мы будем постепенно уменьшать и уменьшать энтропию, пока не достигнем первой чрезвычайно высокоупорядоченной точки с наименьшей энтропией — начала нашей Вселенной. Ну там Большой Взрыв и все такое, по классике. Единственная проблема заключается в том, почему ранняя Вселенная имела такую низкую энтропию? Разбивание стакана можно сравнить с Большим взрывом: если бы мы были в нем крошечной каплей вина, мы с вами застряли бы сейчас где-нибудь среди медленно летящих осколков на пути к полному беспорядку. Но мы знаем, как было изготовлено стекло, как его довели до состояния с такой низкой энтропией. Но то, как Вселенная оказалась в состоянии с низкой энтропией, является еще одной нерешенной проблемой.
Давайте зададим еще пару вопросов для продолжения. Склонность описанных выше систем к переходу от порядка к беспорядку уже в принципе может быть ответом на наш вопрос, почему видео с бокалом вина, подбирающим осколки с пола, будет восприниматься нами как прокатанное по полу противоположное направление. Да, такое событие возможно, просто вероятность настолько мала, что выглядит неестественно с точки зрения жизненного опыта, и мозг скорее воспримет это как подвох. Но почему?
Связь между физическим временем и нашим восприятием его, пожалуй, самый философский вопрос из перечисленных. Я специально несколько раз акцентировал внимание на том, что наш мозг настолько привык к понятиям прошлого и будущего, что некоторые процессы он автоматически воспринимает как прямые, а некоторые — как обратные. Мы замечаем течение времени, просто глядя на разбитое стекло. Кроме того, поскольку время имеет направление, существуют более глубокие концепции, такие как опыт, память (мы не можем помнить будущее, не так ли?) и воля (мы можем влиять на будущее, но не на прошлое).
Является ли настоящее физически отличным от прошлого и будущего, или это просто состояние сознания? И если наше чувство времени — это всего лишь эволюционная адаптация мозга к увеличению энтропии в мире, можем ли мы выйти за рамки этого восприятия и дистанцироваться от него?
Пожалуй, сегодня это один из самых общих нерешенных вопросов физики – энтропия, как стрела времени.
Автор статьи - Александр Грибоедов