Энтропия

Представьте разлетевшиеся в стороны прозрачные осколки, красные подтеки на полу и вашу досаду…

… Досаду от своего таланта утилизировать дорогие вина самым дурацким способом, разбивая бокалы об пол.

Все мы порой рукожопы, и было бы круто, если бы можно было вернуть всё обратно, да? Представьте, например, как кусочки разбитого стекла сползаются обратно в изящный бокал, вино бордовыми щупальцами заползает в него, а досада превращается в радость предвкушения. Заснимите это на камеру и вам, разумеется, никто не поверит. Скажут, мол: кого ты пытаешься обмануть, ты же просто прокрутил видео в другую сторону.

Но почему это выглядит так неестественно? Почему мы не наблюдаем, как семена одуванчика прикрепляются обратно к сердцевине цветка ветром и никто никогда не видел, как в чашке молоко отделяется от кофе? Почему мы вообще называем один процесс обратным, как бы подразумевая, что есть некий истинный, прямой путь, а этот – противоположный. И первым объяснением, которое приходит в голову, будет физика. Наверняка это невозможно, потому что какие-то физические законы запрещают некоторым процессам протекать в обратную сторону. Это было бы и правда очень удобным объяснением, осталось лишь понять, какие это законы. И вот, где начинаются проблемы.

Давайте попробуем рассмотреть процесс вблизи, и на примере зёрнышка одуванчика, парящего в воздухе, понять, в какой момент его движение нарушит закон физики. Оно совсем недавно оторвалось от цветка и сейчас дрейфует в потоках воздуха: у него нет цели, только путь – и в общем-то, этот путь может быть… любым. Вправо-влево, вверх-вниз, по спирали, да не важно. Пока мы наблюдаем за перемещениями лишь одного отдельного семечка, мы не поймем, какова тенденция его движений и куда оно стремится. И вот парадокс: даже если оно в этот момент плывет обратно по направлению к цветку, чтобы прирасти обратно, мы не увидим ничего противоестественного в его перемещениях. Просто подхваченное ветром семечко, просто летит фиг пойми куда.

Выходит, нет такого закона, который запрещал бы зернам одуванчика вернуться к цветку под порывами ветра, а частицам стекла под влиянием каких-то спонтанных волнений воздуха перегруппироваться обратно в ёмкость. Для каждого семечка, кусочка, каждой молекулы работают одни и те же правила, и физика ничего нам не говорит про невозможность подобных перемещений. А мы, к сожалению, не можем просто отмахнуться и сказать, что физические законы запрещают обратные процессы. Это не причина, по которой мы их не наблюдаем.

Тем не менее, каким-то образом, при масштабировании, мы начинаем чувствовать подвох. Взглянем на ситуацию с чуть более дальнего ракурса, и вот, группа семян, покорно летящая в одном направлении, уже начинает вызывать подозрения. И если мы не имеем права говорить, что такой процесс невозможен, то у нас есть другой потрясающий ход: просто назовем процесс маловероятным. Причем настолько маловероятным, что практически невозможным, лол))

Что нам нужно сделать, чтобы восстановить бокал вина в изначальное состояние? Каждый кусочек, каждую каплю и молекулу нам придется развернуть и направить в конкретную точку пространства, относительно других молекул. Просто представьте, как много различных конфигураций разбитого стекла после падения существует, какими миллионными способами могут разлететься в воздухе семена одуванчика, а вот их изначальное состояние – лишь одно единственное. Именно его особенность и исключительность делает обратные процессы столь маловероятными.

И именно этот смысл несет в себе идея энтропии.

Вообще слово “энтропия” из-за своего абстрактного понятия и заумного звучания сейчас используют как попало и где попало. Недавно я вот увидел его в рекламном объявлении бизнес-курсов в варианте “энтропия коммерческой организации” (чес слово, я не знаю, что они имели в виду). В физике же очень часто ее определяют как “меру беспорядка, неупорядоченности”, “меру хаоса” – если изволите. Многие, кстати, на это определение презрительно цыкают, но вообще-то оно очень неплохое для начала.

Энтропия позволяет нам количественно описать разницу между целым и разбитым бокалом. Первое – высокоупорядоченная структура, составляющая нечто уникальное и конкретное, второе – один из тысяч вариантов беспорядочной конфигурации осколков и капель. Тогда у первого, еще целого бокала, энтропия гораздо ниже, чем у разбитого, а у семян одуванчика на стебле – ниже, чем у кучки летающих семян в воздухе. Уловили, да? Чем упорядоченнее система, тем ниже ее энтропия.

Таким образом, состояния с более высокой энтропией имеют более высокий шанс на существование: если вам угодно, можно сказать, что в окружающем мире более предпочтительны процессы с повышением энтропии, а сама энтропия так и стремится постоянно возрастать. Звучит знакомо? Разумеется, ведь это второе начало термодинамики – “в изолированной системе энтропия либо остаётся неизменной, либо возрастает”.

Считать беспорядок нас научил великий Больцман (на его могиле высечена формула энтропии), физик с печальной судьбой, идеи которого не приняло научное общество его времени. Он показал, что второе начало термодинамики о рассеивании энергии – имеет статистический характер. Это есть ничто иное, как естественная тенденция систем переходить от упорядоченного состояние в беспорядочное, от низкой энтропии к высокой. И причина – умилительно проста: в природе существует гораздо больше вариантов хаотичных систем, чем систем упорядоченных, и вероятность хаоса выше чем порядка.

И это не закон физики, это логика чисел и теории вероятности, которые делают энтропию – фундаментальным определением в физике. Альберт Эйнштейн называл энтропию и второй закон термодинамики единственными открытиями в устройстве мира, которые никогда не будут опровергнуты. Он считал, что и его теория относительности и законы Ньютона – лишь модели, приблизительно описывающие мир, которые впоследствии будут дополнять и уточнять. А второе начало термодинамики даже нельзя назвать моделью, ибо оно опирается на законы чистейшей математики, потому оно нерушимо и потому, если вы накосячили и разбили бокал, не ждите пока он склеится обратно – идите за новым.

Второй закон термодинамики гласит, что при движении «вперед» во времени энтропия изолированной системы может увеличиваться, но не уменьшаться. Таким вот удивительным образом, измерение энтропии — это в общем-то, способ отличить прошлое от будущего, который называется термодинамической стрелой времени. И это же утверждение рождает одну из самых популярных нерешенных загадок физики: почему?… *театральная паузка*

Почему время имеет направление? И чем оно так отличается от пространства, где мы можем без особых усилий двигаться вперед-назад?

Есть и еще один вопрос. Двигаясь назад во времени, по второму закону термодинамики, мы будем постепенно уменьшать и уменьшать энтропию, пока не придем к некой начальной крайне высокоупорядоченной точке с самой низкой энтропией – началу нашей Вселенной. Ну и там Большой Взрыв и все такое, по классике. Проблема лишь в том, почему у ранней Вселенной была такая низкая энтропия? Можно сравнить разбивание бокала с Большим взрывом: будь мы в нем маленькой капелькой вина, мы бы сейчас с вами зависли где-то среди медленно разлетающихся осколков на пути к полному беспорядку. Но мы-то знаем, как сделали бокал, как его загнали в такое низкоэнтропийное состояние. А вот как в низкоэнтропийное состояние загнали Вселенную – это еще одна нерешенная проблема.

Накинем еще парочку вопросов вдогонку. Описанная выше тенденция систем стремиться от порядка к беспорядку, в принципе, уже может стать ответом на наш вопрос о том, почему видео с бокалом вина, собирающимся по кусочкам с пола, воспринималось бы нами как прокрученное в обратную сторону. Да, это событие возможно, просто его вероятность столь мала, что с точки зрения нашего жизненного опыта, оно выглядит неестественным, и мозг скорее расценит это как трюк. Но почему?

Связь физического времени с нашим его восприятием – наверное, самый философский вопрос из перечисленных. Я специально несколько раз акцентировал внимание на том, что наш мозг так привычен к понятиям прошлого и будущего, что некоторые процессы автоматически расценивает как прямые, а некоторые как обратные. Мы замечаем ход времени, просто глядя на разбивающийся окал. Кроме того, из-за того, что время имеет направление, существуют такие более глубокие понятия, как опыт, память (мы же не можем вспомнить будущее, верно?) и воля (мы можем повлиять на будущее, но не на прошлое).

Различается ли физически настоящее время от прошлого и будущего, или это просто состояние сознания? И если наше ощущение времени – лишь эволюционная адаптация мозга к увеличению энтропии в мире, то можем ли мы выйти за рамки этого восприятия и отстраниться от него?

Пожалуй, на сегодняшний день это один из самых общих нерешенных вопросов в физике – энтропия, как стрела времени.