Як ви думаєте, для чого ми їмо? Стандартний і при цьому зовсім неточний, і навіть, скоріше, неправильну відповідь: ми отримуємо енергію. А який же правильний? Зараз розкажу. Але почнемо з ентропії.
Ентропія - поняття дуже складне і багатогранне. Така собі бяка-закаляка, яка пронизує все навколо і нас самих. І якщо спробувати визначити, що ж це таке, то це міра безладу, міра хаосу. А народжується ентропія з абсолютно, здавалося б, безневинного побутового фактиков: нічим холодним можна нагріти більш тепле. Навпаки, щось гаряче буде нагрівати цей холодний, причому до того моменту, поки між цими двома предметами не наступить теплова рівновага. Тільки що відварене гаряче яйце, як відомо, досить швидко охолоне, якщо помістити його в холодну воду, але цю воду воно при цьому нагріє. І те й інше стане теплим. Яйце можна комфортно поїдати, а воду можна вилити, якщо не знайдете їй якогось іншого застосування: але рано чи пізно вона все одно охолоне, зрівнявшись з температурою повітря у вашій кухні. Все вищеописане в фізиці називається другим початком термодинаміки. Воно, це другий початок, не слід ні з чого. Воно не є наслідком якихось великих теорій і не випливає з витончених теорем. Це просто спостережуваний факт. Ми постулируем, що це так, тому що ніхто ніколи в нашому світі не бачив, щоб холодну ще більше нагріло гаряче.
А ентропія - наслідок цього факту. Максимальна ентропія (хаос) в системі (яйце, холодна вода і повітря на вашій кухні) виникне, коли система прийде в термодинамічна рівновага, тобто температура яйця, води і навколишнього їх повітря зрівняється. Якщо ви не з'їсте яйце ще теплим, звичайно. Здавалося б, коли все врівноважується, тут-то і настає повний порядок. Але ж ні. Все навпаки. І пов'язано це з внутрішнім микростанів системи, її молекулярним рівнем.
Уявіть собі все ті міріади молекул, які утворюють повітря на вашій кухні. Вони абсолютно безладно, хаотично носяться по всьому її об'єму, стикаючись і невпинно змінюючи напрямок. Причому чим вище температура (варто літню спеку, а кондиціонер ви так і не поставили), тим швидше і, отже, хаотично ці молекули носяться навколо вас. Звідси перший висновок: чим вище температура системи, тим вище міра її хаосу, тобто ентропії. Але поглянемо на той же самий повітря на вашій кухні з іншого боку. Хоч які здасться дивним, але саме завдяки хаотичності і випадковості пересувань молекул повітря вони не концентруються в якомусь одному кутку, а досить рівномірно розподіляються по всьому її об'єму. Якби повітря поводився інакше, нам довелося б бігати за ним, намагаючись перед кожним вдихом визначити, в який же кут він цього разу забився. Але, слава богу, молекули повітря в нормі поводяться найбільш передбачуваним, найбільш імовірним, чином: як і всякий газ, повітря займе весь той обсяг, який йому буде запропонований. Кухню - так кухню, весь повітряний басейн Землі - так весь повітряний басейн (в космос, як ви розумієте, він не відлітає через гравітації).
Це вам не якийсь там високоентропійний повітря вашої кухні. Це нізкоентропійний повітря, «загнаний» в баночку. А ви-то думали, чому так дорого ...
І навпаки. Якщо нам заманеться загнати-таки повітря в будь-якої один кут нашої кухні, нам буде потрібно безліч винахідливості, сил і енергії, щоб це виконати. Очевидно, нам знадобиться якась герметична перегородка, досить потужний насос, якась енергетична установка для підживлення цього насоса і т. Д. Іншими словами, щоб змусити повітря поводитися певним організованим чином, нам буде потрібно виконати велику роботу. Тільки так ми змусимо його порушити найбільш ймовірне свою поведінку і зібратися у вподобаному нам кутку. І при цьому ми зменшимо міру його безладу: ентропія системи зменшиться. Звідси випливає: чим менш вірогідний характер придбає Мікростан системи, тим нижче ентропія цієї системи, тобто міра її безладу. І навпаки. А так як термодинамічна рівновага - це найбільш ймовірне стан будь-якої замкнутої системи, то воно, це стан, і буде самим високоентропійним.
Кому-то цей мій розповідь може здатися чимось абстрактним, не дуже істотним: яке нам діло до микросостояний якихось там систем, навіть якщо це стосується яйця, яке ми збираємося з'їсти на сніданок. Навряд чи той факт, що яйце прийде в термодинамічна рівновага з холодною водою, якої ми його залили спеціально, щоб трошки охолодити, зіпсує нам апетит. А повітря, слава богу, поводиться самим належним, найбільш імовірним для себе і очікуваним нами чином. Але на жаль, це не абстрактні розмови. Ентропія - це те, що все в цьому світі і сам цей світ спрямовує до смерті.
Існує закон неубиванія ентропії. Насправді, ми можемо сміливо говорити, що це закон постійного зростання ентропіі.Неубиваніе стосується систем, які досягли свого термодинамічної рівноваги, тобто свого максимуму ентропії. У всіх інших випадках мова йде виключно про зростання ентропії. Що трапиться з нашими яйцем, водою і повітрям на кухні (боюся, вони вам порядно вже набридли, але незабаром ми їх залишимо в спокої), коли вони досягнуть свого температурного рівноваги? Якщо ми будемо їх вважати замкнутою системою, тобто ізолюємо від зовнішнього світу, то ця система прийде, врешті-решт, в повний спокій, там припиняться які б то не було процеси. Це буде спокій смерті, вічний спокій. Винятком, правда, будуть різні квантові ефекти, пов'язані з принципом невизначеності, але тут ми їх залишимо за дужками, щоб не заплутатися. Саме через ентропії неможливе створення вічного двигуна, тому що еволюція будь-якої замкнутої системи повинна закінчитися повним спокоєм.
Наш Всесвіт - це, швидше за все, замкнута система. По крайней мере, так вважає більшість вчених: немає ніяких наукових доказів того, щоб в неї надходило щось ззовні. Будь-яка замкнута система прагне до термодинамічної рівноваги. Те, що ентропія нашого Всесвіту безперервно зростає - факт, який не викликає сумнівів. Коли фізики оцінили ентропію фонового випромінювання, яке залишилося від Великого вибуху і яке пронизує весь Всесвіт, вони були, за їх власними словами, просто ошелешені (сн: Роджер Пенроуз. Новий розум короля). І до відносно недавнього часу найбільш вірогідним сценарієм загибелі Всесвіту вважалася так звана теплова смерть, тобто Всесвіт повинна була, як здавалося тоді, завершити свій шлях, досягнувши термодинамічної рівноваги при температурі близькій до абсолютного нуля. Попросту кажучи - замерзнути.
Але коли була проведена оцінка ентропії чорних дір, стало очевидним, що вона, а отже, ентропія всьому Всесвіті, на багато порядків більше, ніж можна було собі уявити. Точкою рівноваги нашого Всесвіту як системи має бути рівновага надмасивної чорної діри. Немає жодного науково обгрунтованого оптимістичного сценарію еволюції нашого світу: загибель його неминуча.
Світ, який ми бачимо навколо себе, приречений, тому що базується на принципі постійного прагнення до самознищення: максимуму безладу і енергетичного мінімуму. Будь-яке поле намагається скинути зайву енергію, утворивши квант; всякий збуджений електрон при будь-якому зручному випадку віддає зайвий фотон, щоб спуститися на більш низький енергетичний рівень; всякий камінь при першій нагоді готовий скотитися з гори, щоб позбутися від зайвої потенційної енергії.
З точки зору сучасного наукового знання, абсолютно протиприродним для нашого світу виглядає саме народження Всесвіту, утворення зірок і планет (взагалі, речовини), зародження життя, формування свідомості. Всі ці феномени, абсолютно очевидно, протилежні мейнстриму еволюції світу. Безумовно, локально, в окремо взятих куточках Всесвіту можливо переважання негентропії (цей термін позначає негативну ентропію, тобто міру протилежного процесу - зменшення безладу; дещо пізніше ми побачимо, що практично завжди негентропії тотожна такого поняття, як інформація). Але за це доводиться розплачуватися зростанням ентропії навколо таких виняткових куточків.
Так навіщо ж ми їмо? Для того щоб отримувати необхідну людині енергію, досить літнього сонечка або грубки-буржуйки в холод. А для багатьох з нас і цього не треба: згадаймо, маса пропорційна енергії. Ви давно зважувалися? Кожна людина віддає в навколишній простір приблизно стільки ж теплової енергії, скільки отримує ззовні. А якби отримував більше, ніж віддавав, він постійно б збільшувався в розмірах (що з багатьма з нас і відбувається). Але згадайте, скільки енергії (!) Наш організм витрачає на те, щоб позбутися від зайвої теплової (високоентропійной) енергії в спеку: посилена робота потових залоз, розширені судини, прискорені дихання і серцебиття ...
Насправді з їжею в першу чергу ми отримуємо негентропії. Людина - істота дуже високоорганізована, тобто, вибачте на слові, істота нізкоентропійное. Щоб підтримувати це свій стан, йому необхідне джерело цієї найнижчої ентропії. Таким джерелом для нас служать рослини, які навчилися фотосинтезу і здатні створювати органічні (складні і малоймовірні, а отже, нізкоентропійние) речовини під впливом сонячного світла. Видимий спектр світла - щодо нізкоентропійная форма випромінювання. Саме його використовують рослини (і деякі мікроорганізми), щоб розділяти атмосферне вуглекислий газ на кисень і вуглець і потім формувати свою складну органічну структуру. При цьому в навколишній простір вони випромінюють тепло, воно ж високоентропійное, інфрачервоне випромінювання.
Ми їмо рослини безпосередньо, а також опосередковано, вживаючи в їжу м'ясо, рибу і інші продукти тваринного походження (зрозуміло, що ті, кого їмо ми, поїдали до недавнього часу рослини або тих, хто поїдав рослини). І тим самим отримуємо складні органічні сполуки, з яких вже далі будуємо самих себе і в тому числі свою складну (нізкоентропійную) енергетичну систему. А зовні виділяємо знову-таки тепло і щодо високоентропійний вуглекислий газ при диханні. Якби тварини, включаючи людину, самі були б здатні до фотосинтезу, то їжа їм при комфортній температурі зовнішнього середовища, мабуть, не була потрібна зовсім. Хіба що мінеральні добрива. Ну і вода, звичайно. Не знаю, як вас, мене така гіпотетична можливість чомусь не дуже радує: чи то дуже люблю поїсти, чи то зарозуміло ставлюся до рослин і не хочу на них походити. І те й інше, напевно, не дуже добре. Але очевидно одне: поділ праці доцільно не тільки в людському суспільстві, але і в живій природі в цілому.
Ентропія підпорядкувала собі не тільки речовина і енергію. Вона підпорядкувала собі і сам час. Всі фундаментальні рівняння фізики, якими описується наш світ, симетричні в часі. Тобто майбутнє і минуле, з точки зору фізики, абсолютно рівноправні. І в класичній механіці, і в квантової, і в хвильових рівняннях Максвелла, і в теорії відносності, скрізь (є один виняток, яке відноситься до ядерної фізики, так званому слабкому взаємодії, але що випливає з цього винятку, самі ядерники поки не розуміють) . Рівняння - вони тому й рівняння, що ліва частина дорівнює правій. Іншими словами, час не повинно було б мати ніякого напрямки: що з минулого в майбутнє, що з майбутнього в минуле - все одно. Якби не ентропія!
Справа тут в тому, що енергія, отримана чашкою при падінні, в основному перейшла в тепло. Атоми осколків і чаю після удару об підлогу (який теж трошки нагрівся) стали рухатися трішки швидше, хаотично. Тобто ентропія системи підвищилася. І щоб повернути їх до попереднього, більш організоване стан, потрібно неймовірно точна зворотна настройка цих атомів, яка, швидше за все, просто неможлива. Не кажучи вже про те, що частина утворився тепла тут же розсіється в навколишньому просторі. Звичайно, якщо пам'ятати закони квантової механіки, можна все ж сподіватися, що з усіх мільярдів, мільярдів, мільярдів чашок, склянок, келихів, чарок, тарілок, мисок, піал і т. Д., Що впали зі столів за всю історію людства, хоча б одна (або один) зібралася сама собою і все ж встрибнула на колишнє місце. Але скажіть чесно, ви повірите свідкам такого події? У кращому випадку вирішите, що ці свідки попередньо випили занадто багато вмісту своїх чашок, склянок, келихів і чарок, і що в них був зовсім не чай. Хоча закони фізики не забороняють подібних подій. Але вони, ці події, дуже рідкісні, а тому ми відносимо їх в кращому випадку до чудес, а в гіршому - до галюцинацій.
Ми не бачимо Посмажені яєчні, які збираються назад в свіжі яйця, камінної золи, знову перетворюється в поліна, шматочків цукру, вистрибують з гарячої кави прямо в руку того, хто їх туди поклав. Час для нас тече тільки в одну сторону. А направлення йому задає ентропія, і тільки вона. І напрямок це, як ми з'ясували вище, досить похмуре: до руйнування і смерті. Зазвичай, трішки подорослішавши, ми починаємо це помічати і по собі, і озираючись навколо. Але даремно ми говоримо, що час невблаганно. Невблаганна, насправді, ентропія.
І тут я хотів би повернутися до поняття сингулярності, про що ми говорили в попередній статті. Ми щодо докладно розглянули, якими будуть кінцеві сингулярності (або кінцева сингулярність) цього світу. Ця сингулярність чорної діри - самої високоентропійной системи, яка людству відома. Але ця ж картина говорить про те, що наш світ на самому початку мав бути дуже впорядкованим. Початкова сингулярність, що породила Великий вибух, повинна була бути надзвичайно нізкоентропійной, тому що в спостережуваному нами світі ентропія безперервно зростає, значить, колись вона була низькою або рівною нулю. Космологія сьогоднішнього дня - це простір нерозкритих таємниць і нерозгаданих загадок. Але таємниця початкового стану світу, мабуть, найбільша.
Роджер Пенроуз оціночно порахував величину ентропії для кінцевого колапсу нашого Всесвіту: 1010123! Звідси через уявлення про фазовий обсязі (фазовий простір - це безліч всіх станів системи в конкретний момент часу. У фазовому просторі стан системи описується координатами однієї точки, а вся еволюція системи - переміщенням цієї точки) Пенроуз робить висновок про ймовірність виникнення світу, в якому б дотримувалося другий початок термодинаміки в тому вигляді, який ми знаємо.
Ця величина свідчить про те, наскільки точним повинен був бути задум Творця: точність становила приблизно одну 1010123-ую! Це вражаюча точність. Подібну цифру не можна навіть повністю виписати в звичайній десятковій системі числення: вона представляла б собою 1 з наступними 10¹²³ нулями! Навіть якби ми були в змозі записати «0» на кожному протоні і кожному нейтрони у всесвіті, а також використовували для цієї мети всі інші частинки, наше число, тим не менш, залишилося б недописаним. (Р. Пенроуз. Новий розум короля)
Зауважу, що ймовірності нижче 1/1050 математики вважають нульовими і не враховують при розрахунках, а це число, записане в десятковій системі, легко вміщається в один рядок стандартного аркуша паперу.
