Энтропия

Брюс Паркер

Океанограф, приглашенный профессор Центра морских систем Технологического института Стивенса. Автор книги The Power of the Sea: Tsunamis, Storm Surges, Rogue Waves, and Our Quest to Predict Disasters («Сила моря: цунами, штормовые приливы, волны-убийцы и поиски способа предсказывать катастрофы»).

Неужели у кого-то в самом деле хватит смелости отправить в отставку идею энтропии? Я не верю, что мы отбрасываем старые идеи до того, как появляются новые. Старые идеи уходят или модифицируются только после того, как разработаны новые, лучшие; они никогда не уходят на покой сами по себе. Так что нет, мы не должны отправлять идею энтропии в отставку, но, возможно, нам следует придавать этой идее чуть меньше значения и признать парадокс, который она создает.

Энтропия, мера беспорядка системы, занимает величественное место в физике – это часть закона, а не просто какая-нибудь теория. Второй закон термодинамики гласит, что в любой замкнутой системе энтропия со временем всегда возрастает. Если не будет проделана какая-то работа для предотвращения этого, то замкнутая система в конечном счете достигнет максимума энтропии и выравнивания температуры. Макс Планк считал, что энтропия (вместе с энергией) является важнейшим свойством физических систем. В книге The Nature of the Physical World («Природа физического мира», 1927) сэр Артур Эддингтон писал:

Я думаю, что закон, согласно которому энтропия всегда увеличивается – второй закон термодинамики, – верховенствует среди законов природы.

Должен признать, что, будучи молодым студентом-физиком в колледже, я не разделял этого энтузиазма (и я был не единственным студентом, которого эта фраза не впечатляла). Второй закон казался гораздо менее важным по сравнению с первым законом термодинамики, законом сохранения энергии: энергия может менять формы, но она всегда сохраняется. У первого закона были прекрасные дифференциальные уравнения в частных производных (как у всех уравнений сохранения в физике), чьи решения точно описывали и предсказывали так много в мироздании и в буквальном смысле изменили нашу жизнь. Второй закон не был уравнением сохранения, и у него не было прекрасных дифференциальных уравнений в частных производных. Он даже не был равенством. Разве идея энтропии и второй закон оказали большое воздействие на науку и технику или изменили мир?

Второй закон был статистическим законом, изначально он представлял собой обобщение заключений, сделанных при наблюдении за движением молекул или частиц. Будучи студентами, мы могли легко понять классический пример того, как горячие (быстро движущиеся) молекулы в одном конце закрытого сосуда смешивались с холодными (медленно движущимися) молекулами в другом конце и почему они не могли снова разделиться, когда уже были вместе и имели одну температуру. Мы понимали, почему это необратимо. И мы понимали концепцию стрелы времени. Конечно, математика первого закона (и другие уравнения сохранения в физике) работали в обоих направлениях времени, но, имея изначальные условия и граничные условия, мы всегда знали, в каком направлении идет движение. Нам не казалось, что тут нужен еще один закон. На самом деле второй закон (применяемый сейчас к любым ситуациям) казался скорее предположением, чем законом. Особенно когда он применялся ко всей Вселенной, которую мы так мало понимаем.

Что касается Вселенной (а она может быть и больше той Вселенной, которую мы сейчас можем наблюдать), то первый закон говорит нам, что вся энергия в ней будет сохранена, хотя, возможно, и преобразована в разные формы. Но второй закон гласит, что в какое-то время в будущем трансформации энергии станут невозможны. Вселенная достигнет некоего состояния максимальной энтропии и равенства температуры повсюду. Второй закон, по сути дела, утверждает, что у Вселенной должны быть начало и конец. Это очень трудно принять. Вселенная должна быть вечной, потому что если у нее было начало, то что было до этого начала? Что-то не может возникнуть из ничего (под «ничего» я имею в виду полное отсутствие чего бы то ни было – даже таких вещей, о которых мы еще не знаем).

Нынешняя теория Большого взрыва предполагает, что у Вселенной так или иначе было начало и что вселенная в своем нынешнем виде расширяется из сингулярности. Но мы не знаем, что было прежде этого, и поэтому, чтобы объяснить вечную Вселенную, выдвигаются ее циклические модели. Если принять такую модель – энтропия очень высока в конце нашей Вселенной и была очень низкой в ее начале, – то какой процесс мог бы перезапускать энтропию, снова возвращая ее низкое значение? Если брать цикличную Вселенную, то не должна ли энтропия каким-то образом сохраняться? Не может ли существовать какой-то тип сохранения энергии, который не требует работы (в классическом смысле)? Не может ли Вселенная быть единственным и единственно возможным вечным двигателем (то есть явлением, которое запрещено вторым законом)? Если бытие бесконечно во времени, то, пожалуй, да.

И в других отношениях вся эта идея энтропии всегда казалась неправильной или неуместной. Мы говорим, что Вселенная движется от порядка к беспорядку. Но этот предполагаемый порядок сводится к тому, что всё вещество Вселенной было сжато в очень маленький объем, в сингулярность, а когда Вселенная расширяется, то становится меньше порядка, потому что расстояние между частицами увеличивается. Однако при этом все время создается порядок.

Величайшим результатом нашей расширяющейся и развивающейся Вселенной является ее постоянно растущая сложность. Сначала благодаря гравитации возникают объекты с плотностью, сильно отличающейся от средней, – звезды; затем сложность увеличивается из-за синтеза тяжелых химических элементов во время взрывов сверхновых звезд; затем – в ходе химической эволюции, а потом – и в ходе эволюции биологической, которой движет естественный отбор и которую венчает невероятная сложность нашего мозга.

Сложность – это синоним низкой энтропии. В расширяющейся Вселенной есть бесчисленное множество маленьких (по сравнению с размером самой вселенной)«карманов» исключительно низкой энтропии, окруженных обширными зонами более высокой энтропии (многие из которых появились именно в результате создания этих «карманов»). Берутся ли в расчет более высокие порядки сложности (и, соответственно, более низкие порядки энтропии) при попытках сбалансировать энтропию Вселенной? Многие сегодняшние научные работы по космологии пытаются суммировать всю энтропию Вселенной с помощью формул, которые, видимо, слишком просты для того, чтобы учесть все доселе неведомые физические процессы, происходящие в нашей странной Вселенной.

Мы не можем отправить энтропию в отставку, но, может быть, нам стоит переосмыслить ее?