Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания - Джим Аль-Халили

ее энтропия увеличивается. Причина та же, что увеличение энтропии мячика, когда он скатывается с холма из-за силы притяжения Земли. Эти сгустки можно представить, как растянутую пружину, которую вдруг отпустили, или как часы, у которых кончается завод: по мере того как они теряют способность совершать полезную работу, их энтропия увеличивается. Таким образом, когда молекулы газа в определенной части облака случайно оказываются на время ближе друг к другу, чем при их равномерном распределении, это означает временный уход от максимальной энтропии. Чтобы энтропия снова увеличилась, по второму закону термодинамики эти молекулы могут сделать одно из двух. Они могут либо вновь разойтись в стороны друг от друга до своего прежнего состояния термального равновесия, либо вследствие действия взаимного притяжения, наоборот, собраться в сгустки. В любом случае их энтропия возрастет.

Рис. 3. Увеличение энтропии: частицы в емкости, которые слегка отошли от состояния равновесия (низкая энтропия), могут увеличивать свою энтропию либо путем перераспределения до достижения равновесия, либо путем образования сгустков под воздействием силы притяжения. В любом случае они повышают свою энтропию и следуют второму закону термодинамики

Теперь вам следует спросить: что же может вызвать такое отклонение от состояния максимальной энтропии? А дело в том, что материя и энергия в нашей Вселенной изначально находились не в состоянии термического равновесия, а в совершенно особом состоянии низкой энтропии, обусловленном самим Большим взрывом. Эти изначальные условия на квантовом уровне привели к возникновению в пространстве-времени огромного количества нарушений, которые начинали играть все большую роль в «космической ткани» по мере расширения Вселенной. Так что в процесс распределения материи была изначально заложена некоторая неравномерность. По мере того как Вселенная продолжала «раскручиваться», материя, которая была достаточно плотной, чтобы влияние притяжения оказалось значимым, в конце концов образовывала сгустки, а в дальнейшем – звезды и галактики. Молекулы водорода и гелия в космосе попадали в гравитационные колодцы, образуемые звездами, тем самым вызывая рост энтропии. Однако, что важно, эта энтропия не достигает максимума, поскольку звезды не находятся в состоянии термического равновесия, оставаясь, однако, резервуарами низкой энтропии, а термоядерные реакции в них высвобождают избыточную энергию в виде тепла и света. Именно такая энергия, исходящая от нашего Солнца, делает возможной жизнь на Земле. Растения используют ее в фотосинтезе для создания биомассы, накапливая полезную энергию с низкой энтропией в молекулярных связях органических соединений; затем ею могут воспользоваться другие живые существа, а в конечном счете и люди, которые поглощают растения в виде пищи.

Сама Земля тоже имеет запас полезной энергии, которая вместе с энергией Солнца определяет ее климат, тогда как гравитационная энергия Луны и Солнца управляет океанскими приливами. Все это обеспечивает полезные запасы низкой энтропии, которыми мы можем воспользоваться. Например, вода в верхней части водопада стекает под воздействием силы притяжения, превращая таким образом потенциальную энергию в кинетическую, которой мы можем пользоваться, построив гидроэлектростанции, генерирующие электричество. Конечно, всегда будет происходить некая потеря эффективности – согласно второму закону в целом необходим некоторый рост энтропии в виде бесполезного тепла.

Однако в мире происходит нечто гораздо более существенное, чем просто переход энергии из одной формы в другую.

Направленность времени

Если какая-либо физическая система, включая Вселенную, всегда развивается от упорядоченного состояния с низкой энтропией к неупорядоченному состоянию с высокой энтропией, то это нам задает направление течения самого времени: второй закон термодинамики позволяет нам различать прошлое и будущее. Это может показаться несколько странным; в конце концов, для того, чтобы понять, что вчера – это прошлое, нам не нужен второй закон термодинамики. В вашем мозгу хранится память о событиях этого дня, хотя сами события навсегда остались в прошлом. Между тем завтра неизвестно – ему еще предстоит произойти. Эта стрела времени, направленная из прошлого в будущее, как мы интуитивно чувствуем, является более фундаментальной принадлежностью реальности, а второй закон на нее опирается. А на самом деле все наоборот: второй закон термодинамики следует считать основой стрелы времени. Без второго закона не было бы ни будущего, ни прошлого.

Представьте себе, что мы смотрим фильм про нашу емкость с воздухом (а молекулы воздуха достаточно велики, чтобы мы могли их увидеть). Они будут метаться туда-сюда, сталкиваясь друг с другом и со стенами емкости, – некоторые побыстрее, другие помедленнее. Но если воздух находится в состоянии термического равновесия, то мы не сможем сказать, показывают ли нам фильм от начала к концу или от конца к началу. В масштабе молекулярных столкновений нам не удалось бы различить никакой направленности во времени. Без роста энтропии и стремления к равновесию все физические процессы во Вселенной могли бы с тем же успехом двигаться в обратном порядке. Однако, как мы видели, это стремление Вселенной и всего в ней к равновесию сводится к статистической вероятности событий на молекулярном уровне: от того, что может случиться с наименьшей вероятностью, к тому, что может случиться с большей, – согласно законам термодинамики. В направленности времени из прошлого в будущее нет ничего таинственного; это просто вопрос статистической неизбежности.

Если иметь это в виду, то даже тот факт, что я знаю прошлое, но не знаю будущего, больше не кажется странным. Когда я наблюдаю мир вокруг, увеличивается объем информации в своем мозгу – процесс, в ходе которого по мере работы моего мозга вырабатывается бесполезное тепло, а значит, растет энтропия моего тела. Даже сама наша способность различать прошлое и будущее с точки зрения термодинамики является не более чем проявлением второго закона в отношении нашего мозга.

Детерминизм и случайность

Изложенное выше может привести вас в замешательство – и это будет справедливо. Безусловно, различие между прошлым и будущим – это больше, чем статистическое стремление произвольно сталкивающихся молекул к равновесию или различие между перемешанной и неперемешанной колодой карт. В конце концов, прошлое фиксировано – мы помним только одну последовательность событий, одну историю. И наоборот, в будущем для нас открыто бесчисленное количество возможностей[24].Большинство событий, которые произойдут завтра, окажутся для вас неожиданными, да и мой день может пойти самым различным образом, в зависимости от того, как сойдутся