Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Стремление систем к статистическому состоянию равновесия связано с очень важным для физики понятием – энтропией. Энтропия системы при отсутствии постороннего воздействия всегда будет увеличиваться; то есть система будет выходить из «специфического» (упорядоченного) состояния и переходить в менее специфическое (смешанное) состояние. Физическим системам свойственно охлаждаться и изнашиваться. Это свойство называется вторым законом термодинамики, который, по сути, отражает не более чем статистическую неизбежность: при отсутствии внешнего воздействия все всегда возвращается к состоянию равновесия.

Представьте себе, что все молекулы воздуха в емкости изначально сконцентрированы в одном ее углу. В начальном состоянии энтропия в емкости низка, поскольку молекулы в ней пребывают в особом, более упорядоченном состоянии. При отсутствии воздействия извне молекулы из-за произвольного движения быстро распределятся по всей емкости – распределение станет равновесным. Так же как скорость нагретых молекул в конце концов снижается до значений, соответствующих состоянию термодинамического равновесия, молекулы в емкости по мере распространения равновесия переходят из состояния низкой в состояние высокой энтропии. Когда молекулы воздуха равномерно распределятся по емкости, энтропия достигнет своего максимума.

Рис. 2. Распределение Максвелла – Больцмана: молекулы газа в емкости будут равномерно распределяться и делиться энергией, пока не достигнут теплового равновесия. Кривая, отражающая количество молекул по отношению к их скорости, известна под названием распределения Максвелла – Больцмана, и пик ее обозначает самую вероятную скорость. По мере возрастания температуры газа этот пик сдвигается к более высокой скорости. Отмечу, что самая вероятная скорость – это не то же самое, что средняя скорость, поскольку в емкости есть частицы со скоростями выше пиковой величины

А вот еще более простой пример. Упорядоченная колода карт, в которой каждая масть сложена отдельно в восходящем порядке, как мы говорим, имеет низкую энтропию. Это в высшей степени упорядоченное состояние, которое нарушается, когда мы тасуем колоду, – и мы говорим, что энтропия увеличивается. Когда мы перемешиваем колоду далее, более вероятно, что порядок еще больше нарушится, чем что карты вернутся в свое первоначальное упорядоченное состояние. Так происходит потому, что в неперемешанной колоде карты сложены в уникальном порядке, тогда как вариантов перемешанной существует бесчисленное множество. Поэтому гораздо более вероятно, что перемешивание пойдет в одном направлении – от неперемешанного состояния к перемешанному, от низкой энтропии к высокой.

Более интересное определение энтропии – следующее: это мера способности объекта затрачивать энергию на осуществление какой-либо задачи. Когда система достигает равновесия, она становится бесполезной. Полностью заряженный аккумулятор обладает низкой энтропией, которая увеличивается, когда его начинают использовать. И здесь в силу вступает различие между полезной и бесполезной энергией. Когда система упорядочена и находится в особом состоянии (с низкой энтропией), ее можно заставить осуществлять полезную работу – так происходит с заряженным аккумулятором, заведенными часами, солнечным светом, химическими связями между атомами углерода в куске угля. Но когда система приходит в равновесие, энтропия достигает максимума, а энергия, которой она обладает, становится бесполезной. Таким образом в некотором смысле для того, чтобы мир продолжал существовать, нужна не энергия, а низкая энтропия. Если бы все пребывало в состоянии равновесия, ничего бы не происходило. Для того чтобы заставить систему работать, то есть обеспечить переход энергии из одного состояния в другое, нужно, чтобы система находилась в состоянии низкой энтропии.

Жизнь – это система, которая может поддерживать себя в состоянии низкой энтропии вдали от теплового равновесия. По сути, живая клетка – сложная система, которая кормится (посредством тысяч биохимических процессов) полезной энергией с низкой энтропией, заключенной в молекулярной структуре пищи, которую мы поглощаем. Эта химическая энергия используется для того, чтобы поддерживать жизненные процессы. В конечном счете жизнь на Земле возможна только потому, что она поглощает энергию Солнца, обладающую низкой энтропией.