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