Энтропия

________________________________________________________

Э ~> Н ~> Т ~>  Р ~~>  О ~~>  П ~~~>  И ~~~~>  Я ~~~~~>
Случайность или закономерность?
Автор: Виктор Хадсон ©2020

В мире до сих пор идут дебаты об универсальности Второго Закона Термодинамики и сущности энтропии, поскольку речь идет о на первый взгляд простых процессах, не имеющих, однако, простого объяснения. Если у уважаемого читателя возникнут какие-либо вопросы, сомнения или возражения, он может для начала посмотреть https://www.wikilectures.eu/w/Entropy. Автор постарается откорректировать возможные неточности в статье.
См. прим. в конце.
________________________________________________________

   Французский военный инженер Сади Карно (Nicolas-Leonard-Sadi Carnot, 1796-1832) изучал работу паровых двигателей. Он определил идеальный цикл работы теплового двигателя (знаменитый цикл Карно) и показал, что его максимальная эффективность зависит только от разницы температур теплового носителя на входе и выходе из машины. Если разница температур равна нулю, то тепловой двигатель не будет производить никакой работы. Труды Карно послужили отправным пунктом для формулировки Второго закона термодинамики и понятия ЭНТРОПИИ (немецкий ученый Rudolf Clausius дал общепринятое определение понятия энтропии в 1865 году). Словом "энтропия" стали обозначать сначала энергетические свойства всех материальных тел, а затем и Вселенной. Для справки: закон сохранения энергии был окончательно сформулирован в середине 19 века и является Первым законом термодинамики.

В чем сущность энтропии? Это природное явление, в ходе которого любая энергия "стремится" равномерно распределиться ("рассеяться") в доступном пространстве. Такое распределение может происходить за счёт движения больших или малых материальных тел, молекул, атомов, элементарных частиц, а также различных излучений, в т.ч. тепловых [излучение также называют радиацией - отсюда слова "радио", "радиатор", "радиоактивность", "радиоволны" и др.]. Как следствие, число районов и объектов с относительно высокой концентрацией энергии во Вселенной должно непрерывно уменьшаться. Чем больше энтропия, тем сильнее рассеивание.

* * * * * ******** * * * * *

  Величина энтропии (или просто 'энтропия') обозначается буквой S и ее можно вычислить по формуле/формулам, где большую роль играет статистика, поскольку явление энтропии по своей природе - статистический процесс естественого случайного ("хаотического") движения материи и энергии. С энтропией также ассоциируют процессы эрозии, распада, разложения и т.п. - не только в природе, но и обществе. Например, дороги портятся, автомобили ломаются, мосты ржавеют, дома стареют, лампочки сгорают, одежда рвется, молоко скисает, ну а люди - сами знаете))).

 Суммарная энтропия нашей Вселенной может быть больше или равна нулю, но она не может быть отрицательной. Поэтому тепло передается от горячего к холодному, а не наоборот. Еще один пример: в очень хорошем (идеальном) термосе температура только что налитого горячего чая и холодного молока станет, рано или поздно, ОДИНАКОВОЙ и НЕИЗМЕННОЙ в любой точке. Такое состояние называется термодинамическим эквилибриумом (т.е. термодинамическим равновесием) и является аксиомой термодинамики, хотя его часто называют законом.
   При эквилибриуме величина энтропии равна (или практически равна) нулю. Это относится как к замкнутым системам (например идеальный термос), так и к открытым системам (вселенная).
  Аналогичный принцип распространяется на газы: в изолированом пространстве молекулы воздуха РАВНОМЕРНО распространяются по всему объему и давят одинаково по всем направлениям, что хорошо знает каждый, кто надувал воздушные шары.

* * * * * ******** * * * * *

Из глубокого уважения к науке, автор этой статьи приведет здесь уравнение выдающегося австрийского ученого Людвига Больцмана: 
     S=k ln W
где S - энтропия, k (или kB)- константа Больцмана, ln - натуральный логарифм, W - энергетические свойства молекул - см. примечания. Эта формула статистической механики и статистической термодинамики настолько важна, что она высечена на памятнике на могиле Больцмана в Вене.

 Если подвести некоторые итоги, то оказывается, что хаотическое/беспорядочное движение отдельных атомов/молекул газа или жидкости на микроуровне дает однозначный результат (температуру и давление) на макроуровне. Например, если налить воду из-под крана в два стакана и измерять температуру в стаканах каждый час, то в обоих стаканах она будет одинаковой, несмотря на то, что хаотическое движение молекул воды в одном стакане не совпадает с хаотическим движением молекул воды в другом стакане. Т.о. хаос, вопреки традиционной логике, может превращаться в порядок, что, возможно, представляет собой не только чисто научную, но и философскую проблему. Впрочем, еще древнегреческая мифология утверждала, что наш мир произошел из Хаоса (кстати, греческое слово).

* * * * * ******** * * * * *

  Итак, энтропия - одно из фундаментальных, всеобъемлющих качеств нашей Вселенной. Главное свойство энтропии - предоставленые самим себе, энергетические процессы идут, пока не достигнут эквилибриума. Окончательный и полный эквилибриум случится, когда температура Вселенной приблизится к нулю. Уменьшить энтропию можно только с помощью энергии извне. Есть по крайней мере два разных определения энтропии:
Энтропия - степень беспорядка.
Энтропия - мера распределения энергии в системе.

Согласно Второму Закону Термодинамики, вследствие энтропии вся энергия рано или поздно равномерно распределится по всему космосу и все на свете остынет, т.к. космос очень большой. Конечно здесь не  место для обсуждения т.н. тепловой смерти Вселенной, тем более, что предполагаемое существование темной материи и темной энергии невероятно усложняет и без того непростую картину.
  Однако, история жизни на Земле - так же как история человечества - свидетельствует об обратном, т.е. о движении (прогрессе) от простого к сложному, от хаоса к порядку, что противоречит энтропии. Значит ли это, что биологические законы жизни, тем более разумной жизни, противоречат физическим?

* * * * * ******** * * * * *

  Случайность - враг закономерности. Например, извержение вулкана на острове Санторин уничтожило критскую цивилизацию. Но что такое случайность?

СЛУЧАЙНОСТЬ - это не что иное как хаос(беспорядок), вторгшийся в сложившийся порядок (формулировка автора этой статьи).

Источниками случайности могут быть не только природные, но и социальные явления - даже на уровне отдельной личности. Жизнь каждого человека - непрерывная борьба с хаосом (наверно поэтому люди так любят порядок:-)). Более того, каждый человек является носителем одновременно порядка и хаоса. Одним словом, сплошная диалектика))).

  После всего вышесказанного, автор этой статьи просто обязан дать свое более-менее универсальное определение сущности порядка. Итак:

ПОРЯДОК - это положительный результат способности некоторых материальных, биологических, социальных, информационных и интеллектуальных структур поддерживать относительно низкий уровень энтропии.

Примеры:
° зимняя одежда помогает сохранять тепло.
° холодильник предохраняет продукты.
° батарейка сохраняет электрический заряд.
° музеи хранят произведения искусства.
° книги и компьютеры сохраняют информацию.
° дипломатия помогает сохранять мир и мировой порядок, а войны вызывают хаос.

* * * * * ******** * * * * *

Космология, время и энтропия.
1.
Процесс энтропии сходен с течением времени в том смысле, что они движутся так сказать в одном направлении и не возвращаются назад. Известный британский физик, Стефен Хокинг (Stephen Hawking) в одной из телепередач для ненаучной аудитории объяснил, что мы судим о ходе времени, наблюдая за энтропией, и в качестве примера сбросил чайную чашку на пол, где она разбилась, т.е. событие энтропии произошло и разбитая чашка не стала целой снова, а значит и время "продвинулось вперед", а не остановилось и не "вернулось назад".
   От себя, автор этой статьи может добавить, что в последние десятилетия эталоном времени служит период полураспада - т.е. энтропии - радиоактивного элемента (цезия?).

2.
Современной физике потребовалось по меньшей мере полстолетия, чтобы создать более-менее убедительные теории того, как работает энтропия (и работают ли законы энтропии вообще) на квантовом уровне или же на уровне больших космологических величин, констант, объектов и событий - таких как рождение нашей вселенной, черные дыры, темная материя и энергия, не говоря уже о таких гипотезах как параллельные вселенные, обратный ход времени и скорость, превышающая скорость света.
  Нельзя сказать, что эти теории не получили каких-то практических подтверждений. Например, Стефен Хокинг предсказал, что черные дыры излучают радиацию, что и подтвердилось впоследствии. Этот вид излучения так и называется - "радиация Хокинга". Еще один пример - все законы "обычной" термодинамики (оказывается их четыре))) применимы к черным дырам.

* * * * * ******** * * * * *

Послесловие.
Эта статья написана потому, что энтропия имеет прямое отношение ко всем аспектам существования человека. Быть может, научные подходы, примененные к решению вышеупомянутых задач, могут иметь практические приложения при решении нынешних проблем украинского народа и его товарищей по несчастью. Кстати, математическая теория хаоса уже существует.
________________________________________________

Примечания.
1. Уточнения, примечания и дополнения делаются или будут делаться в дальнейшем автором этой статьи - с учетом конструктивной критики читателя/читателей. До сих пор, автор старался по возможности избегать сложных объяснений, но энтропия - непростое явление.
2. Выдержка из Википедии: The 'Boltzmann' equation for entropy is S = kB ln W, where W is the number of different ways or microstates in which the energy of the molecules in a system can be arranged on energy levels.
Дословный перевод: "Больцмановское" уравнение для энтропии это S=kB ln W, где W это количество различных вариантов или микросостояний, в которых энергия молекул в системе может быть организована на энергетических уровнях.
3. Как отметил один из рецензентов, Больцман считал, что тепловая смерть нашей Вселенной может и не состояться, т.к. даже при эквилибриуме будут появляться энергетические "флуктуации" атомов и молекул, что в конечном счете может привести к возврату к текущему состоянию Вселенной. Вероятность такого события ничтожно мала (10 в -24 степени), но Больцман показал, что она существует. Интересующиеся могут посмотреть статью по ссылке [удалить пробелы]:
https: //www.pitt.edu/ ~jdnorton/Goodies/Boltzmann_Brain/Boltzmann_Brain.html

 В связи с этим, вспомнился анекдот о том, что если посадить миллион обезьян за пишущие машинки, то - теоретически - рано или поздно они напечатают полное собрание сочинений Шекспира, однако современный интернет доказал, что этого не может быть.

.