Энтропия Вселенной и парадокс черных дыр
Знаменитый ученый Стивен Хокинг много размышлял о природе черных дыр. И еще он очень хотел найти связь между квантовой механикой и гравитацией. Это привело его к размышлениям об энтропии. Эта концепция настолько фундаментальна, что важна не только для физики повседневной жизни. Но и для понимания природы самого времени.
Энтропия
Что же такое энтропия? Если говорить простыми словами — это уровень беспорядка в какой-нибудь изначально упорядоченной системе. В принципе, ничего сложного. Омлет, например, имеет более высокую степень энтропии, чем яйцо, из которого он был изготовлен. Куча кирпичей и деревянных досок обладает большей энтропией, чем дом. Ведь каждый кирпич или доска находятся в нем на своем месте.
Принцип, согласно которому общая энтропия в системе (или во Вселенной) должна увеличиваться со временем, известен как Второй закон термодинамики.
Этот закон не говорит о том, что Вы не можете превратить кучу кирпичей и досок в дом. Или что разбитое яйцо нельзя собрать обратно, склеить скорлупу и покрасить его известью, что бы стало все как было. Он просто говорит о том, что уменьшение энтропии в одном месте ведет к увеличению энтропии в другом. Что это значит?
Пример. Вы строите дом из кучи кирпичей и досок. Уменьшая тем самым степень энтропии в каком-то локальном месте. В данном случае пусть это будут тещины 6 соток где-то под Чебоксарами. Забивая гвозди и складывая в нужном порядке кирпичи, Вы тратите энергию. Часть этой энергии будет проявляться в виде тепла, которое будет излучаться в окружающую среду. Что делает воздух вокруг Вас, образно говоря, «грязным». Частицы воздуха нагреются от выделяемого Вами тепла. А более высокие температуры означают более высокую энтропию. Потому что частицы начинают более энергично и хаотично двигаться случайным образом после нагревании.
Ваша работа неизбежно создаст достаточно энтропии, которое компенсирует упорядоченное расположение кирпичей.
Итак, о чем это мы? Ах, да. Какое отношение имеет вся эта история к черным дырам?
Черные дыры: мы то тут при чем?
И кандидаты в доктора начали задавать друг другу странные вопросы. Например: что будет, если взять объект, который имеет высокую энтропию, и бросить со всего размаху в черную дыру? Куда денется вся его энтропия? Мы что, только что нарушили Второй закон термодинамики, уменьшив количество энтропии во Вселенной? Но это же противоречит всем нашим знаниям и теориям!
Мохнатые бороды и седые головы приуныли. Единственная гипотеза, которую выдвинули физики, чтобы объяснить очевидный парадокс, говорила о том, что вероятнее всего сами черные дыры должны иметь какую-то энтропию.
Правила термодинамики гласят, что для того, чтобы иметь определенную энтропию, черная дыра должна иметь определенную температуру. И она должна производить какое-то тепло, которое может быть воспринято кем-то за ее пределами. Это означает, что должен существовать способ покинуть черную дыру. Что опять же противоречило официальной науке.
Чтобы разобраться во всех этих чудных делах, Хокинг совершил глубокое погружение в постулаты общей теории относительности и квантовой механики.
Когда он вынырнул оттуда, вид у него был усталый, но довольный. Были сделаны необходимые расчеты. И оказалось, что черные дыры должны излучать тепло, которое получило название излучение Хокинга. Это предсказание создало совершенно новые парадоксы. Которые физики не могут разрешить и по сей день.
Время течет непрерывно, уверенно и всегда в одну сторону
Но энтропия оказалась проблемой еще более глубокой. Многие физики утверждают, что неуклонное увеличение энтропии ответственно за направление течения самого времени. Большая часть физики прекрасно работает в прямом или обратном направлении времени. Однако энтропия увеличивается только в одну сторону. Поэтому мы можем помнить прошлое, но не можем предвидеть будущее. Лишь стрела времени определяет то, в каком направлении развивается энтропия.
В великих традициях физики каждое новое открытие создает все новые и новые вопросы. Соединение стрелы времени с ростом энтропии поднимает острый вопрос о том, как вообще Вселенной удалось родиться в состоянии, в котором энтропия была настолько низкой, что она смогла продолжать расти все прошедшее время.
У нас пока нет ответа на этот вопрос. Но мы надеемся, что он может помочь нам лучше понять, как возникла Вселенная. И какова будет ее судьба, когда энтропия достигнет своего максимального состояния. Будет ли это означать конец всех времен?
Источник
Вездесущая энтропия: от смерти Вселенной до груды грязной посуды
Михаил Петров
«Все процессы в мире происходят с увеличением энтропии» — эта расхожая формулировка превратила энтропию из научного термина в 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 здесь.
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.
Источник
Что такое энтропия и почему Вселенная стремится к её увеличению?
Многие из нас наверняка слышали слово «энтропия», а некоторые из этих многих наверняка знают, что оно как-то связано с хаотичностью, беспорядком. Тем не менее, физический смысл этого понятия довольно сложен для понимания обывателем, так как плотно связан с термодинамикой.
Объяснять, что такое энтропия на пальцах – занятие неблагодарное. Обязательно найдутся те, кто усмотрит в этом объяснении неточности и натяжки. Получается, что значение этого слова может быть понятно только физикам, изучившим труды Рудольфа Клаузиуса и Людвига Больцмана? Пусть так, но попытка – не пытка, обычные люди, интересующиеся наукой, тоже имеют право понимать хотя бы в общих чертах значение этого слова.
Если объяснять на пальцах, без всяких заумностей, с бытовыми примерами, то можно сказать, что энтропия – это мера хаотичности в замкнутой системе. Чем более равномерно распределены вещи в пространстве, тем больше энтропия.
Мы бросаем в стакан с кипятком кусок сахара – и энтропия этого состояния предельно мала. Но вот сахар растворился в воде, и его молекулы равномерно распределились по всему замкнутому объему стакана – и энтропия стала огромной.
Так как энтропия – эта мера хаоса, то ее можно измерить. Скажем, жена ругает мужа за разбросанные по комнате носки. Муж каждый раз разбрасывает свои носки по-разному, и не бывает такого, чтобы носок лежал на том же месте, что и вчера – по сути, абсолютно точное местоположение носка вообще никогда в жизни не повторяется.
Если мы попробуем подсчитать количество возможных состояний носков, то выясним, что это число (энтропия) стремится к бесконечности. В то же время, носки, лежащие стопкой на своем месте в шкафу, имеют небольшую энтропию, определяемую только порядком следования носков в стопке. То есть, энтропия, по сути, является количеством пронумерованных состояний системы.
Любая изолированная система, будь то колба с газом или наша Вселенная, стремится к большой энтропии. Второе начало термодинамики гласит, что в изолированной системе самопроизвольно могут протекать только такие процессы, которые ведут к увеличению энтропии, то есть, к неупорядоченности системы .
Например, если мы в пустую колбу внесем некоторое количество газа, то вряд ли все молекулы газа соберутся у одной стенки или в центре (хотя чисто теоретически это возможно). Газ будет равномерно распределен по всему объему системы. Кстати, у братьев Стругацких в повести «Стажеры» есть прекрасная иллюстрация этого понятия в главе «Рассказ о гигантской флуктуации».
Обычно энтропия растет до больших значений – таким образом замкнутая система ищет состояние своего равновесия. И это можно наблюдать на всех уровнях – от микроскопических до макроскопических. В общем смысле всё вокруг нас стремится к хаосу – здания рушатся, люди умирают, горы разрушаются, умирают звезды и планетные системы. И эта энтропия самопроизвольно уменьшиться не может. Для уменьшения ее необходимо приложить энергию, которая будет потрачена на приведение системы в порядок. Но как только мы перестанем прикладывать энергию, энтропия начнет расти и хаос снова увеличится.
Из закона увеличения энтропии следует вывод и о неизбежной тепловой смерти Вселенной – со временем все звезды потухнут, и вся Вселенная станет темной и холодной. Но это не точно, ибо о Вселенной известно пока слишком мало.
Источник