„A világ összes folyamata az entrópia növekedésével megy végbe” – ez a gyakori megfogalmazás az entrópiát tudományos kifejezésből valamilyen vitathatatlan bizonyítékává változtatta az embernek a körülötte lévő rendellenességgel vívott küzdelmének. De mi rejtőzik e fizikai mennyiség mögött az eredetiben? És hogyan lehet kiszámítani az entrópiát? Az „Elméletek és gyakorlatok” megpróbálták megérteni ezt a kérdést, és megmentést találni a közelgő összeomlástól.

Termodinamika és „hőhalál”

Az entrópia kifejezést először 1865-ben Rudolf Clausius német fizikus vezette be. Akkor szűk jelentése volt, és a termodinamikai rendszerek állapotának leírására használt mennyiségek egyikeként használták - vagyis olyan fizikai rendszerekét, amelyek nagyszámú részecskéből állnak, és képesek energiát és anyagot cserélni a környezettel. A probléma az volt, hogy a tudós nem tudta teljesen megfogalmazni, hogy pontosan mit is jellemez az entrópia. Ráadásul az általa javasolt képlet segítségével csak az entrópia változását lehetett meghatározni, abszolút értékét nem.

Leegyszerűsítve ez a képlet dS = dQ/T formában írható fel. Ez azt jelenti, hogy a termodinamikai rendszer két állapotának entrópiájának különbsége (dS) egyenlő a kezdeti állapot megváltoztatására fordított hőmennyiség (dQ) és az állapotváltozás hőmérsékletének (T) arányával. . Például a jég olvasztásához némi hőt kell adnunk neki. Ahhoz, hogy megtudjuk, hogyan változott az entrópia az olvadási folyamat során, ezt a hőmennyiséget (a jég tömegétől függ) el kell osztanunk az olvadási hőmérséklettel (0 Celsius-fok = 273,15 Kelvin-fok. A visszaszámlálás abszolút értékből történik). nulla Kelvin (-273 ° C), mivel ezen a hőmérsékleten bármely anyag entrópiája nulla). Mivel mindkét mennyiség pozitív, a számítás során látni fogjuk, hogy az entrópia nőtt. És ha fordított műveletet hajt végre - fagyassza le a vizet (vagyis vegye el belőle a hőt), akkor a dQ értéke negatív lesz, ami azt jelenti, hogy az entrópia csökken.

Ezzel a képlettel nagyjából egy időben jelent meg a termodinamika második főtételének megfogalmazása: „Egy elszigetelt rendszer entrópiája nem csökkenhet.” Úgy néz ki, mint a szöveg elején említett népszerű kifejezés, de két fontos különbség van. Először is, az absztrakt „világ” helyett az „elszigetelt rendszer” fogalmát használják. Izolált rendszer az, amely nem cserél sem anyagot, sem energiát a környezettel. Másodszor, a kategorikus „növekedés” az óvatos „nem csökken”-re változik (egy elszigetelt rendszerben reverzibilis folyamatok esetében az entrópia változatlan marad, az irreverzibilis folyamatoknál viszont növekszik).

Ezen unalmas árnyalatok mögött a lényeg rejlik: a termodinamika második főtétele nem alkalmazható óvatosság nélkül világunk összes jelenségére és folyamatára. Jó példát adott erre maga Clausius: úgy vélte, hogy az Univerzum entrópiája folyamatosan növekszik, és ezért egyszer elkerülhetetlenül eléri a maximumát - a „hőhalált”. Egyfajta fizikai nirvána, amelyben nem mennek végbe folyamatok. Clausius 1888-ban bekövetkezett haláláig ragaszkodott ehhez a pesszimista hipotézishez - akkoriban a tudományos adatok nem engedték megcáfolni. De az 1920-as években. Edwin Hubble amerikai csillagász bebizonyította, hogy az Univerzum tágul, ami azt jelenti, hogy tágul

aligha nevezhető izolált termodinamikai rendszernek. Ezért a modern fizikusok meglehetősen nyugodtan veszik Clausius komor előrejelzéseit.

Az entrópia mint a káosz mértéke

Mivel Clausius soha nem tudta megfogalmazni az entrópia fizikai jelentését, 1872-ig absztrakt fogalom maradt – egészen addig, amíg Ludwig Boltzmann osztrák fizikus ki nem dolgozott egy új képletet, amely lehetővé teszi az entrópia abszolút értékének kiszámítását. Úgy néz ki, hogy S = k * ln W (ahol S az entrópia, k a Boltzmann-állandó, amelynek állandó értéke van, W az állapot statisztikai súlya). Ennek a képletnek köszönhetően az entrópiát a rendszer rendezettségének mértékeként kezdték érteni.

Hogy történt? Egy állapot statisztikai súlya a megvalósítási módok száma. Képzelje el a számítógép asztalát. Hányféleképpen lehet relatív rendbe hozni? Mi a helyzet a teljes káosszal? Kiderül, hogy a „kaotikus” állapotok statisztikai súlya sokkal nagyobb, és ennélfogva nagyobb az entrópiájuk is. Megtekinthet egy részletes példát, és kiszámíthatja saját asztala entrópiáját.

Ebben az összefüggésben a termodinamika második főtétele új értelmet nyer: most a folyamatok nem haladhatnak spontán módon a növekvő rend irányába. De itt sem szabad megfeledkeznünk a törvény korlátairól.

Ellenkező esetben az emberiség már régóta az eldobható edények rabszolgája lett volna. Hiszen minden alkalommal, amikor elmosunk egy tányért vagy bögrét, a legegyszerűbb önszerveződés a segítségünkre van. Minden mosószer felületaktív anyagokat (felületaktív anyagokat) tartalmaz. Molekuláik két részből állnak: az első természeténél fogva hajlamos érintkezni a vízzel, a másik pedig elkerüli azt.

Vízbe kerülve a tündérmolekulák spontán „golyókká” gyűlnek össze, amelyek zsír- vagy szennyeződésrészecskéket burkolnak be (a labda külső felülete a felületaktív anyag vízzel való érintkezésre hajlamos része, a belső felülete pedig megnőtt. a mag körül egy szennyeződéstől az a rész, amely elkerüli a vízzel való érintkezést). Úgy tűnik, hogy ez az egyszerű példa ellentmond a termodinamika második főtételének. A különféle molekulákból álló húsleves spontán módon rendezettebb, kisebb entrópiával rendelkező állapotba ment át. A megoldás ismét egyszerű: aligha tekinthető elszigeteltnek a „parti utáni vizes edények” rendszer, amelybe külső kéz mosogatószert csepegtetett.

Fekete lyukak és élőlények

A Boltzmann-képlet megjelenése óta az „entrópia” kifejezés szinte behatolt

a tudomány minden területére és új paradoxonokra tett szert. Vegyük például az asztrofizikát és a „fekete lyuk – beleeső test” párost. Jól tekinthető elszigetelt rendszernek, ami azt jelenti, hogy egy ilyen rendszer entrópiáját meg kell őrizni. De egy fekete lyukba nyomtalanul eltűnik – mert onnan sem anyag, sem sugárzás nem tud kiszabadulni. Mi történik vele egy fekete lyukban?

Egyes húrteoretikusok azt állítják, hogy ez az entrópia egy fekete lyuk entrópiájává alakul át, amely egyetlen szerkezet, amely sok kvantumhúrból kapcsolódik össze (ezek hipotetikus fizikai objektumok, apró többdimenziós struktúrák, amelyek rezgéseiből minden elemi részecske, mező és más ismert fizika). Más tudósok azonban kevésbé extravagáns választ adnak: a hiányzó információk továbbra is visszatérnek a világba a fekete lyukakból kiáramló sugárzással együtt.

Egy másik, a termodinamika második főtételével ellentétes paradoxon az élőlények létezése és működése. Hiszen még egy élő sejt is a membránok összes biorétegével, DNS-molekulával és egyedi fehérjével egy rendkívül rendezett szerkezet, nem is beszélve az egész szervezetről. Miért létezik ilyen alacsony entrópiájú rendszer?

Ezt a kérdést tette fel a híres Erwin Schrödinger, a macskával végzett gondolatkísérlet megalkotója „Mi az élet a fizika szemszögéből” című könyvében: „Az élő szervezet folyamatosan növeli entrópiáját, ill. szavakkal pozitív entrópiát produkál, és így megközelíti a maximális entrópia veszélyes állapotát, ami a halált jelenti. Ezt az állapotot csak úgy tudja elkerülni, életben maradni, ha folyamatosan negatív entrópiát von ki környezetéből. A negatív entrópia az, amiből a test táplálkozik.”

Pontosabban, a szervezet szénhidrátokkal, fehérjékkel és zsírokkal táplálkozik. Magasan rendezett, gyakran hosszú molekulák, viszonylag alacsony entrópiával. Cserébe pedig sokkal egyszerűbb, nagyobb entrópiával rendelkező anyagokat bocsát ki a környezetbe. Ez az örök szembenézés a világ káoszával.

Amikor a Moszkvai Műszaki Egyetem elsőéves hallgatója voltam. Bauman, a kémiaórákon az entrópiáról beszéltek. Sokkoló volt! Életemben először nem is annyira tudományos, hanem filozófiai, sőt etikai értelmet láttam egy természettudományos értékben.

Az entrópia a rendszer rendezettségének mértéke. Önmagában nem mérhető, csak növekedése vagy csökkenése értékelhető. Például a dobozban lévő ceruzák kisebb entrópiával rendelkeznek, mint az asztalon szétszórt ceruzák. Egy krétadarabnak kisebb az entrópiája, mint ugyanannak a darabnak porrá törve. Egy szöveget tartalmazó könyvnek kisebb az entrópiája, mint ugyanannyi üres papírnak. Egy megoldott Rubik-kocka entrópiája kisebb, mint a szétszedetté.

Az entrópiában az a legérdekesebb (az egyszerűség kedvéért nem ragaszkodom a szigorú fizikához), hogy a mi világunkban folyamatosan növekszik. Az Univerzum tágul, leadja hőjét, ez a folyamat visszafordíthatatlan, az entrópia növekedéséhez, határértéken pedig az Univerzum termikus halálához vezet. Ha a dolgok úgy folytatódnak, ahogy most vannak, ez a világ egy napon teljesen elpusztul. Itt. Szomorú.

De ez a folyamat ellensúlyozható valamivel. Amikor egy fa nő, rendezi az anyagot és csökkenti az entrópiát. Amikor valaki könyvet ír, csökkenti az entrópiáját. Amikor sokan várost építenek vagy törvény szerint élnek, csökkentik az entrópiát. Bármilyen szervező tevékenység csökkenti az entrópiát, és ennek eredményeként ellenáll a világ pusztulásának. Többet mondanék: a tudatos szervező, alkotó tevékenység csökkenti az entrópiát. A jól szervezett gondolkodás csökkenti az entrópiát. Így van mit ellensúlyoznunk az Univerzum termikus halálával. Ezt egészen komolyan mondom, belátva, hogy nem mi vagyunk az egyetlen gondolkodni és tudatosan alkotni képes lények ezen a világon.

Amikor erre rájöttem, ragaszkodni kezdtem entrópiacsökkentési szabályok. Ez a szabály nem létezik a fizikában vagy a kémiában, pusztán etikai természetű. Lényege, hogy tevékenységed eredményeként az entrópia csökkenjen. Más szóval, ne növelje annak a világnak az entrópiáját, amelyben él. Ennek az egyszerű szabálynak a következő szempontjai vannak:
- többet adj a világnak, mint vegyél el tőle
- hagyj magad mögött nagyobb rendet, mint előtted volt
- soha ne tartsd üresen, tétlenül az elmét (az üres elme növeli az entrópiát)
- próbálja befejezni a megkezdett projekteket
- próbálj meg minél kevesebbet követelni másoktól, de többet magadtól
- nincs semmilyen adóssága
- próbálja meg kiküszöbölni az esetleges rendetlenséget
- stb. - sokáig lehet folytatni

Azonnal elmondom, hogy én magam nem mindig tudom betartani ezt a szabályt. De igyekszem.

Ez egy meghatározó szöveg számomra. Annak meghatározása, hogyan értem az univerzum egyik fő kérdését. Akár kettőt is.

Első kérdés: Miben különbözik az élő a halottaktól?

Az élő és a holt megkülönböztetésére a termodinamika második főtételét használom. Eszerint egy zárt rendszerben (a rendszer határa mentén nincs energia és anyagcsere) az entrópia (a káosz, a rendezetlenség, a véletlenszerű és egyenletes keveredés mértéke) nem csökken az idő múlásával. Változatlan marad vagy növekszik. És általában véve az entrópia növekedésének (csökkenő sorrendjének) folyamata meglehetősen spontán.

És ha adsz hozzá egy kis energiát, néha gyorsan és szinte visszafordíthatatlanná válik. A fentiek egyértelmű példája a népszerű kifejezés: „lehetetlen visszafordítani a tölteléket”.

És azok a rendszerek, amelyek növelik entrópiájukat, amikor energia belép beléjük – halottak.
Az élő rendszereket az a csodálatos képesség jellemzi, hogy a rendszerbe belépő energiát entrópiájuk csökkentésére használják fel. És néha nem csak a sajátjuk, hanem az őket körülvevő holttér is.

Így a mostohaanyja, aki Hamupipőkének borsót és hamut kevert, minden bizonnyal halott ebben a történetben. És a Hamupipőke (és főleg az egér), aki a borsót válogatja a hamuból, biztosan él.

És e logika szerint az ember nem azért a teremtés koronája, mert okos, dolgozik vagy bármi más. Hanem azért, mert minden más élőlénynél jobban tudja az energiát rendté alakítani. Mert nem csak magában (saját szervezetét építeni), hanem körülötte is ő tud a legjobban küzdeni az entrópiával. Mert az ember tudja, hogyan terjessze nagyon messzire maga körül az általa teremtett rendet.

Ugyanezen logika szerint teljesen nyilvánvalóvá válik a technológiai haladás jelentése, amelyet egyesek (például ökológusok) kritizálnak, és sokan egyszerűen kétségbe vonják a szükségességét. Tehát először is a technológiai fejlődés lehetővé teszi az ember számára, hogy egyre több energiát kezeljen az entrópia leküzdésére. Másodszor, a technológiai fejlődés lehetővé teszi az emberek számára, hogy hatékonyabban használják fel az energiát az entrópia leküzdésére. Más szóval, a technológiai fejlődés az emberi élet egyik kulcsfontosságú megnyilvánulási formája. Ha megtagadjuk a technológiai fejlődést, meghalunk. Pontosan ez tesz minket életre. A technológiai fejlődés az, ami egyre életesebbé tesz bennünket.

Ugyanezen logika szerint nyilvánvalóvá válik, hogy folyamatosan új energiaforrások után kell kutatni. Az olaj, a gáz és a szén egy napon elfogy – és az emberiségnek létfontosságú energiára van szüksége. Az atom, a termonukleáris fúzió és a nap véleményem szerint az első jelöltek.

Ugyanezen logika szerint az emberiség jövője elválaszthatatlanul kapcsolódik az űrhöz. Először is legalább a Naprendszer keretein belül. Ha az emberiségnek nincs tere, akkor az emberiségnek nem lesz jövője. Először is, a nap (egyelőre) kimeríthetetlen energiaforrás középtávon (a következő tízezer évben). Másodszor, az élet bármely formája hulladékot termel, és ez alól az ember sem kivétel. Ezt a hulladékot valahol tárolni kell, és a végtelen hely kiváló hely egy ilyen raktárnak.

És az univerzum második legfontosabb kérdése. Mi az életérzés? Életem értelme személyesen a körülöttem lévő entrópia elleni küzdelem.

Upd: Anton Buslov életének értelme.

Ma visszatérünk a termodinamikához. Próbáljuk megérteni, miért olyan fontos a káosz, és vajon megmagyarázhatja-e az idő működésének rejtélyét. Általában kozmológiáról, relativitáselméletről, kvantummechanikáról, részecskefizikáról és még sok másról beszélünk, de mi a baj, ha egy pillanatra visszamerülünk a 19. századba, és felkarolunk néhány régimódi termodinamikát? A termodinamika nem teljesen rossz: hozzájárult az ipari forradalom beindításához, és végső soron felelős lesz az univerzum haláláért. Megérdemli a tiszteletedet.

A kérdés a következő lesz:

„Tegyük fel, hogy az entrópia a tárgyak rendezetlenségének mértéke. De mi olyan fontos ebben, hogy törvény legyen?”

Ha megnézzük a fizika szinte összes törvényét, az idő szinte későn telik. Készítsen filmet két elektron ütközéséről, majd futtassa a filmet fordítva, és a második verzió ugyanolyan normális és fizikailag pontos lesz, mint az első verzió. Mikroszkopikus szinten az idő szinte szimmetrikusnak tűnik. Mert az általunk megszokott termodinamika nem ezen a szinten működik.

Makroszkópikus szinten minden teljesen más. Nem emlékszel a jövőre, például nem tudsz tojást ragasztani, vagy koktélt szétválasztani a komponenseire. És ha az időutazás lehetőségéről beszélünk, akkor az idő egyetlen nyilát, egy vektort, egy irányt értjük: előre.

Egy közös nevező választja el a jövőt a múlttól: minden összezavarodik. Ön ezt a „termodinamika második törvényeként” ismeri. Vagy nem tudod. Nem érdekel.

A második törvény szó szerint azt mondja, hogy minden szétesik, vagy a dolgok idővel egyre kaotikusabbá és rendezetlenebbé válnak, de ez nem teljesen igaz. Ez igaz: egy zárt rendszer teljes entrópiája idővel növekszik. Az entrópia annak mértéke, hogy hány módot fordíthat fejjel lefelé, és minden makroszkopikus mennyiséget ugyanazon tarthat.

Nagyon iskolapélda

Egy példa mindent világossá tesz. Tegyük fel, hogy három levegőmolekulája volt, és a doboz bal oldalára helyezte őket. Ez egy nagyon ügyes módja a dolgok megszervezésének. Hagyja, hogy a természet tegye a dolgát, és a molekulák különböző irányokba fognak szétszóródni, és mindegyik idejük felét a doboz jobb oldalán, a másik felét pedig a bal oldalon tölti.

Bármikor látni fog egy véletlenszerű pillanatképet három molekuláról. Nyolc különböző módja van a molekulák rendezésének, de ezek közül csak kettő (LLL, PPP) illeszti be mindhárom molekulát a tartály egy részébe. Ennek csak 25% az esélye. A fennmaradó időben az atomok valószínűleg egyenletesen oszlanak el. Az egyenletes eloszlás pedig magasabb entrópiaállapotot jelent, mint a koncentrált.

Ugyanezt a játékot is játszhatja, ha összegyűjt egy pénzérmével teli tenyeret, és feldobja azokat a levegőbe. A fejek és a farok a doboz jobb és bal oldala, és fordítva. Tegye meg ezt a mozdulatot többször, és látni fogja, hogy a molekulák szinte mindig egyenletesen oszlanak el.

A nagy számok a valószínűséget törvényké változtatják

Ha a levegőmolekulák számát mondjuk 10 26-ra vagy nagyobbra növeli, a valószínűség azt diktálja, hogy a véletlenszerű mozgások végül "egyenletesen" osztják el a molekulákat. A kvantummechanikának köszönhetően a véletlenszerűség mindennek alapvető részévé válik. Vagyis mivel technikai lehetőség van arra, hogy az összes levegőmolekula hirtelen elhagyja a hálószobát, miközben Ön alszik néhány percen belül, ettől nyilvánvalóan nem kell félni éjszaka.

Az entrópia növekedése tulajdonképpen törvény, mivel annyi részecske van az univerzumban, hogy megdöbbentően kicsi annak a valószínűsége, hogy mindegyik spontán egy alacsony entrópia állapotba kerül. Ugyanez a típus működik a szerencsejátékokkal és az időjárás-előrejelzéssel kapcsolatban.

Vagy egy másik példa. Kétszer kapsz fejet egymás után, és egyáltalán nem lepődsz meg rajta. De ha valaki egymás után százszor kap fejet, az gyanússá válik. Ahhoz, hogy felmérjük egy ilyen esemény mértékét, képzeljük el: ha másodpercenként tízszer dobunk fel egy érmét, akkor az univerzum jelenlegi korának billiószorosa kell ahhoz, hogy megkapjuk az eredményt. Durván fogalmazva, egy bizonyos ponton a rendszer olyan nagyra nő, hogy az entrópia csökkenésének esélye nem csak kicsi, hanem rendkívül közel nulla. Ezért hívjuk "második törvénynek".

A kreacionisták közületek ezt bizonyítékként használhatják fel arra, hogy bonyolult dolgok (például az emberek vagy a dinoszauruszok) soha nem jöhettek létre. Elvégre te egy nagyon rendes ember vagy, gondolom. Ha gázfelhő vagy, fogadd el bocsánatkérésemet. De ha feltételezzük, hogy ember vagy, nem furcsa, hogy egy magasabb rend kis esélyeként létezel.

A szabály lényege, hogy az entrópia növekszik az egész univerzumban. Például, ha készít egy szép hűtőszekrényt, tele hideg levegővel, akkor azt a forró levegő magas entrópiájának rovására teszi. Ez az oka annak, hogy a klímaberendezésnek szüksége van elszívóra, de a fűtésre nem. Ugyanezen okból nem építhetsz örökmozgót. Az energia egy része mindig hővé alakul.

Az entrópia az idő múlásával folyamatosan növekszik. Egy hűvös szobában forró fürdőben ülsz, melegnek és jólesőnek érzed magad, de ekkor az események fenyegető fordulatot vesznek: a szobában lévő víz hőmérséklete megközelíti a levegőt, fázol, és megtámad a libabőr.

Ugyanez vonatkozik az Univerzum jövőjére is. Idővel a hő egyenletesen oszlik el az Univerzumban. A csillagok kiégnek, a fekete lyukak elpárolognak, sötét és hideg lesz. Bumm.

Az idő és a második törvény

A fizikusok folyamatosan vitáznak arról, hogy a termodinamika második főtétele fordítva működik-e. Más szóval, az idő múlását az Univerzum entrópiájának növekedése határozza meg? Sean Carroll írt egy nagyon érdekes könyvet erről a témáról. híresen összekapcsolta a „pszichológiai időt”, azt, ahogyan a dolgokra emlékezünk, az „entropikus idővel”. Más szóval, ha az entrópia áramlása megfordul, az idő az ellenkező irányba fog folyni.

Az egyik ok, amiért ezek az elképzelések általánosságban elterjednek, a megfigyelő rejtélye. Úgy tűnik, hogy a fiatal univerzum kiváló állapotban volt, de nincs alapvető oka annak, hogy ennek így kellene lennie. A teremtett univerzumnak a teljes káosz állapotában kellett volna lennie, de ehelyett hihetetlenül rendezett volt. A nagy entrópiájú gravitációs rendszer csomókká omlott össze (csillagok, galaxisok és fekete lyukak keletkeztek), de az univerzum sima volt. Miért?

Mások még tovább mennek. Eric Verlinde például azt állítja, hogy az olyan jelenségek, mint a gravitáció, a termodinamika (és a húrelmélet) második főtételéből következnek. Érdemes megjegyezni, hogy sok érdekes ötlet létezik. Sokan azt mondják, hogy az idő növeli az entrópiát, de az entrópia nem hoz létre időt. Egyesek számára az entrópia csak valami megtörténik.

Vagy nagy valószínűséggel meg kell történnie.