radio.syg.ma


radio.syg.ma is a community platform for mixes, podcasts, live recordings and releases by independent musicians, sound artists and collectives
Create post

Больше, чем физика. Часть 14. Порядок и хаос

Александр Чушков


Предоставленные сами себе, события

имеют тенденцию развиваться от плохого к худшему

(из законов Мерфи)


Когда я сказал, что в следующий раз мы поговорим либо об эволюции, либо о втором законе термодинамики, я, конечно же, слукавил, потому что уже тогда точно знал, чему будет посвящён следующий выпуск. Но чего не сделаешь, ради красного словца? Раз уж говорил о случайных событиях, о вероятностях, о предсказании будущего, то почему бы и не поиграть в интригу? А ну, угадайте, о чём будет следующая серия? Ставки принимаются.

На самом деле, я уже тогда точно знал, что в следующий раз я буду говорить именно о втором законе термодинамики. Тут может, кто-то спросит, а почему сразу второй? А где же первый? А первый закон термодинамики у нас уже был. Это ни что иное, как закон сохранения энергии в применение к тепловым системам. Есть глобальный закон сохранения, а есть его частный случай — первый закон термодинамики, который говорит о том, что полная энергия тепловой системы остаётся постоянной при любых процессах внутри этой системы. Или ещё есть такая его формулировка, что количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение её внутренней энергии и на совершение этой системой работы. Ещё из первого закона (или, как его ещё называют, первого начала) термодинамики следует невозможность вечного двигателя, который бы совершал работу только за счёт своей внутренней энергии, без участия внешних источников.

Что вообще даёт нам первый закон (или первое начало) термодинамики? Он задаёт определённые рамки, в которых могут происходить тепловые процессы. Но и не только тепловые, закон сохранения энергии применим к любым физическим процессам. Есть замкнутая система, и полная энергия этой системы не меняется. Если мы хотим выйти за эти рамки, нам надо разомкнуть систему. Об этом мы уже говорили, затрагивая, в том числе, и процессы экономические. Поэтому на первом законе термодинамики задерживаться больше не будем, перейдём, наконец, ко второму.

У второго закона (или второго начала) термодинамики тоже есть несколько формулировок. Пожалуй, самая короткая из них звучит так: энтропия замкнутой системы не может уменьшаться. Самая короткая, но при этом непонятная, да? Потому как не понятно, что такое энтропия? Может, слово это вы где-то и слышали, но что оно означает?

Прежде, чем на этот вопрос ответить, я отойду немного в сторону. В школе изучение предмета физики начинается с того, что есть физические тела и физические явления. Я специально обращу ваше внимание, что в школе изучают не науку физику, а предмет физику. Чем одно отличается от другого, подумайте самостоятельно. Так вот, изучение предмета физики начинается, обычно, с того, что физика изучает физические тела и физические явления. А потом рассказывается, что у физических тел есть определённые свойства. Например, такое свойство как инертность — свойство тела сохранять свою скорость, или неподвижность. Но в физике мало говорить о свойствах тел, потому как, если изучать просто свойства, то это будет не физика, а природоведение. Физика начинается там, где возникает понятие меры. Есть тело, у тела есть свойство, у свойства есть мера. Если говорить об инертности, то её мера называется массой. Мера — это количественное выражение свойства, мера нам нужна для того, чтобы сравнивать тела по их свойствам. Более инертное тело обладает большей массой, менее инертное — меньшей массой. Массы можно количественно оценивать и измерять.

Но вот, о чём на первых уроках физики не говорят, а, по мере изучения предмета, часто забывают сказать, так это о том, что помимо физических тел, физика изучает ещё и системы тел. И у систем тоже есть определённые свойства, а у этих свойств — свои меры. Система — это не просто набор тел, это — нечто большее, и свойства системы не всегда состоят из свойств тех тел, которые в неё входят. Некоторые свойства систем те же, что и у отдельных тел, а некоторые — принципиально другие.

Все мы знаем, что тела состоят из молекул, а потому физическое тело — это одновременно и система тел. И если, например, массу тела можно рассматривать как общую массу всех молекул, из которых оно состоит, то температура тела не является общей температурой молекул. У молекул вообще нет температуры, у молекул есть кинетическая энергия, а температура — это свойство системы молекул, объединённых в физическое тело.

Температура — это, пожалуй, самое простое системное свойство, а есть и более сложные. Вот одним из таких более сложных (конечно же, не самых сложных) системных свойств является энтропия. Если температура — это мера средней кинетической энергии молекул, входящих в систему, то энтропия — это мера беспорядка в системе.

Помните, ещё в первой главе я говорил, что есть понятия в узком смысле и в широком смысле? Тогда мы это рассматривали на примере пути. Путь в физическом смысле, путь в бытовом смысле, в литературном. Так вот, слово «беспорядок» тоже имеет несколько смысловых уровней. Есть беспорядок в бытовом смысле, как мы его понимаем, а есть строгий физический термин. В физике беспорядок — это количество возможных состояний системы. Чем их больше, тем больше беспорядок в системе, и тем больше её энтропия.

Теперь о том, что значит это самое количество возможных состояний? К примеру, если мы бросаем монету, то там всего два возможных состояния: орёл и решка. Если — игральную кость, то там — шесть возможных состояний. В колоде карт — уже намного больше. Если кто знает такую игру как покер, то там смысл заключается в том, чтобы собирать определённые комбинации из 5 карт. Чем меньше возможных состояний для комбинации, тем она сильнее. Самая сильная — роял-флеш — имеет всего 4 возможных состояния. Если кто не знает, то роял-флеш — это 5 самых старших карт одной масти, от туза до десятки. Поскольку мастей — четыре, то и возможных вариантов роял-флеш — четыре. Стрит-флеш — это просто 5 карт одной масти подряд, не самых старших, имеет 32 возможных состояния, карэ — 4 карты одного ранга плюс любая пятая — 13×12=156 возможных состояний. Ну, и так далее, до пары и нулёвки. Вообще на примере игры в покер очень хорошо изучать комбинаторику и теорию вероятностей.

Но что оно всё значит, с точки зрения энтропии? Что, чем случай более уникальный, тем энтропия системы меньше. А чем случай заурядней, тем энтропия больше. А чтобы наглядно понять, как работает второе начало термодинамики, давайте возьмём колоду карт, карты в которой расположены в строгом порядке. Сначала пики от двойки до туза, потом трефы в таком же порядке, бубны и черви (джокеры мы брать не будем, чтобы не создавать лишних трудностей).

Такое состояние, которое соответствует абсолютному порядку, для колоды всего одно, соответственно энтропия данной системы (то есть, нашей колоды) минимальна. А теперь начнём её тасовать. Что произойдёт? Порядок в системе будет разрушен. И, в конце концов, после перемешивания колода утратит всякие остатки начального порядка. По ходу перемешивания энтропия будет неуклонно расти, и в конце нашего эксперимента придёт к максимально возможному значению.

Кстати, максимальная энтропия колоды карт имеет вполне определённое значение, есть формула, по которой её можно рассчитать, желающие могут найти, но предупреждаю, что формула не простая. Студенты технических специальностей, пожалуй, смогут посчитать, а вот у школьников и гуманитариев могут возникнуть трудности. Формула Больцмана, если кому интересно.

Так вот, вернёмся к тому состоянию, при котором всякий порядок в колоде карт будет окончательно и бесповоротно утрачен. Почему окончательно и бесповоротно? Потому что есть второе начало термодинамики, которое говорит о том, что энтропия замкнутой системы не может уменьшаться. Раз она достигла максимального значения, то и впредь будет оставаться на этом максимальном значении. Не верите? Можете сами проверить, тасуя колоду карт, вернётся ли она, как бы долго вы не тасовали, к изначальному состоянию порядка? Нет. Только если вы вмешаетесь и своим волевым решением разложите карты в нужном вам порядке, но в таком случае, это будет уже не замкнутая система, вы своим волевым вмешательством её размокнёте и влезете туда. А пока колода карт отдана воле случая, порядка в ней больше не станет.

Это, как вы понимаете, касается не только колоды карт, это касается любых замкнутых систем. Пока система замкнута, её энтропия может либо расти, либо оставаться неизменной. А если мы хотим понизить энтропию системы, нам придётся её разомкнуть, то есть, вмешаться в систему извне.

Возникает вопрос, а если вдруг нам невероятно повезёт, и в ходе случайных процессов, возникнет какой-то порядок? К примеру, по мере случайного тасования, карты выстроятся в строгом порядке? Может такое быть? В принципе, может, но вероятность такого события настолько мала, что на практике её можно не учитывать. А учёные по этому поводу говорят, что законы термодинамики говорят нам не о полном запрете некоторых событий, а лишь о ничтожной их вероятности. Например, существует ничтожная вероятность, что чайник, поставленный нами на горячую конфорку остынет, а конфорка ещё больше нагреется. Как такое может произойти с точки зрения физики? А так, что все быстрые молекулы случайно окажутся в конфорке, а все медленные — в чайнике. Но вероятность такого события настолько мала, что даже если бы вся наша Вселенная состояла из чайников, вряд ли бы мы за все миллиарды лет её существования где-то такое увидели.

Впрочем, ещё раз подчеркну, что всё это касается только замкнутых систем. В открытых системах всё это возможно. Холодильники, кондиционеры работают именно по такому принципу. Если вы обращали внимание, то задняя стенка холодильника всегда горячая, так же как и наружный блок кондиционера. Кондиционер разделяет холод и тепло, холод — в комнату, тепло — на улицу. Но всё это происходит только за счёт того, что мы подводим к этим приборам электроэнергию, которая и работает на разделение холода и тепла. Само по себе такое разделение происходить не может.

И вот тут мы подходим к одному интересному, я бы даже сказал, зловещему понятию в термодинамики. Называется оно тепловая смерть Вселенной. Что это такое? Раз само по себе разделение холода и тепла невозможно, само по себе происходит только смешение одного и второго, но, что всё это значит для нашей Вселенной?

Чтобы наглядно это представить, возьмите опять колоду карт, чтобы карты в ней были разложены в две группы — красные и чёрные. Пусть красные это будет тепло, то есть, быстрые молекулы, а чёрные — холод, то есть медленные молекулы. И начните их тасовать. Что произойдёт? Произойдёт естественное смешение красных и чёрных. А что должно произойти во Вселенной? За миллиарды лет быстрые и медленные молекулы должны окончательно перемешаться, и во всей Вселенной установится тепловое равновесие. Или, иными словами, энтропия Вселенной достигнет максимального значения. А раз значение энтропии станет максимальным, то, согласно второму началу термодинамики, меньше оно уже не станет. То есть, разделение на холодные и горячие места станет невозможным. Если вы не поняли, то это будет означать, что остынут все звёзды, и больше никаких горячих звёзд не появится. Это значит, что прекратятся все тепловые процессы во Вселенной. Вселенная превратится в равномерную тепловую пустыню. Вот это и будет её тепловая смерть.

Печально, да? А я думаю, печалиться не стоит. Ведь мы видим, что ничего подобного не происходит. И мало того, что Вселенная не приходит в состояние тепловой смерти, так ещё и на протяжении её существования происходит постоянно усложнение форм. Формируются новые звёзды, вокруг звёзд появляются планеты, на планетах зарождается жизнь (по крайней мере, на одной планете точно, но вполне возможно, что и на многих других тоже), которая, в свою очередь, тоже постоянно усложняется от простейших одноклеточных до самого человека. И некоторые плохо образованные граждане, в связи с этим, ставят под сомнение сам принцип не убывания энтропии, то есть, второе начало термодинамики. Но, как мы помним, у всякого закона есть своя область применения, и там, где надо, второе начало термодинамики работает безукоризненно. А там, где не надо…

А вот о том, где не надо, уже в следующий раз.

Подпишитесь на наш канал в Telegram, чтобы читать лучшие материалы платформы и быть в курсе всего, что происходит на сигме.

Author