Без формул

Электронный учебник, в котором изложены основы физики для начинающих.

Видеоуроки

Архив образовательных и познава­тельных видео по физике и не только.

С формулами

Базовые понятия, законы и формулы из основных областей физики.

Глава 15. Энтропия и информация

– А вот у нас дома есть кондиционер, – скажет мне особо сметливый читатель, – и он очень даже запросто передает тепло от холодного тела к нагретому. Он не дает уравниваться температурам на улице и в доме, делая прохладу в квартире, тогда как на улице жара. Кондиционер забирает квартирное тепло и выкидывает его на жаркую улицу.

Сметливый читатель мог припомнить и более обыденную вещь – холодильник. Тот тоже работает против усреднения, искусственно создавая разницу температур в комнате и внутри себя. Но на создание этой разницы температурных потенциалов мы тратим энергию из сети.

Конечно, можно локально препятствовать природе в ее стремлении к усреднению и тепловой смерти, но для этого нужно затрачивать энергию. То есть где-то ее брать, прикладывать к нужному месту и в этом месте творить созидательную работу по противодействию слепым омертвляющим силам природы. По противодействию энтропии.

Вы когда-нибудь слышали это слово – «энтропия»? Это термин из области термодинамики – раздела физики, который, как видно из названия, изучает процессы передачи тепла и превращения в тепло других видов энергии.

Энтропия – это мера хаоса.

Мера статистического усреднения. Чем более усреднена система, чем меньше она способна совершить работу, тем больше в этой системе энтропии. Один из законов физики гласит: энтропия в любой закрытой системе может только расти или по крайней мере не убывать. Причем не убывать она может только в одном случае – если уже достигла максимума. Если система умерла.

Рост энтропии – это рост хаоса, это усреднение, умирание, деградация, разрушение. Стрела времени – это стрела энтропии.

В рисунках с газовыми баллонами, приведенными ранее, сверху система, обладающая минимальной энтропией, а снизу, после усреднения – максимальной.

Но почему физика уточняет, что энтропия растет только в закрытых системах? И что такое закрытая система?

Закрытой является система, которая не обменивается с окружающей средой массой и энергией. А если обменивается, то уже становится открытой.

Когда физиками были осознаны законы термодинамики, – а их естественным следствием стала будущая тепловая смерть вселенной, – физики немного огорчились. Им жалко стало нашего мира. А церковь, наоборот, обрадовалась. В термодинамике они увидели свой шанс.

Дело в том, что бурное развитие наук в XVI–XIX веках очень сильно потеснило разного рода мифологические доктрины. Наука стала объяснять то, что раньше объяснялось только наличием богов и ангелов, и конструировать такие вещи, которые с помощью религии сделать было нельзя. Люди стали все больше смеяться над прошлыми наивными представлениями о мире, которые им продавала церковь, и авторитет церкви начал стремительно падать. В конце концов на рубеже XVIII–XIX веков на волне социальных революций люди стали в массовом порядке отказываться от религиозных сказок.

И тут наука преподнесла религии неожиданный подарок. Из законов термодинамики вытекало два неопровержимых следствия и один неприятный для науки вопрос.

Первое следствие. Раз все в этом мире по естественному течению событий может только портиться и разрушаться, раз вся энергия в конце концов переходит в тепло и рассеивается в пространстве, значит, мир имел начало и был создан богом с запасами энергии. Которые мы теперь и тратим в свое удовольствие. А ведь именно о сотворении мира и говорили всегда попы!

Второе следствие. Раз мир ждет неизбежная тепловая смерть, значит, настанет конец света. Как и учит церковь!

А неприятный вопрос состоял вот в чем… Если все может только усредняться и портиться, упрощаться и деградировать, почему же мы вокруг наблюдаем столь прекрасный мир? Из маленького зерна произрастают огромные деревья. Растут люди, усложняются общества, строятся дома. Мир развивается, а вовсе не деградирует! Как это соотносится с законом о нарастании энтропии? Нет ли в этом промысла божьего?

Ответ на первое следствие наука дала в ХХ веке. Мир действительно имел начало, он произошел в результате так называемого Большого взрыва, причиной которого послужила банальная квантовая флуктуация. Правда, устройству вселенной и ее возникновению нужно посвятить отдельную книгу…

Что же касаемо конца света, то каков он будет, пока еще не вполне понятно и зависит от многих факторов, которые еще предстоит изучить – является вселенная открытой системой или закрытой, ждет ли ее бесконечное раздувание или схлопывание и т. д.

Но самое замечательное, что в том же ХХ веке был дан ответ на главный вопрос: отчего же вокруг нас происходит развитие, если законы термодинамики требуют неизбежной деградации?

Ответ этот довольно прост: наша планета не является закрытой системой. Напротив! На нее буквально потоком льется солнечная энергия, благодаря которой и происходит мощнейшая работа эволюции по противодействию энтропийному давлению. Приток свободной энергии и является причиной эволюции, то есть постоянного усложнения систем, которые с помощью этого усложнения конкурируют между собой за свободную энергию. Кто сложнее – тот и обыгрывает конкурентов.

Даже совсем простые системы, если их накачивать энергией извне, склонны создавать некие упорядоченные структуры. Например, вихри конвекции, как в кипящей кастрюле.

А что такое человек, биосфера, цивилизация? Это сложные устойчивые неравновесные системы. Поясню.

Бывают системы устойчивые и неустойчивые.

Бывают равновесные и неравновесные.

Если воду не подогревать, она спокойна и находится в равновесии со средой. Но если ее начать накачивать энергией путем разогрева на газу, в воде тут же образуются устойчивые вихри конвекции – горячая вода от дна поднимается кверху, а охлажденная валится вниз. Внимательно почитайте далее текст об устойчивости и равновесии!

Устойчивая система – шарик в рюмке или в ямке. Он вниз закатился и сам оттуда наверх не выкатится нипочем, если ему не помочь. Все системы стремятся к энтропии, к равновесию, к нижайшему уровню энергии. Человеческая лень – пример такого стремления на уровне организма. Ну, а раз так, шарик в самом низу и лежит. Любое случайное воздействие, стронувшее шарик, приведет к тому, что он снова скатится на самое дно рюмки. Устойчивое положение!

Неустойчивая система – это карандаш, стоящий на острие или шарик на пригорке. Зафиксировать эту систему практически не удастся, любое случайное дуновение, любое дрожание молекул эту системы валит – карандаш падает, шарик скатывается с пригорка вниз.

Равновесная система – это система, находящаяся в равновесии. Нет в ней никаких пиков, все усреднено и мертво. Шарик в ямке – система равновесная.

Устойчивая равновесная система.

Неравновесная система – та, что находится в неравновесии. В ней присутствует разница потенциалов, за счет чего система может двигаться. Шарик на пригорке – неравновесная система, которая стремится к равновесию. Это неустойчивая неравновесная система.

– А зачем тогда разделять системы на устойчивые и равновесные? – спросите вы. – Разве неустойчивость не всегда совпадает с неравновесием, а устойчивость с равновесием?

Не всегда.

Человек – устойчивая неравновесная система. Он очень сложно организован, степень его внутренней организации запредельна! Такая система немедленно должна начать обваливаться, как карандаш, стоящий на острие. Но она не обваливается, потому что сделана так, что каждую секунду активно борется за свое неравновесие, за свою выделенность из среды, тратя на это бездну энергии. Это характеристика всех живых систем – борьба за жизнь против энтропии.

Наконец, бывают еще неустойчивые равновесные системы. Пример? Представьте пригорок, а на нем шарик. И вот мы, чтобы шарик тут зафиксировать, делаем крохотную ямку на вершине пригорка. И аккуратно ставим туда шарик.

Стоит! Уравновесился, собака!

Но стоит только чуть-чуть колебнуть этот шарик, как он неудержимо скатывается с пригорка вниз. Равновесие?

Да, но очень неустойчивое. Потому что пассивное. За свою устойчивость шарик не борется. Он ведь неживой.

Жизнь – это устойчивое неравновесие. И очень большое неравновесие. Очень удаленное от энтропийности. Очень организованное.

Равновесие и устойчивость

А что такое организация?

Хороший вопрос!..

Организация – великий противник энтропии. Разницу между организованной материей и хаотичной видно на рисунке ниже.

Более естественным, то есть статистически более вероятным состоянием материи является энтропийное. Не зря существует поговорка, отражающая этот фундаментальный физический принцип: «Ломать – не строить». Можно даже не ломать, а просто предоставить все времени, и оно в конце концов расправится со всем, что нам дорого и мило. Чтобы противостоять разрушающему влиянию энтропии, нужно бороться.

Внимательно посмотрите на рисунки далее. Чем отличается состояние системы слева и справа, если материал, из которого система создана, одинаков? Количество чайников и игральных костей одинаково, их химические и физические свойства одинаковы. Но первый же взгляд на рисунок выявляет существенную разницу.

В чем разница систем, если количество и качество предметов в них одинаково?

Разница – в организации! Справа организация есть, а слева ее нет. Мы затратили труд и энергию на то, чтобы из естественного хаотичного состояния перевести систему в состояние порядка. Мы просто взяли и расставили предметы в нужном нам порядке, потратив на это силы и время. Можно сказать, что мы вложили в систему энергию.

Как правило, высокоорганизованные системы содержат больше энергии, чем низкоорганизованные. И организуя системы, мы (или эволюция) запасаем в них энергию.

Жизнь – это очень сложно организованная материя.

По сравнению с хаотическим расположением атомов и молекул частицы, выстроенные в сложную структуру живого существа, представляют собой вершину эволюционной организации!

Поэтому хищники кушают травоядных зверюшек. Они просто нагло пользуются чужой организацией! Если есть что-то уже организованное, то есть некий объем энергии, запасенный организацией, его можно сожрать и путем развала этой организации энергию высвободить и присвоить. Так рассуждал бы хищник, если бы знал физику.

Вот растет дерево. Постепенно, долго. Оно питается микроэлементами почвы через корни и солнечным светом через листья. Каждый зеленый лист – это радар для приема солнечного излучения. С помощью солнечной энергии дерево организуется, то есть строит себя из хаотической грязи почвы. Таким образом оно запасает энергию. А потом приходит мужик, рубит дерево на дрова и высвобождает эту накопленную энергию в виде тепла – путем разрушения древесины огнем в печке. И остается хаотический вещественный мусор в виде улетевших в трубу газов и золы, которая уже не горит.

Кстати, внутри человека происходит то же самое, что и в печке – окисление топлива (еды) кислородом. Человек вдыхает через специальное приспособление окислитель. И использует его для сжигания топлива. Только внутри нас горение происходит очень медленно.

И вот что я вам еще скажу! Человек питается вовсе не едой! Потому что любой организм выделяет ровно столько массы, сколько он закидывает себе в рот. Разумеется, это не касается детей и прочих растущих организмов, которые увеличиваются в размерах. А вот взрослый организм, который уже не растет и не хочет толстеть, выбрасывает вместе с выделениями (кал, моча, пот, сопли, водяной пар изо рта) ровно столько, сколько поглощает. Зачем же он тогда ест?

Да затем, что ему нужна энергия для жизни! А энергию он получает путем деструкции еды, то есть разрушения высокоорганизованных молекул и превращения их в низкоорганизованные.

Человек питается чистой организацией материи! Строго говоря, человеку для жизни нужна не только энергия, но и некоторые микроэлементы, витамины и пр. Но и они вовсе не накапливаются у нас в туловище, а просто приходят на смену потерянным, которые ушли в выделениях.

И вот теперь давайте зададимся хулиганским вопросом. Если бы существовал бог, мог бы он в нашем мире сделать идеальное существо, то есть такое, которое кушает и не какает?

Конечно, нет! Ведь ежесекундно борясь с энтропией и поддерживая свою выделенность из среды, свою организацию, мы разрушаем чужую организацию – организацию растений и животных, которых поедаем и сжигаем в своей утробе. А куда девать «золу»? Куда девать то, что осталось от высокоорганизованного вещества после его разрушения – обломки? Ведь нам не вещество нужно, а только его разрушение! Не накапливать же «мусор» в организме! Приходится выбрасывать. Таким образом, сходив в туалет, человек сбрасывает овеществленную энтропию.

И это касается не только человека и прочих живых существ, но и других сложных систем, например, цивилизации. Вопреки крикам защитников природы, человечество не может жить, не производя мусор и не загрязняя так или иначе окружающую среду… Поняли эту великую мысль? Теперь вам есть, что ответить маме, когда она станет ругать вас за бардак и мусор в вашей комнате.

– Невозможно жить и не мусорить! Овеществленная в мусоре энтропия – неизбежный спутник всех живых систем!

Услышав такое, мама пойдет, конечно, посоветоваться к папе, чтобы решить, не стоит ли вызвать ребенку врача, видимо, он переутомился. И, возможно, принесет с семейного совета следующую мудрую мысль:

– Сынок, сбрасывай свою энтропию в мусорное ведро, а в комнате немедленно наведи организованный порядок! Не позволяй наступать хаосу на цивилизацию!

Иначе останешься не только без мороженого, но и без новых игрушек.

Против столь убедительных научных аргументов спорить вам, конечно, будет трудно. Придется подчиниться грубой силе…

А мы в заключение этой главы и основного текста книги сделаем главный вывод: организация, то есть усложнение материи в одном месте, всегда оплачивается ее разрушением в другом месте. Невозможно созидать, не разрушая чего-либо. Поэтому мы всегда обречены что-то брать у природы и портить. И так ведет себя все живое. Поскольку такова физика нашего мира.

Ну, а чем оплачивается эволюция в целом на нашей планете? Ведь когда-то жизни на ней не было, а потом она возникла буквально из грязи и, постепенно-постепенно усложняясь, доросла до высшей ступени эволюции – человека. Разрушением чего оплачивается этот пир духа?

Разрушением Солнца.

Именно оно, сгорая и безвозвратно тратя свои запасы термоядерного топлива (попросту говоря водорода), обеспечивает усложнение материи на нашей планете.

Глава 15. Энтропия и информация
5 (100%) 4 votes

Добавить комментарий

avatar
480
Олег
Олег

Здорово!
Спасибо большое!
Но кванты и фотоны,пока не могу в своей картинке представить,энтропия мыслей появилась, прочитаю еще раз.

Вставить формулу как
Блок
Строка
Дополнительные настройки
Цвет формулы
Цвет текста
#333333
Используйте LaTeX для набора формулы
Предпросмотр
\({}\)
Формула не набрана
Вставить