Величие второго начала термодинамики

Существует один из важнейших законов физики: второе начало термодинамики, или второй закон термодинамики. Он гласит, что в замкнутых термодинамических системах энтропия либо не меняется, либо возрастает, достигая максимума при установлении термодинамического равновесия системы.  В отличие от закона сохранения энергии, этот закон как бы не на слуху, более всего из-за присутствия в нем неочевидного понятия энтропии. В этой статье мне хотелось бы показать исключительную важность этого закона для понимания причин всего того, что существует.

Сначала о терминах.

Термодинамическая система – совокупность большого числа каких-то объектов, обменивающихся друг с другом какими-то взаимодействиями, например, энергией. Скажем, баллон с газом – термодинамическая система, состоящая из молекул газа, которые, сталкиваясь друг с другом, приводят к установлению определенной температуры. Благодаря этому сама система имеет определенный набор термодинамических характеристик – давление, температуру, объем, и другие. То есть, несмотря на «ученое» название – достаточно простое понятие.

Термодинамическое равновесие системы – такое состояние, когда процессы внутри нее установились, и характеристики – температура, давление и прочие, сохраняются сколь угодно долго. Если систему вывести из этого состояния каким-то внешним воздействием, то она снова придет в равновесие через некоторое время – время релаксации. Например, если из того же баллона с газом быстро стравить некоторое его количество, то сначала изменится давление внутри баллона у вентиля, но в течение достаточно малого времени релаксации оно выровняется по всему объему.

Замкнутая система – система, не подверженная действиям извне, не связанная ни с какими внешними силами и объектами, не обменивающаяся энергией с окружающим миром. Тот же баллон с газом, если его стенки сделаны непроницаемыми для обмена энергией с окружающей средой, попросту говоря, идеально утеплены, будет практически замкнутой системой, не зависящей от состояния внешней среды.

Энтропия – понятие, кажущееся несколько более сложным. Оно не имеет такой простой трактовки, как энергия, давление, объем. Как было сказано, термодинамическая система состоит из большого числа микроскопических элементов. Энтропия зачастую определяется как мера беспорядка в системе, и измеряется как логарифм количества возможных микроскопических состояний системы для данного макроскопического состояния. Чем выше в системе хаотичность, чем меньше в ней признаков упорядоченности, тем выше ее энтропия. Несмотря на кажущуюся иррациональность этого понятия, энтропия есть вполне определенная физическая величина, поддающаяся измерению. Понятие энтропии входит в разделы физики – термодинамика, статистическая физика, и даже в технические науки. Кроме того, понятие энтропии применимо и к информации, она является одним из основных понятий теории информации.

Рассмотрим примеры, иллюстрирующие понятие энтропии и действие второго начала термодинамики. Представим себе автомобиль, скажем, Porsche, брошенный в сыром лесу у дикого озера. Будем считать его некоей термодинамической системой, состоящей из большого количества деталей. Энтропия такой системы невелика – в ней все работает, все в порядке, трудно сказать, что в нем что-то является беспорядком, марка говорит сама за себя. Но вот через несколько лет брошенный автомобиль стал превращаться в груду ржавого железа. Его энтропия выросла, он уже не работает, упорядоченность в нем, как в системе, уменьшилась – стекла выбиты и разлетелись, мотор проржавел, крыша провалилась, резиновые изделия пришли в негодность, электроника рухнула, и так далее. Еще лет через сто, когда красавец автомобиль превратится в набор молекул – кучу ржавчины, он войдет в термодинамическое равновесие с окружающей средой, будет практически неотличим от нее, и его энтропия достигнет максимума – большего беспорядка уже не может быть. Пусть нам захотелось путем случайного расположения атомов из этой кучи вновь сложить автомобиль, каждый раз ее перемешивая. Если учесть, что в состав автомобиля входит примерно 1E28 (10 в 28-й степени) атомов, то обратный процесс восстановления автомобиля из кучи ржавчины, уменьшения энтропии, вряд ли осуществим. Количество результатов перемешивания кучи, при котором из нее получится автомобиль, даже просто нечто похожее на него, ничтожно по сравнению с количеством результатов, дающих такую же кучу ржавчины.

Иначе говоря, второе начало термодинамики гласит, что в системе, предоставленной самой себе, мера беспорядка или остается неизменной, или возрастает. И никак не наоборот.

Понятие энтропии вполне логичным образом применяется и к информации.

Определим некую систему в виде последовательности из 133 символов, считая пробелы, заключенных в кавычки:

«ноинеаы срявпервтВ,юзс агнтясе оврнмер ксвол аеоошноедсс ао ро.н исаянокгКоАнеуоыитк н йудотйе з  ннтво парр!дпй абеллеЯм  агктнпакзо»

Данная последовательность не несет никакой информации – это шум. Если, конечно, это не результат некоего целенаправленного шифрования текста. Признаюсь честно, я взял вполне осмысленный текст, написал программку и при ее помощи текст перемешал. Мерой хаотичности этой символьной последовательности можно считать количество способов реализации – в данном случае это 133! (факториал числа 133) способами – число возможных перестановок символов. Это значение, вернее, натуральный логарифм от него: S = ln(133!) и определяет энтропию системы. Вычисление дает S = 520.

Примечание. Натуральный логарифм – логарифм по основанию числа «e», равного примерно 2,71828. Факториал числа N – произведение всех чисел от 1 до N.

Теперь перемешаем нашу систему, выберем несколько букв так, чтобы получилось какое-то осмысленное слово и поместим его в начало:

«Вася по  ыонирйсо лзрАнлйное!ое аоеоодерис  мрнугннв вКЯабпекткныт.п стдаплюоотоатрнрнсмадта  в  еошааск зноо зеикегяу я нрейквнг,вес»

Здесь уже содержится некоторая информация – первые 4 символа дают слегка осмысленную информацию о том, что существует некий Вася. Отделим это слово от основной системы и подсчитаем, сколько возможно раскладов символов, чтобы последовательность содержала слово «Вася». Очевидно, что такое состояние может быть реализовано уже 129! способами и энтропия системы будет несколько меньше: S = ln(129!) = 501. Наличие всего одного осмысленного слова понижает энтропию системы.

Снова перемешаем систему и организуем в ней еще более упорядоченное состояние таким же способом:

«Вася дурак! гннр лпсозе гсрвзо КАд емуроооойкыа оазолароавг  кенбнс,авдтс о ирнптйсепеикар оенюнпсвноентлоае  еявнной ятеЯтктын . шим»

Первые 12 символов дают нам о Васе уже больше информации и теперь энтропия системы понизилась до значения S = ln(121!) = 462.

И, наконец, найдем состояние системы, в котором все 133 символа строго упорядочены и дают нам максимальную информацию, несравненно большую, нежели в предыдущих примерах. Расположим их для красоты по строчкам:

«Я памятник себе воздвиг нерукотворный,

К нему не зарастет народная тропа.

Вознесся выше он главою непокорной

Александрийского столпа!»

Здесь – ни убавить, ни прибавить. Все 133 символа в системе расположены так, что упорядоченность идеальна, и это можно сделать только одним способом. Значение энтропии для идеального порядка минимально:

S = ln(1) = 0

Из сказанного, а также из безусловной справедливости второго начала термодинамики напрашивается вывод. Если в замкнутой системе наблюдается некое явление, которое понижает энтропию этой системы, то это означает, что на нее оказывается какое-то внешнее воздействие, источник которого находится вовне. При этом на момент воздействия система, естественно, перестает быть замкнутой.

В нашем примере из последовательности символов в первых двух случаях постарался я, выбирая нужные буквы и переставляя в нужное место. В последнем случае понижал энтропию А.С.Пушкин. У него это получилось гораздо лучше, чем у меня, что и видно хотя бы по значению энтропии. Композитор из произвольного доступного набора звуков создает музыкальное произведение – это тоже пример уменьшения энтропии. И вообще любой процесс созидания есть процесс, сопровождающийся уменьшением энтропии, и в нем всегда присутствует созидатель, воздействующий на объект (систему), энтропия которого уменьшается. Если система совершенно лишена какого-либо беспорядка, строго гармонична, то ее энтропия равна нулю. Соответственно, если наблюдается процесс, при котором убывает энтропия, то это есть признак вмешательства в систему извне.

Второе начало термодинамики – исключительно важный физический закон, его значимость такова же, как и значимость закона сохранения энергии. И соблюдается он так же, как и закон сохранения энергии, неукоснительно. На мой взгляд, самое решающее значение для развития человечества имели два грандиозных факта уменьшения энтропии.

Факт 1. Происхождение Вселенной.

В своей заметке в моем блоге: https://oldproger.blogspot.com/2019/06/1.html  я утверждаю, что в состоянии космологической Сингулярности материя существовала в некотором хитром виде: она была лишена структуры. В статье говорится, почему. Это состояние материи есть Хаос, при котором система не имеет никакого упорядочения, и, следовательно, бесконечную (вернее, неопределенно высокую) энтропию, тогда как значения других физических величин неопределенны. Это различие объясняется тем, что энергия, импульсы, скорости и другие свойства должны относиться к частицам материи, тогда как энтропия – к термодинамической системе. Вселенная – понятие универсальное в том смысле, что включает в себя все (глобально, вообще все!) материальное и поэтому любой объект вне ее существовать не может, он является ее частью. Отсюда следует, что Вселенная является в полной мере замкнутой термодинамической системой и, следовательно, на нее в такой же полной мере должен распространяться второй закон термодинамики.

Основным свойством пространства-времени в состоянии космологической Сингулярности является отсутствие его протяженности по всем четырем координатам, что означает в частности отсутствие времени и невозможность появления любых процессов, в том числе и тех, которые могут вывести Вселенную из этого состояния.

Но Большой Взрыв тем не менее произошел! А это, как мы показали чуть раньше, означает обязательное внешнее вмешательство, поскольку в результате Взрыва материя из Хаоса становится структурированной материей, и, следовательно, энтропия системы резко уменьшается, из неопределенно высокой принимает конкретное, хотя и очень большое значение – ввиду огромности самой системы. Масштабы этого вмешательства и возможности вмешавшейся силы представить вряд ли возможно. Уже одно только то, что этой силой было создано время, говорит о том, что эти возможности чрезвычайны и не могут быть как-то адекватно описаны. Этот кто-то или это что-то, кто или что – недоказуемо, по своим возможностям и масштабам для нас – Бог. Я здесь не пытаюсь доказать существование Бога в общепринятом смысле. Я говорю исключительно о масштабах и мощи Вмешательства, породившего Вселенную. А кто это или что это – думайте сами.

Факт 2. Происхождение и развитие жизни на Земле. 

В термодинамическом смысле совокупность небесных тел Солнце + Земля + Луна можно считать замкнутой системой, пренебрегая малыми влияниями космического излучения. Учитывая, что известные влияния Солнца и Луны могли повлиять на условия существования жизни, но не на сам факт ее появления, в нашем случае мы можем рассматривать Землю, как замкнутую систему, на которую так же распространяется второй закон. Появление, а затем и эволюция жизни на Земле суть процессы, в которых, можно сказать, рождается и процветает Гармония, противоположность Хаосу, процессы, уменьшающие энтропию всей системы. Следовательно, и здесь мы должны видеть какое-то Вмешательство. Его характерное свойство состоит в том, что оно не прекращается во времени, поскольку Жизнь эволюционирует, совершенствует себя, а, значит, постоянно понижает энтропию. Сила его велика невероятно.

Если бы в качестве основы жизни когда-то появились некоторые белковые образования, как это принято считать, в результате воздействия гроз, вулканов и прочих природных факторов, то есть, самопроизвольно, то действие второго начала термодинамики стерло бы их в пыль. Любая их самоорганизация находится в вопиющем противоречии с этим началом. Молекула ДНК состоит из десятков миллионов атомов, расположенных строго каждый на своем месте. Самопроизвольное позиционирование такого количества атомов для создания некоего живого организма совершенно невероятно. Это все равно, что в стакане молекулы воды выстроились в одну линию, или чашка с чаем сдвинулась с места из-за того, что броуновское движение пошло в одну сторону. Это даже менее вероятно, чем описанные выше попытки сложить автомобиль из кучи ржавчины. Не говоря уж о том, что даже незначительное нарушение структуры ДНК опасно, а зачастую, смертельно опасно для обладателя этой молекулы. А ведь молекула ДНК, хотя и очень сложный, но далеко не самый сложный элемент Жизни.

Выводы.

Большой Взрыв, в результате которого образовалось нынешнее состояние Вселенной, был вызван неким сторонним Вмешательством. Причина его не могла находиться в самой Вселенной, поскольку это противоречит второму началу термодинамики.

Возникновение и эволюция Жизни на Земле не могут носить спонтанный характер, поскольку это так же противоречит второму началу термодинамики.