Вселенная разумная - Максим Карпенко

Этим я вовсе не хочу заявить о своих претензиях на исчерпывающее объяснение понятия энтропии - я только прощу снисхождения у читателя, который сделал бы это лучше меня: приведенные ниже рассуждения являются компиляцией из разных симпатичных мне книг.

Кроме того, я прошу заинтересовавшегося читателя почаще обращаться к специальной литературе, хотя бы для того, чтобы спорить со здесь написанным.

Итак, с точки зрения классической термодинамики величина энтропии выражает способность энергии изолированной системы к превращениям или - менее корректно, но более, быть может, понятно, - разность энергетических потенциалов между системой и средой.

Возьмем хорошо заряженную электрическую батарею и присоединим к ней лампочку. При помощи такой нехитрой операции мы можем превращать электрическую энергию в свет, или, другими словами, потенциальную энергию батареи в кинетическую энергию летящих фотонов.

Электрическая энергия батареи в этом опыте будет расходоваться на нагрев спирали, то есть переходить в тепло, которое будет безвозвратно рассеиваться или диссипировать в окружающее пространство. Этот переход, как говорит нам наш опыт, будет необратимым.

Термин "необратимый" означает, что рассеянная энергия в нашу батарею сама по себе уже вернуться не может. При полном разряде батареи вся электрическая энергия батареи превратится в конечном итоге в теплоту и наступит состояние энергетического равновесия между батареей (системой) и окружающей средой. Здесь можно сказать, что энтропия батареи достигла максимума, который характеризует наступление равновесного состояния, когда дальнейшие энергетические превращения становятся уже невозможными.

Это удивительное стремление изолированных систем "быть как все и не выделяться" свойственно и сжатой пружине, и сосуду со сжатым газом, и водоему в горах, не имеющему притока (=изолированному) и низвергающемуся водопадом в долину. Это и хорошо знакомое автомобилистам коварное стремление предоставленного самому себе (изолированного) аккумулятора к саморазряду, и форма песчаной насыпи, и остывающий на выключенной плите чайник - запасенная в изолированной системе энергия тем или иным путем в конце концов рассеивается в пространстве, девальвируется. Система стремится к состоянию с максимумом энтропии, соответствующему нулевой разности потенциалов между собой и средой.

Эта направленность развития изолированных систем и является содержанием Второго закона, или начала термодинамики, говорящего о том, что "энтропия любой изолированной системы со временем повышается".

Творцы Второго начала Р. Клаузиус, в 1865 году сформулировавший представление об энтропии, и В. Томсон применили его ко всей Вселенной в целом. Грустный результат этой гигантской экстраполяции, известный как концепция "тепловой смерти Вселенной", вот уже более ста лет служит предметом научных споров.

Проведенные в последние десятилетия теоретические исследования больших микро- и макросистем привели к появлению целого ряда научных дисциплин, базирующихся на законах больших чисел и в том числе статистической физики, в рамках которой понятие об энтропии трактуется несколько отличным от термодинамического образом.

С точки зрения статистической физики энтропия выражает вероятность состояния системы и возрастает при переходе от состояний менее вероятных к более вероятным. С этим тесно связано понятие об упорядоченных и неупорядоченных системах. Для нашего мира характерна крайне низкая вероятность существования упорядоченных систем: колода, где карты разложены по мастям и старшинству, дом, построенный, например, из кирпича, или типографский шрифт, набранный в страницу текста, - упорядочены, менее вероятны и обладают минимумом энтропии в противоположность той же колоде беспорядочно перемешанных карт, куче кирпича и беспечно разбросанным на риале типографским литерам.

Однако в приведенном выше статистическом определении энтропии заметна некоторая некорректность, связанная с неопределенностью понятий "порядок" и "беспорядок". Этим словам трудно дать определение, понятное всем, но интуитивно мы представляем себе "порядок" как нечто свойственное набору элементов, расположенных по какой-то логике, являющихся частью системы. Соответственно там, где не существует никакой логической системы, элементы находятся в "беспорядке".

Мы можем определить место каждой карты в упорядоченной колоде, каждого кирпича в построенном доме и можем прочитать набранную страницу осмысленного текста. Но текст может быть набран на незнакомом языке и быть, таким образом, упорядоченным для человека, знающего этот язык, и неупорядоченным для незнающего.

Тогда критерием упорядоченности становится представление о смысле написанного, об информации, которую несет текст. Таким образом, энтропия оказывается тесно связанной с информацией. Эта чрезвычайно важная связь теоретически подтверждается в теории информации, где формально показывается, что математическое выражение для информации тождественно выражению для энтропии, взятому с обратным знаком.

Информация как мера упорядоченности системы представляет внутреннее состояние системы и обычно называется структурной, в отличие от относительной информации, связанной всегда с отношением двух (или более) систем.

Для систем, обладающих некоторой упорядоченностью. Второе начало термодинамики определяет направление самопроизвольных процессов в сторону увеличения беспорядка и повышения энтропии.

Дом, например, являющийся упорядоченной системой из кирпичей, в конце концов, если его не ремонтировать (=изолированная система), рухнет - мы, разумеется, не считаемся со временем, которое уйдет на этот эксперимент. Но вероятность того, что из груды кирпича однажды самопроизвольно возникнет Сухарева башня или храм Христа Спасителя, практически равна нулю.

Таким образом, обобщая, можно сказать, что Второе начало термодинамики, или закон возрастания энтропии, говорит о выравнивании энергетических уровней различных систем, о стремлении систем к беспорядку, деградации, о торжестве Хаоса над Космосом.

Но наука XIX века оставила нам в наследство еще одну великую теорию, теорию, блестяще подтверждающуюся колоссальным фактическим материалом, даже самим фактом существования как пишущего, так и читающего эти строки, но тем не менее являющуюся полной противоположностью теории Клаузиуса-Томсона. Это теория эволюции Дарвина, сформулированная практически одновременно (1859 г.) со Вторым началом термодинамики. Теория Дарвина утверждает, что в мире происходит непрерывное возникновение все более сложно организованных живых структур и систем, говорит о постоянном созидании, организации, структурировании.