“Svi procesi u svijetu odvijaju se s povećanjem entropije” - ova uobičajena formulacija pretvorila je entropiju iz znanstvenog pojma u neku vrstu neospornog dokaza čovjekove osuđene borbe s poremećajem koji ga okružuje. Ali šta se krije iza ove fizičke veličine u originalu? I kako možete izračunati entropiju? “Teorije i prakse” pokušale su da razumiju ovo pitanje i pronađu spas od nadolazećeg kolapsa.
Termodinamika i "toplotna smrt"
Termin "entropija" je prvi put uveo njemački fizičar Rudolf Clausius 1865. godine. Tada je imao usko značenje i koristio se kao jedna od veličina za opisivanje stanja termodinamičkih sistema – odnosno fizičkih sistema koji se sastoje od velikog broja čestica i sposobnih da razmjenjuju energiju i materiju sa okolinom. Problem je bio u tome što naučnik nije bio u stanju da u potpunosti formuliše šta tačno entropija karakteriše. Osim toga, koristeći formulu koju je predložio, bilo je moguće odrediti samo promjenu entropije, a ne njenu apsolutnu vrijednost.
Pojednostavljeno, ova formula se može napisati kao dS = dQ/T. To znači da je razlika u entropiji dva stanja termodinamičkog sistema (dS) jednaka omjeru količine topline utrošene za promjenu početnog stanja (dQ) i temperature na kojoj se promjena stanja odvija (T) . Na primjer, da bismo otopili led, moramo mu dati malo topline. Da bismo saznali kako se entropija mijenjala tokom procesa topljenja, morat ćemo podijeliti ovu količinu topline (zavisit će od mase leda) sa temperaturom topljenja (0 stepeni Celzijusa = 273,15 stepeni Kelvina. Odbrojavanje je od apsolutnog nula Kelvina (- 273 ° C), jer je na ovoj temperaturi entropija bilo koje supstance nula). Pošto su obje veličine pozitivne, pri računanju ćemo vidjeti da je entropija porasla. A ako izvršite obrnutu operaciju - zamrznite vodu (odnosno, oduzmite joj toplinu), vrijednost dQ će biti negativna, što znači da će entropija postati manja.
Otprilike u isto vrijeme sa ovom formulom, pojavila se formulacija drugog zakona termodinamike: "Entropija izolovanog sistema ne može se smanjiti." Izgleda slično popularnoj frazi spomenutoj na početku teksta, ali s dvije bitne razlike. Prvo, umjesto apstraktnog “svijeta” koristi se koncept “izolovanog sistema”. Izolovani sistem je onaj koji ne razmenjuje ni materiju ni energiju sa okolinom. Drugo, kategorički "povećanje" se menja u oprezno "ne smanjuje" (za reverzibilne procese u izolovanom sistemu, entropija ostaje nepromenjena, ali za ireverzibilne procese raste).
Iza ovih dosadnih nijansi krije se glavna stvar: drugi zakon termodinamike ne može se bez opreza primijeniti na sve pojave i procese našeg svijeta. Dobar primjer za to dao je i sam Clausius: vjerovao je da entropija svemira stalno raste, pa će stoga jednog dana neizbježno dostići svoj maksimum - "toplotnu smrt". Neka vrsta fizičke nirvane, u kojoj se ne odvijaju nikakvi procesi. Clausius se držao ove pesimističke hipoteze sve do svoje smrti 1888. godine - u to vrijeme naučni podaci nisu dozvoljavali da se ona opovrgne. Ali 1920-ih. Američki astronom Edwin Hubble dokazao je da se svemir širi, što znači da se širi
teško se može nazvati izolovanim termodinamičkim sistemom. Stoga moderni fizičari prilično mirno prihvataju sumorne Klauzijeve prognoze.
Entropija kao mjera haosa
Pošto Klauzijus nikada nije bio u stanju da formuliše fizičko značenje entropije, on je ostao apstraktan koncept sve do 1872. godine – sve dok austrijski fizičar Ludwig Boltzmann nije razvio novu formulu koja omogućava da se izračuna njena apsolutna vrednost. Izgleda kao S = k * ln W (gdje je S entropija, k je Boltzmanova konstanta, koja ima konstantnu vrijednost, W je statistička težina stanja). Zahvaljujući ovoj formuli, entropija je počela da se shvata kao mera uređenosti sistema.
Kako se to dogodilo? Statistička težina stanja je broj načina na koje se ono može ostvariti. Zamislite radnu površinu vašeg računara. Na koliko načina se može dovesti u relativni red? Šta je sa potpunim haosom? Ispostavilo se da je statistička težina „haotičnih“ stanja mnogo veća, a samim tim i njihova entropija. Možete pogledati detaljan primjer i izračunati entropiju svoje radne površine.
U tom kontekstu, drugi zakon termodinamike dobija novo značenje: sada procesi ne mogu spontano da se odvijaju u pravcu sve većeg reda. Ali ni tu ne treba zaboraviti na ograničenja zakona.
U suprotnom, čovječanstvo bi dugo bilo u ropstvu posuđa za jednokratnu upotrebu. Uostalom, svaki put kada peremo tanjir ili šolju, u pomoć nam priskače najjednostavnija samoorganizacija. Svi deterdženti sadrže surfaktante (tenzide). Njihovi molekuli se sastoje od dva dijela: prvi po prirodi teži da kontaktira vodu, a drugi to izbjegava.
Kada uđu u vodu, vilinske molekule se spontano skupljaju u „loptice“ koje obavijaju čestice masti ili prljavštine (spoljna površina kuglice je deo surfaktanta koji je sklon kontaktu sa vodom, a unutrašnja površina koja je narasla oko jezgra od čestica prljavštine je dio koji izbjegava kontakt s vodom). Čini se da je ovaj jednostavan primjer u suprotnosti s drugim zakonom termodinamike. Bujon različitih molekula spontano je prešao u uređenije stanje sa manje entropije. Rješenje je opet jednostavno: sistem „Prljavo suđe nakon žurke od vode“, u koji je vanjska ruka ispustila deterdžent, teško se može smatrati izolovanim.
Crne rupe i živa bića
Od pojave Boltzmannove formule, termin "entropija" je prodro skoro u
svim oblastima nauke i stekli nove paradokse. Uzmimo, na primjer, astrofiziku i par "crna rupa - tijelo koje pada u nju". Može se smatrati izolovanim sistemom, što znači da njegova entropija takvog sistema treba biti očuvana. Ali nestaje bez traga u crnoj rupi - jer ni materija ni zračenje ne mogu pobjeći odatle. Šta se s njim događa unutar crne rupe?
Neki teoretičari struna tvrde da se ova entropija pretvara u entropiju crne rupe, koja je jedna struktura povezana iz mnogih kvantnih struna (to su hipotetički fizički objekti, sićušne višedimenzionalne strukture, čije vibracije stvaraju sve elementarne čestice, polja i druga poznata fizika). Međutim, drugi naučnici nude manje ekstravagantan odgovor: informacije koje nedostaju i dalje se vraćaju u svijet zajedno sa zračenjem koje izlazi iz crnih rupa.
Još jedan paradoks koji je u suprotnosti sa drugim zakonom termodinamike jeste postojanje i funkcionisanje živih bića. Uostalom, čak i živa ćelija sa svim svojim bioslojevima membrana, molekulima DNK i jedinstvenim proteinima je visoko uređena struktura, a da ne spominjemo cijeli organizam. Zašto postoji sistem sa tako malom entropijom?
Ovo pitanje postavio je slavni Erwin Schrödinger, tvorac upravo tog misaonog eksperimenta s mačkom, u svojoj knjizi „Šta je život sa stanovišta fizike“: „Živi organizam kontinuirano povećava svoju entropiju, ili, u drugom riječi, proizvodi pozitivnu entropiju i tako se približava opasnom stanju maksimalne entropije, koje predstavlja smrt. On može izbjeći ovo stanje, odnosno ostati živ, samo stalnim izdvajanjem negativne entropije iz svog okruženja. Negativna entropija je ono čime se tijelo hrani.”
Tačnije, tijelo se hrani ugljikohidratima, proteinima i mastima. Visoko uređeni, često dugi molekuli sa relativno niskom entropijom. A zauzvrat ispušta u okolinu mnogo jednostavnije supstance sa većom entropijom. Ovo je vječna konfrontacija sa svjetskim haosom.
Kad sam bio student prve godine na Moskovskom visokom tehničkom univerzitetu. Baumane, na časovima hemije su nam govorili o entropiji. Bio je to šok! Prvi put u životu u jednoj prirodno-naučnoj vrijednosti vidio sam ne toliko naučno, koliko filozofsko, pa čak i etičko značenje.
Entropija je mjera uređenosti sistema. Ona se sama po sebi ne može izmjeriti, može se procijeniti samo njeno povećanje ili smanjenje. Na primjer, olovke u kutiji imaju manju entropiju od olovaka razbacanih po stolu. Komad krede ima manju entropiju od istog komada zdrobljenog u prašinu. Knjiga sa tekstom ima manju entropiju od iste količine praznog papira. Rešena Rubikova kocka ima manju entropiju od rastavljene.
Najzanimljivija stvar kod entropije je (neću se pridržavati stroge fizike radi jednostavnosti objašnjenja) da ona u našem svijetu stalno raste. Univerzum se širi, rasipajući svoju toplotu, ovaj proces je nepovratan, dovodi do povećanja entropije i, u krajnjoj liniji, do toplotne smrti Univerzuma. Ako se stvari nastave kao sada, ovaj svijet će jednog dana biti potpuno uništen. Evo. Tužan.
Ali ovom procesu se može nečim suprotstaviti. Kada drvo raste, ono organizira materiju i smanjuje entropiju. Kada osoba napiše knjigu, smanjuje entropiju. Kada mnogi ljudi grade grad ili žive po zakonu, oni smanjuju entropiju. Svaka organizaciona aktivnost smanjuje entropiju i, kao rezultat, opire se uništenju svijeta. Rekao bih više: svjesno organiziranje, kreativna aktivnost smanjuje entropiju. Dobro organizirano razmišljanje smanjuje entropiju. Dakle, imamo nešto da se suprotstavimo termalnoj smrti Univerzuma. Ovo govorim sasvim ozbiljno, shvaćajući da nismo jedina stvorenja na ovom svijetu koja mogu razmišljati i svjesno stvarati.
Kada sam to shvatio, počeo sam da se pridržavam pravila smanjenja entropije. Ovo pravilo ne postoji u fizici ili hemiji, ono je čisto etičke prirode. Njegova suština je da kao rezultat vaše aktivnosti, entropija treba da se smanji. Ili, drugim riječima, ne biste trebali povećavati entropiju svijeta u kojem živite. Ovo jednostavno pravilo ima sljedeće aspekte:
- dati više svijetu nego uzeti od njega
- ostavi za sobom veći red nego što je bio prije tebe
- nikada nemojte držati um praznim, neaktivnim (prazan um povećava entropiju)
- pokušajte da završite započete projekte
- pokušajte što manje zahtijevati od drugih, a više od sebe
- da nema dugova bilo koje vrste
- pokušajte ukloniti sve nerede na koje naiđete
- itd. - možete nastaviti dugo vremena
Odmah ću reći da ni sam nisam uvijek u stanju slijediti ovo pravilo. Ali pokušavam.
Ovo je tekst koji definiše za mene. Određivanje načina na koji razumijem jedno od glavnih pitanja univerzuma. Čak dva.
Prvo pitanje: Po čemu se živi razlikuju od mrtvih?
Da bih razlikovao živo od mrtvog, koristim drugi zakon termodinamike. Prema kojoj se u zatvorenom sistemu (nema razmene energije i materije duž granice sistema) entropija (mera haosa, nereda, nasumičnih i jednolikih mešanja) ne smanjuje s vremenom. Ostaje nepromijenjen ili se povećava. I generalno, proces povećanja entropije (opadajućeg reda) je prilično spontan.
A ako tome dodate malo energije, ponekad postaje brzo i gotovo nepovratno. Jasna ilustracija gore navedenog je popularni izraz „nemoguće je vratiti punjenje“.
A sistemi koji povećavaju svoju entropiju kada energija uđe u njih - oni su mrtvi.
Živi sistemi se odlikuju neverovatnom sposobnošću korišćenja energije koja ulazi u sistem za smanjenje njihove entropije. A ponekad ne samo svoj, već i mrtvi prostor koji ih okružuje.
Dakle, maćeha, koja je pomiješala grašak i pepeo za Pepeljugu, sigurno je mrtva u ovoj priči. A Pepeljuga (a posebno miš), koja sortira grašak iz pepela, sigurno je živa.
I po toj logici, čovjek je kruna kreacije ne zato što je pametan, radi ili bilo šta drugo. Ali zato što je bolji od svih ostalih živih bića u pretvaranju energije u red. Zato što je najbolji u borbi protiv entropije ne samo u sebi (izgradnji vlastitog organizma), već i oko sebe. Zato što čovek zna kako da pored sebe širi veoma daleko oko sebe.
Po istoj logici, smisao tehnološkog napretka, koji neki (na primjer, ekolozi) kritiziraju, a mnogi jednostavno sumnjaju u njegovu nužnost, postaje sasvim očigledan. Dakle, prvo, tehnološki napredak omogućava osobi da upravlja sve više energije za borbu protiv entropije. Drugo, tehnološki napredak omogućava ljudima da efikasnije koriste energiju za borbu protiv entropije. Drugim riječima, tehnološki napredak je jedan od ključnih oblika ispoljavanja ljudskog života. Ako odbijemo tehnološki napredak, umrijet ćemo. To je upravo ono što nas čini živima. Tehnološki napredak je ono što nas čini sve življima.
Po istoj logici postaje očigledna potreba za stalnom potragom za novim izvorima energije. Nafta, gas i ugalj će jednog dana nestati - a čovječanstvu je vitalno potrebna energija. Atom, termonuklearna fuzija i sunce su, po mom mišljenju, prvi kandidati.
Po istoj logici, budućnost čovečanstva je neraskidivo povezana sa svemirom. Za početak, u okviru barem Sunčevog sistema. Ako čovečanstvo nema prostora, čovečanstvo neće imati budućnost. Prvo, Sunce je (za sada) neiscrpan izvor energije na srednji rok (narednih deset hiljada godina). Drugo, bilo koji oblik života stvara otpad, a ljudi nisu izuzetak. Ovaj otpad treba negdje odložiti, a beskrajan prostor je odlično mjesto za takvo skladište.
I drugo najvažnije pitanje svemira. Šta je smisao života? Smisao mog života lično je da se borim protiv entropije oko sebe.
Upd: Smisao života Antona Buslova.
Danas ćemo se vratiti termodinamici. Pokušajmo razumjeti zašto je haos toliko važan i može li on objasniti misteriju kako vrijeme funkcionira. Obično govorimo o kosmologiji, relativnosti, kvantnoj mehanici, fizici čestica i još mnogo toga, ali šta je loše u tome da na trenutak zaronite u 19. vek i prihvatite staromodnu termodinamiku? Termodinamika nije baš loša: pomogla je da se uvede industrijska revolucija i na kraju će biti odgovorna za smrt svemira. Ona zaslužuje tvoje poštovanje.
pitanje će biti:
“Recimo da je entropija mjera nereda objekata. Ali šta je tu toliko važno da to bude zakon?”
Ako pogledate skoro sve zakone fizike, vrijeme teče skoro kasno. Napravite film o sudaru dva elektrona, a zatim pokrenite film u obrnutom smjeru, a druga verzija će izgledati jednako normalno i fizički točno kao i prva verzija. Na mikroskopskom nivou, vrijeme izgleda gotovo simetrično. Jer termodinamika na koju smo navikli ne radi na ovom nivou.
Na makroskopskom nivou sve je potpuno drugačije. Ne sjećate se budućnosti, na primjer, ne možete zalijepiti jaje ili razdvojiti koktel na njegove komponente. A govoreći o mogućnosti putovanja kroz vrijeme, mislimo samo na jednu strelicu vremena, jedan vektor, jedan smjer: naprijed.
Postoji jedan zajednički imenitelj koji odvaja budućnost od prošlosti: sve postaje neuredno. Ovo znate kao “drugi zakon termodinamike”. Ili ne znaš. Nije me briga.
Drugi zakon doslovno kaže da se sve raspada, odnosno da stvari vremenom postaju sve haotičnije i neuređenije, ali to nije sasvim tačno. Ovo je tačno: ukupna entropija zatvorenog sistema raste s vremenom. Entropija je mjera broja načina na koje možete preokrenuti stvari i zadržati sve makroskopske količine istim.
Vrlo školski primjer
Primjer će sve razjasniti. Recimo da ste imali tri molekula zraka i stavili ste ih na lijevu stranu kutije. Ovo je vrlo zgodan način organiziranja stvari. Pustite prirodu da učini svoje i molekuli će se raspršiti u različitim smjerovima, svaki provodeći polovinu vremena na desnoj strani kutije, a drugu polovinu na lijevoj strani.
U svakom trenutku ćete vidjeti nasumični snimak tri molekula. Postoji osam različitih načina organiziranja molekula, ali samo dva od njih (LLL, PPP) će sva tri molekula smjestiti u jedan dio posude. Ovo je samo 25% šanse. Ostatak vremena će atomi vjerovatno biti ravnomjerno raspoređeni. A ravnomerna raspodela je više stanje entropije od koncentrisanog.
Istu igru možete igrati tako što ćete sakupiti dlan punu novčića i baciti ih u zrak. Glave i repovi su desna i lijeva strana kutije, i obrnuto. Uradite ovaj pokret nekoliko puta i vidjet ćete da su molekuli gotovo uvijek ravnomjerno raspoređeni.
Veliki brojevi pretvaraju vjerovatnoću u zakon
Ako povećate broj molekula zraka na, recimo, 10 26 ili više, vjerovatnoća diktira da će nasumični pokreti na kraju rasporediti molekule "ravnomjerno". Zahvaljujući kvantnoj mehanici, slučajnost postaje osnovni dio svega toga. Odnosno, budući da postoji tehnička mogućnost da će svi molekuli zraka iznenada napustiti vašu spavaću sobu dok spavate za nekoliko minuta, očigledno se ne treba bojati toga noću.
Povećanje entropije je zapravo zakon, budući da postoji toliko mnogo čestica u svemiru da je vjerovatnoća da se sve one spontano poravnaju u stanje niske entropije zapanjujuće mala. Ovaj isti tip se dešava u vezi sa kockanjem i vremenskom prognozom.
Ili drugi primjer. Dobijate glave dva puta zaredom i to vas nimalo ne čudi. Ali ako neko dobije glave sto puta zaredom, postaje sumnjivo. Da biste cijenili razmjere takvog događaja, zamislite: ako bacite novčić 10 puta u sekundi, trebat će vam trilion puta više od trenutne starosti svemira prije nego što dobijete rezultat. Grubo govoreći, u određenom trenutku sistem postaje toliko velik da šansa da će se entropija smanjiti nije samo mala, već izuzetno blizu nuli. Zato ga nazivamo "drugim zakonom".
Kreacionisti među vama mogli bi ovo iskoristiti kao dokaz da se složene stvari (poput ljudi ili dinosaura) nikada nisu mogle formirati. Na kraju krajeva, vi ste, pretpostavljam, visoko uređena osoba. Ako ste oblak gasa, prihvatite moje izvinjenje. Ali pod pretpostavkom da ste čovjek, nije čudno da postojite kao mala šansa višeg reda.
Suština pravila je da se entropija povećava u cijelom svemiru. Na primjer, ako napravite lijep frižider pun hladnog zraka, to ćete učiniti na račun visoke entropije toplog zraka. To je razlog zašto klima-uređaju treba izduv, ali grijaču ne. Iz istog razloga ne možete napraviti vječni motor. Neka energija će se uvijek pretvoriti u toplinu.
Entropija se kontinuirano povećava s vremenom. Sjedite u vrućoj kupki u hladnoj prostoriji, osjećate se toplo i ugodno, ali tada događaji počinju da se prijeteći okrenuti: temperatura vode u prostoriji se približava zraku, osjećate se hladno i naježi vas se.
Isto važi i za budućnost Univerzuma. Vremenom će toplota biti ravnomerno raspoređena po Univerzumu. Zvijezde će izgorjeti, crne rupe će ispariti, postaće mračno i hladno. Bum.
Vrijeme i drugi zakon
Fizičari stalno raspravljaju da li drugi zakon termodinamike radi obrnuto. Drugim riječima, da li je protok vremena određen povećanjem entropije u Univerzumu? Sean Carroll je napisao veoma zanimljivu knjigu na ovu temu. poznato je povezao "psihološko vrijeme", način na koji pamtimo stvari, sa "entropijskim vremenom". Drugim riječima, ako je tok entropije obrnut, vrijeme će teći u suprotnom smjeru.
Jedan od razloga zašto ove ideje općenito dobivaju na snazi je misterija posmatrača. Čini se da je mladi univerzum bio u stanju visokog reda, ali ne postoji temeljni razlog zašto bi to bilo tako. Stvoreni svemir trebao je biti u stanju potpunog haosa, ali je umjesto toga bio nevjerovatno uredan. Gravitacijski sistem visoke entropije se srušio u grudve (proizvodeći zvijezde, galaksije i crne rupe), ali svemir je bio gladak. Zašto?
Drugi idu još dalje. Eric Verlinde, na primjer, tvrdi da fenomeni poput gravitacije slijede iz drugog zakona termodinamike (i teorije struna). Vrijedi napomenuti da postoji mnogo zanimljivih ideja. Mnogi ljudi kažu da vrijeme uzrokuje povećanje entropije, ali entropija ne stvara vrijeme. Za neke je entropija samo nešto što se dešava.
Ili bi se to trebalo dogoditi sa velikom vjerovatnoćom.