Просто о сложном: почему все вокруг стремится к хаосу и как это остановить
Теории и практики
Когда порой вы чувствуете нарастающий уровень энтропии, но не понимаете почему, ответ кроется в физике: стремление мира к хаосу — фундаментальное свойство природы. Из чего состоит хаос, обратим ли он, можно ли его как-то измерить и почему существует выражение «ломать — не строить»? Обо всем этом T&P рассказал научный журналист, сотрудник кафедры физики и астрофизики МФТИ Айк Акопян в рамках проекта «Физтех.Читалка».
Что происходит, когда мы приводим в движение маятник? Он начинает колебаться, каждый раз уменьшая амплитуду. Через некоторое время мы обнаружим, что маятник остановился. Но куда делась энергия маятника? Те, кто в школе на уроках физики слушал учителя внимательно, ответят, что энергию заберут молекулы воздуха. Но почему не происходит обратное? Почему молекулы вдруг не могут собраться и, наоборот, передать энергию маятнику?
Дело в том, что стремление мира к хаосу оказывается фундаментальным свойством природы. Направленное движение частиц маятника превращается в хаотичное движение молекул воздуха. Направленное течение воды рано или поздно превратится в хаотичную струю с турбулентными вихрями и извивающимися, переплетающимися друг с другом потоками.
Наша природа вовсю стремится к хаосу, но неужели это стремление бесконечно? В какой момент система достигает какого-то спокойствия? В какой момент это стремление прекращается? В XIX веке Максвелл и ряд других физиков показали, что, если оставить систему в покое, она действительно придет к определенному состоянию «спокойствия». Это состояние называется равновесным, и, чтобы его понять, нужно забыть об индивидуальной скорости, координате каждой частицы и взглянуть на коллективные характеристики системы. Например, на то, сколько частиц на данный момент имеют определенные скорости.
Если мы построим график числа частиц от скорости, то увидим удивительную вещь: система из любого состояния, каким бы это состояние ни было изначально, в итоге приходит к одному определенному распределению числа частиц от скорости, которое называется распределением Максвелла. Это состояние является конечным пунктом назначения любой системы, и в ней достигается максимальный хаос.
Но… Как вообще измерить хаос? В физике для измерения хаоса используют величину, которая называется энтропией системы. Чем больше энтропия, тем менее упорядочена система. В состоянии равновесия энтропия максимальна. Больцманом в XIX веке была доказана так называемая H-теорема, которая гласит, что в замкнутой системе энтропия со временем всегда возрастает.
На практике это несет за собой вполне понятные последствия. Если мы, например, возьмем шарик с гелием и взорвем его в углу комнаты, то газ через некоторое время разлетится по всей комнате, заполнив равномерно ее всю. Таким образом, энтропия газа увеличится до максимума и… Да, в , и все. Сколько бы мы ни ждали, гелий никогда не соберется обратно в кучу в углу комнаты. То есть процессы в нашем мире необратимы: из конечного состояния мы никак не можем узнать начальное, так как конечное состояние одинаково для всех начальных состояний. Это вполне понятно, наш опыт вполне этому соответствует. Всегда легче что-то сломать, чем построить, легче разбросать, чем собрать воедино. Это все вполне логично, так?
Не совсем. Представьте, что у вас есть замкнутая комната с кучей шариков, которые летят и врезаются друг в друга. Все абсолютно идеально, столкновения упругие, никаких потерь энергии. Через достаточное количество времени распределение скоростей будет в точности максвелловским, энтропия необратимо возрастет до максимума.
Данные телескопа Planck показали, что примерно 98% энергии нашей Вселенной не заключено в звездах и вообще в обычном веществе, из которого состоим мы
Но давайте взглянем на каждый шарик по отдельности. Дело в том, что для каждого шарика мы можем узнать в точности его скорость и координату, а также действующую на него силу. Из второго закона Ньютона можем узнать ускорение — и все: движение каждой отдельной частички можно совершенно однозначно задать. Закон Ньютона по времени обратим, так как, если повернуть время вспять, свою форму закон не изменит. Это означает, что и движение каждого отдельного шарика тоже обратимо: из конечного состояния шарика можно понять, откуда он пришел и как двигался, но… Но движение всех шариков вместе оказывается необратимым.
То есть в основе нашего необратимого мира лежат вполне себе обратимые законы. Это весьма странно. А что, если никакой необратимости нет, а это всего лишь иллюзия? Что, если движение просто настолько сложное, что оно кажется нам хаотичным, а на самом деле оно вполне регулярно?
Для примера того, что имеется в виду, возьмем очень интересную систему. Она называется клеточный автомат. Представьте, что ваша Вселенная — это простой ряд из белых и черных клеточек. Вы — бог этой Вселенной, и вам нужно заложить какое-то правило эволюции по времени. И вы закладываете очень простое правило: если сама клетка черная и соседние две клетки тоже черные, то в следующем шаге клетка будет белой (на картинке снизу слева), если клетка черная, сосед слева тоже черный, а сосед справа белый, то в следующем шаге клетка станет черной и так далее. Таким образом можно задать универсальное правило (физику) вашей Вселенной. Записать этот закон можно с помощью нулей и единичек или, если перевести их в десятиричную запись, с помощью просто одного числа. В данном случае (на картинке) это будет правило 90. Эволюция такого клеточного автомата показана ниже.
Таких правил существует очень много. Есть правила, которые опираются на два предыдущих шага вместо одного или на нескольких соседей. Есть правила для двумерного клеточного автомата, где у нас теперь не ряд из черных и белых клеточек, а целая плоскость.
С помощью клеточных автоматов уже получают совершенно сложные, непредсказуемые фигуры — их используют в архитектуре и игровом дизайне для построения реалистичного ландшафта. Но, что удивительно, все это разнообразие, эти непредсказуемые формы и образы задаются всего лишь правилом из одного числа, все остальное — дело времени.
Но что, если все разнообразие нашего мира, все сложные образы, создаваемые нашей природой, и весь тот хаос, к которому стремится наш мир, — это всего лишь реализация какого-то клеточного автомата? Что, если мы просто являемся симуляцией клеточного автомата в компьютере?
Как мы поняли в первой части, в самой глубокой основе нашего мира лежат вполне обратимые законы, где по конечному состоянию можно восстановить начальное. Поэтому если мир и есть клеточный автомат, то он должен также быть обратимым. Такие клеточные автоматы действительно есть, но у них есть одна проблема. У любого обратимого клеточного автомата есть цикл: через определенное число шагов Вселенная воссоздается в своем первоначальном виде снова, затем снова — и движется так по циклу.
В нашем мире, к сожалению, такого нет… Или есть? Французский математик Анри Пуанкаре для определенного типа систем заметил интересную вещь: в результате эволюции этих систем со временем они возвращались в свое первоначальное состояние, хотя изначально казалось, что стремятся они лишь в сторону хаоса. Такой цикл назвали циклом Пуанкаре.
Напрашивается очень интересная мысль. Да, действительно, газ из взорвавшегося гелиевого шарика в одну кучу обратно не соберется, но что, если подождать еще дольше? Что, если цикл Пуанкаре для такой системы очень большой? Есть целые космологические модели, основанные на гипотезе возврата Пуанкаре, одна из них принадлежит известному математику Пенроузу. По его мнению, Вселенная сначала раздувается, затем схлопывается обратно, затем снова взрывается, раздувается и вновь схлопывается, повторяя в точности предыдущий цикл.
Но у такой теории циклической Вселенной есть большой минус: мы пока не знаем процессов, способных заставить Вселенную схлопнуться. Где их искать? Так ли хорошо мы знаем нашу Вселенную? Данные телескопа Planck показали, что примерно 98% энергии нашей Вселенной не заключено в звездах и вообще в обычном веществе, из которого состоим мы. Мы с грехом пополам знаем лишь о 2% нашей Вселенной, а об остальных 98% не знаем вообще ничего. То есть если представить, что наша Вселенная — это большой прекрасный замок с башнями, мостами, тронными залами и прочим, то из подвала мы пока не выходили, и кто знает, какие тайны ждут нас там, наверху.
Источник
Хаос Вселенной
Свобода и усложнение причины хаоса.
Вселенная – это Хаос. Порядок противоречит природе Вселенной.
Хаос (от греч. chainen — зиять) открытая, зияющая пропасть; беспорядочное, бесформенное, неопределенное состояние вещей; в древнегреческой космогонии – первобытное состояние или первовещество, из которого возник или был создан рукой творца мир как упорядоченый космос.
Сначала о «Порядке».
Порядок в физической, экологической, экономической и любой другой системе может быть двух видов: Неустойчиво Равновесный и Устойчиво Неравновесный. При Неустойчиво Равновесном Порядке, когда система находится в неустойчивом равновесии со своим окружением, параметры, которые ее характеризуют, одинаковы с теми, которые характеризуют окружающую среду; при Устойчиво Неравновесном Порядке они различны. Что обычно понимается под такими параметрами?
В физике самый главный из них – температура: никакое Неустойчивое Равновесие невозможно, если внутри рассматриваемой системы температура не такая, как у окружения. При этом сразу возникают тепловые потоки, начинается перетекание тепла от горячих тел к холодным, которое будет продолжаться до тех пор, пока температура не установится на едином для всех тел – как в системе, так ее окружении – уровне. Другой важный параметр, характеризующий физическую систему, давление. При Неустойчиво Равновесном порядке давление внутри системы должно быть равно давлению на нее со стороны окружения. Экономические и социальные системы тоже описываются обобщающими параметрами, которые при Неустойчивом Равновесии должны постоянно принимать внутри системы соответствующие значения равные внешнему окружению. Устойчивое Равновесное состояние системы приводит систему к Хаосу. Способность возвращаться к исходному первоначальному устойчиво равновесному состоянию Хаоса – непременное свойство нерегулируемых систем. Нерегулируемые процессы встречаются в природе сплошь и рядом. Природа Устойчивого неравновесного Порядка другая. Этот вид Порядка существует только при условии постоянной подачи энергии (или питательной массы) извне. Действительно, ведь Устойчивая неравновесность – неодинаковость параметров системы и среды – вызывает потоки тепла и массы. Поэтому для поддержания как Неустойчиво-равновесного, так и Устойчиво-неравновесного Порядка требуется компенсировать потери, к которым приврдят необратимые «выравнивающие» потоки. Другими словами, нужны энергетические затраты. Если подпитку энергией прекратить, то система «свалится» из Порядка в состояние устойчиво-равновесного Хаоса. Потери, связанные с перетеканием тепла или массы, называется диссипативными, поскольку их физическая сущность – рассеяние энергии, как говорят, ее диссипатизация. Диссипатизация энергии – переход части энергии упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных процессов, в конечном итоге – Беспорядок-Хаос.
Обычно под Хаосом всегда понималось неупорядоченное, случайное, не прогнозируемое поведение элементов системы. Скорость перехода системы от состояния Порядка к состоянию Хаоса определяется количеством ее степеней свободы. Хаос это отражение неопределенного поведения большого количества частиц, которые, сталкиваясь, разрушают упорядоченную систему в количество частей неупорядоченного поведения. Система (от греч. systema – целое, составленное из частей; соединение), множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определенную целостность, единство.
Наиболее характерный пример такой картины – броуновское движение мелких частиц в воде. Оно отражает хаотические тепловые перемещения громадного числа молекул воды, случайным образом ударяющих по плавающим в воде частицам, вынуждая их к случайным блужданиям. Такой процесс оказывается полностью непредсказуемым, не детерминированным, поскольку точно установить последовательность изменений в направлении движения частицы невозможно – мы ведь не знаем, как движутся все без исключения молекулы воды.
Но что отсюда следует? А вот что: становится невозможным вынести такие закономерности, которые позволили бы точно прогнозировать каждое последующее изменение траектории частицы по предыдущему ее состоянию. Иными словами, не удается надежно, достоверно связать между собой причину и следствие или, как выражаются специалисты по математической физике, формализовать причинно-следственные связи. Такой вид Хаоса можно назвать не детерминированным. Другими словами, мы не в состоянии предвидеть или грубо охарактеризовать поведение системы на достаточно большом отрезке времени и в первую очередь потому, что принципиально отсутствуют аналитические решения.
Первоначальный Хаос, представляемый собой неопределенное поведение Абсолютным Законам большого количеств частиц, желает познать сам себя, как единое целое! Весь вопрос заключается в том, а может ли часть познать целое? Возникший как Идея из Хаоса, Бог – Сознание-Причина-Воля должен создать из Хаоса-Беспорядка – Единое Целое Порядок! Для создания Единого Целого Порядка Бог-Воля обязан ограничить Свободу частиц Хаоса! Отсюда Бог-Сознание-Причина-Воля – проявляет свое влияние, власть – авторитарность. Авторитарность (от лат.autoritas – влияние, власть). Значит Бог, осуществляя Единое Целое Порядок в Космосе Вселенной – Авторитарный. Но Парадокс Бога – Сознания-Причины-Воли заключается в том, что, по сути, являясь вечным и бесконечным порождением Абсолютных законов Хаоса, он своей Волей хочет себя ограничить в Едином Целом Порядке, чего не может быть. Отсюда можно сделать вывод, что Часть никогда не познает Целое! Можно познать Законы Порядка, но никогда нельзя познать Законов Хаоса.
Примечание. Основываясь на вышеизложенном можно сделать следующие выводы:
1. Авторитаризм, ограничивая большинство свобод, приводит любую систему и даже государственную систему в Порядок.
2. Представляя системе неограниченную Свободу, вседозволенность приводит эту систему к Хаосу. Демократия, предоставляя неограниченные свободы, приводит государственную систему в Беспорядок – Хаос!
Когда порой вы чувствуете растущий уровень энтропии, но не понимаете почему, ответ кроется в физике: стремление мира к Хаосу – фундаментальное свойство природы.
Как вообще измерить Хаос? В физике для измерения Хаоса используют величину, которая называется энтропией системы. Чем больше энтропия, тем менее упорядочена система. В состоянии равновесия энтропия максимальна. Французский математик Анри Пуанкаре для определенного типа систем заметил интересную вещь: в результате эволюции этих систем со временем они возвращались в свое первоначальное состояние, хотя изначально казалось, что стремятся они лишь в сторону Хаоса. Такой цикл назвали циклом Пуанкаре. Естественно, что согласно философии Диалектики Дуализма Абсолютного Парадокса Вселенная началась с «Абсолютоовума», который имел минимум степеней свободы и представлял собой Порядок. Совершая следующий цикл — создание Вселенной «Абсолютоовум» порождает Хаос. В Хаосе Вселенной возникает Идея – Бог, который авторитарно используя свою Волю, строит Порядок. Поэтому любой Порядок энергозатратен. Так как Энергия неограничена в Свободе Хаоса, то Порядок, структурируя энергию, ограничивает ее в Свободе Хаоса. Если предоставить Энергии свободу, то она согласно же Второму Закону Термодинамики, из внутреннего ограниченного объема рассеивается во внешней неограниченный объем, превращая Порядок в Хаос-Беспорядок. Отсюда Порядок требует постоянного возобновления рассеянной Энергии и контроля ее Свободы. Это эволюционное направление борьбы с Энтропией Хаоса-Беспорядка. Однако здесь проявляется Парадокс — борясь с Энтропией Порядок системы постоянно усложняется, т.е деградирует. На определенном этапе, когда деградация системы достигает высшей степени, система революционизирует порождая более качественные элементы системы. И обновленная система начинает эволюционировать и деградировать до нового качественного цикла. Естественно конечным результатом является возвращение к начальному циклу – Порядку Абсолютоовума.
Напрашивается очень интересная мысль. Да, действительно, газ из взорвавшегося гелиевого шарика в одну кучу обратно не соберется, но что, если подождать дальше? Что, если цикл Пуанкаре для такой системы очень большой? Есть целые космологические модели, основанные на гипотезе возврата Пуанкаре, одна из них принадлежит известному математику Пенроузу. По его мнению, Вселенная сначала раздувается. Затем схлопывается обратно, затем снова взрывается, раздувается и вновь схлопывается, повторяя в точности предыдущий цикл. Но у такой теории циклической Вселенной есть большой минус: официальная наука не знает таких процессов, способных заставить Вселенную схлопнуться. Где их искать? Так и хорошо официальная наука знает нашу Вселенную? Данные телескопа Planck показали, что примерно 98% энергии нашей Вселенной не заключено в звездах и вообще в обычном веществе, из которого состоим мы. Мы с грехом попалам знаем лишь о 2% нашей Вселенной, а об остальных 98% не знаем вообще ничего. То есть если представить, что наша Вселенная – это большой прекрасный замок с башнями мостами, тронными залами и прочим, то из подвала мы пока не выходили, и кто знает, какие тайны ждут нас там наверху.
Теперь разберемся во всем этом исходя из выводов философии Диалектики Дуализма Абсолютного Парадокса.
Эволюция во Вселенной это Деградация. Эволюция-Деградация заключается в усложнении любой системы во времени. Усложнение элементов системы ведет к их количественным изменениям. В результате увеличивается количество степеней свободы. С увеличением степеней свободы понижается надежность элементов во времени – происходит эволюционная деградация системы. Дойдя до определенной степени эволюции-деградации элементы системы революционизирует в новом качестве. И цикл эволюции-деградации начинается заново. Отсюда можно сделать вывод, что Время Вселенной способствует эволюционной деградации. Циклы эволюции-деградации во времени делают качественные революционные изменения элементов, которые повторяют эти циклы во Времени. Системы Вселенной постоянно возвращается в первобытный Хаос, поэтому требуют энергетические затраты для поддержания Порядка. Когда заканчивается Время Вселенной, заканчивается жизненный цикл самой Вселенной. Хаос Вселенной возвращается в Порядок «Абсолютоовума». И все начинается заново. Необходимо пересмотреть развитие Вселенной. Пространство Вселенной – Хаос, упорядочение Вселенной всегда волевое с затратой энергии. Вселенная всегда стремится возвратиться в свое первоначальное хаотическое состояние. Порядок Вселенной эволюционирует – деградирует, достигая определенной степени деградации Порядок революционизирует переводя элементы Вселенной в новое качественное состояние. Если Эволюция это деградация – усложнение, увеличение степеней свободы элементов системы, то Революция это качественное упрощение уменьшение степеней свободы элементов системы. Отсюда Вселенная развивается, циклично возвращаясь в свое первобытное состояние из Хаоса Вселенной в Порядок Абсолютоовума в процессе Эволюции-Деградации и Революции-Прогресса.
Хочу привести пример возвращения из порядка в хаос в течение определенного количества времени. В свое время мне пришлось в 90-е годы посетить территорию складской базы города Москва. Меня поразило разрушение тех складских помещений, которые не были, продолжительное время задействованы в эксплуатации. Все выглядело как после «атомной бомбардировки» — бетонные плиты разрушены, их арматуры были закручены, различные структурные составляющие зданий выглядели, будто их специально разрушали какие-то великаны. У меня создалось такое впечатление, что если бы даже было задание все это так разрушить, то не это сделать было бы невозможно. Этот хаос произошел за какие-то 10-15 лет. Чтобы воссоздать этим развалинам первоначальный вид, необходимо затратить огромные энергетические затраты. Собственно такое хаотическое состояние можно наблюдать на примере заброшенных зданий и сооружений
Источник