Энтропия (др.-греч. — поворот, превращение) — фундаментальный научный термин, мера хаоса и неупорядоченности системы

МЕНЮ


Новости ИИ
Поиск

ТЕМЫ


Внедрение ИИНовости ИИРобототехника, БПЛАТрансгуманизмЛингвистика, обработка текстаБиология, теория эволюцииВиртулаьная и дополненная реальностьЖелезоКиберугрозыНаучный мирИТ индустрияРазработка ПОТеория информации

АРХИВ


Август 2017
Июль 2017
Июнь 2017
Май 2017
Апрель 2017
Март 2017
Февраль 2017
Январь 2017
Декабрь 2016
Ноябрь 2016
Октябрь 2016
Сентябрь 2016
Август 2016
Июль 2016
Июнь 2016
Май 2016
Апрель 2016
Март 2016
Февраль 2016
Январь 2016
0000

RSS


RSS новости
Ураган харви в США

Новостная лента форума ailab.ru

2017-07-21 07:30

Энтропи?я (др.-греч. ???????? — поворот, превращение) — фундаментальный научный термин, мера хаоса и неупорядоченности системы. Проявляется в совершенно разных, на первый взгляд, областях. Настолько разных, что энтропию можно с полным правом назвать одним из главных философских понятий и уникальным физическим: это единственная величина, описывающая направление процесса.

Среди тем, связанных с энтропией, самой большой популярностью пользуется «демон Максвелла», многочисленные отсылки к которому можно встретить в литературе, играх, мультах и кино. Непосредственно «энтропия», а также вытекающая из неё «тепловая смерть Вселенной» тоже довольно востребованы.

Thermodynamics bitch!

Энтропия есть порождение, плоть от плоти, термодинамики. Поэтому нужно сказать пару слов о её маме.

Термодинамика — это раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. Она базируется на нескольких основополагающих принципах, называемых началами (иногда — законами). Первое начало термодинамики — это старый добрый закон сохранения энергии: энергия, а значит теплота, не может появляться из ниоткуда или исчезать в никуда. Куда более меметичным является второе начало термодинамики. Дабы не ебать мозги читателю заумной научной поебенью, вкратце перефразируем определение Рудольфа Клаузиуса: тепло не может самопроизвольно передаваться от менее нагретого тела к более нагретому. От такого перефраза Клаузиус переворачивается в гробу, но для дальнейшего понимания достаточно.

Третье начало термодинамики на пальцах можно объяснить как невозможность достижения абсолютного нуля температуры.

Помимо этих начал есть даже нулевое или общее начало термодинамики — замкнутая система независимо от начального состояния в конечном итоге приходит в состояние термодинамического равновесия и самостоятельно выйти из него не может.

Таким образом, термодинамика имеет четыре начала, при этом не имеет ни одного конца, что само по себе уже доставляет.

Вечный двигатель.

Законы термодинамики в пух и прах разбивают заветную мечту человечества. Невозможность вечных двигателей первого рода интуитивно понятна — энергия из ниоткуда не появляется. Для тепловых машин они запрещаются первым началом термодинамики, являющимся альтернативной, специальной формулировкой закона сохранения энергии. Сложнее с вечными двигателями второго рода. Энергия вроде и есть, вот они, молекулы, носятся туда-сюда, но, сцуко, получить её без «холодильника» (по-научному компенсации) невозможно. «Вечные двигатели второго рода невозможны» — ещё одна формулировка второго закона термодинамики.

Рождение мема.

Клаузиус, давший простую формулировку о невозможности передачи тепла от менее нагретого тела к более нагретому, повтыкал в получившуюся формулу. Потом записал её для бесконечно малого изменения теплоты, дунул… Затем решил, что если всё поделить на температуру, то будет более красиво. И стало так, однако, красоту эту неземную могут оценить только познавшие матан и дифференциальные формы. Но для дальнейшего повествования достаточно того, что у системы есть функция, значения которой зависят от её (системы) состояния, и называется эта функция энтропией.

Примерно в том же историческом периоде жил-был и творил Людвиг Больцман. А творил он матан, исходя из молекулярно-корпускулярной теории, это такая теория, где теплота представляет собой движение маленьких молекуло-корпускул (сейчас всё это называется статистической физикой). И надо было ему как-то пришить пизде рукав свои результаты к результатам Клаузиуса, и он таки взял и пришил. Параллельно с этим Больцман подвергся травле (по другой версии — «всё понял») и повесился на шнурке от штор. Поэтому чуть позже идею оформил Макс Планк, и оказалось, что энтропия — это логарифм вероятности нахождения системы в данном состоянии, то есть логарифм количества всевозможных скоростей и положений мелких частиц, приводящих к тому же описанию системы в большом масштабе (всякие там температуры, довления и объёмы). Отсюда возникло понятие энтропии как меры хаоса.

Не будем прибегать к формулам с логарифмами и объясним на пальцах. Вот чашка, у неё есть два состояния. Первое — чашка целая. Чашка может быть тут или там, повёрнута кверху дном или дном книзу, ручкой на север, юг, восток или даже на запад… Второе состояние — чашка разбита. Кусков может быть много, и каждый из них может быть почти в любом месте и как угодно повёрнут. Второе состояние более хаотично, это понятно интуитивно, а ежели посчитать вероятность всех параметров каждого куска чашки в обоих состояниях, то увеличение хаоса, сиречь энтропии, будет видно и на циферьках.

Из второго начала термодинамики следует: чтобы уменьшить хаос (энтропию), к системе нужно что-нибудь приложить, например, работу. Такой поворот вызвал массу смехуёчков, из разряда «физики шутят»: простая уборка в комнате оказывается не домашней рутиной, а борьбой с энтропией. Кроме шуток, в таком определении (как меры хаоса) понятие энтропии распространилось на разные близлежащие области, например, в теорию информации, о чём подробнее ниже.

Демон Максвелла.

Джеймс Максвелл был известным физиком и одновременно троллем 80-го уровня, подобно многим другим своим коллегам. Сам же приложил усилия для создания статистической физики, вписав себя в историю распределением Максвелла, но в то же время придумал парадокс в виде забавной зверушки, демона Максвелла, который эту самую статистическую физику не то чтобы множил на ноль, но подвергал серьёзному сомнению.

Возьмём некий герметичный контейнер, разделённый надвое газонепроницаемой перегородкой, в которой имеется микроскопическая дверца. В начале опыта обе части контейнера равномерно заполнены газом. Теперь поставим к дверце некоего микроскопического вахтёра, который будет открывать дверцу и пропускать, предположим, из левой части в правую только молекулы горячего газа, а молекулы холодного — не пропускать. И наоборот — из правой части в левую он будет пропускать только молекулы холодного газа, и не пропускать молекулы горячего. Через какое-то время газ в контейнере разделится на две части: в одной половине останется холодный газ из медленных молекул, в другой — горячий из быстрых. В итоге система упорядочится по сравнению с исходным состоянием, энтропия уменьшится, и второе начало термодинамики будет нарушено. Более того, разницу температур можно будет использовать для получения работы (гуглим цикл и теорему Карно). А если такого вахтёра оставить на дежурстве навечно (или хотя бы организовать сменное дежурство), то и вовсе получится вечный двигатель.

Сей демон до сих пор живёт в научном фольклоре и волнует умы британских учёных. Ведь вечный двигатель человечеству отнюдь не повредил бы, но вот бида: чтобы демон Максвелла заработал, ему самому потребуется энергопитание в виде притока фотонов, необходимых для освещения приближающихся молекул и их просеивания. Кроме того, просеивая молекулы, демон и дверца не могут не вступать с ними во взаимодействие, в результате чего они сами будут невозбранно получать от них тепловую энергию и наращивать свою энтропию, в итоге суммарная энтропия системы всё равно уменьшаться не будет. То есть таким объяснением теоретическая угроза ВНТ была отведена, но не безоговорочно.

Как и в случае с демоном Лапласа демона Максвелла добила квантовая механика. Для сортировки подлетающих молекул демону нужно измерять их скорость, а сделать это с достаточной точностью он не может в силу принципа неопределённости Гейзенберга. Кроме того, в силу этого же принципа он не может точно определить и местонахождение молекулы в пространстве, и часть молекул, перед которыми он распахивает микроскопическую дверцу, с этой дверцей разминутся. Другими словами, стоит только привести демона в соответствие с законами квантовой механики, и он окажется не в состоянии сортировать молекулы газа и просто перестанет представлять какую-либо угрозу научной картине мира в виде второго начала термодинамики.

А демона жаль — симпатичный был персонаж. Впрочем, смерть демона отнюдь не мешает встречаться с ним каждый день, и не по одному разу. Предположим, какое-то криворукое мудило разлило стакан жижи. Жижа испаряется, при этом медленные молекулы не могут преодолеть силу поверхностного натяжения и остаются, быстрые же улетают — в итоге жижа охлаждается. Всем известно, что при испарении происходит охлаждение. Ой, блджад, это же сортировка молекул жижи по скорости-энергии. Чем не демон Максвелла? Демон, да не тот. Есть два разных, но дополняющих друг друга объяснения. Первое: ВНТ запрещает существование демона (и сортировку молекул) в закрытой системе. А у нас быстрые молекулы улетают в неведомые ебеня. Если же сделать систему закрытой (крышечкой прикрыть и укутать, чтобы тепло снаружи не поступало), то всё быстро устаканится: жидкость и её пары придут в равновесие, испарение прекратится. Второе: молекулы в жиже находились в более упорядоченном состоянии, испаряясь, они переходят в менее упорядоченное. В начальной точке система была в неравновесном состоянии, при переходе же в равновесное состояние энтропия увеличится.

Неубывание энтропии.

Закон вроде бы и прост, да только при всей его кажущейся простоте является одним из самых трудных и часто неверно понимаемых законов классической физики. Есть в нём одно мерзкое словечко, которому иногда уделяется недостаточно внимания — это словечко «изолированной». Согласно ВНТ, энтропия («хаос») не может убывать только в изолированных системах. Но в других системах это уже не является законом, и энтропия там может как возрастать, так и убывать.

С точки зрения термодинамики существуют системы открытые, закрытые и изолированные. Открытые системы обмениваются веществом (а также, возможно, и энергией) с окружающей средой. Например, автомобиль: потребляет бензин и воздух, выделяет тепло. Закрытые системы не обмениваются веществом с окружающей средой, но могут обмениваться с ней энергией. Например, космический корабль: герметичен, но поглощает солнечную энергию с помощью солнечных батарей. Наконец изолированные (замкнутые) системы не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Например, термос: герметичен и сохраняет тепло.

Так вот, поскольку ВНТ применяется исключительно к изолированным системам, то энтропии запрещено уменьшаться только там.

Научные кретинисты креационисты люто, бешено фапают на ВНТ в формулировке «энтропия не убывает», которое якобы доказывает невозможность самопроизвольного возникновения жизни из неживой материи. Интуитивно понятно, что живые организмы более упорядочены, чем неживые. И самопроизвольное возникновении жизни выглядит как нарушение ВНТ: был хаос (…и тьма над бездною, и Дух Божий носился над водою, и далее по тексту), а тут раз — и из неупорядоченной глины появились упорядоченные твари, а потом и человек.

Конечно, если считать, что жизнь возникла одномоментно, или за семь дней, во всем своём великолепии, разнообразии и сложности, то без отца-создателя не обойтись, уж очень невероятное событие, гораздо более невероятное, чем если бы все молекулы воздуха собрались в одном углу комнаты, и креационист задохнулся бы по этой причине. Чтобы разобраться в подвохе, нужно понять, что вопросов тут два. Первый — безблагодатость сложность жизни. Тут всё разжевал дедушка Дарвин, а статистическая физика скромно добавляет: чтобы жизнь размножалась и усложнялась, извне должен быть приток энергии, тогда со вторым законом термодинамики всё будет чики-пуки. Второй вопрос: собственно зарождение жизни. Тут сложнее, внятного ответа от высоколобых учёных нет, есть кое-какие догадки. Но совершенно понятно, что жизнь в текущем виде развилась из чего-то более простого, гораздо более простого, чем клетка. Выдвигают гипотезы про мир-РНК, но и РНК слишком(!) сложно для зарождения. Пока невозможно точно говорить о том, где химия каким-то образом плавно перетекает в биологию. Возможно, предтечей жизни были какие-то химические соединения, способные к неидеальному самовоспроизведению и постепенному добавлению к ним новых, более простых элементов.

Из неубывания энтропии прямо вытекает ещё один мем от дядюшки Клаузиуса. Как следует из формулировки, закон применяется к изолированным системам, но трудно представить себе более изолированную систему, чем Вселенная в целом. А значит, суммарная энтропия Вселенной должна увеличиваться по мере её движения к равновесному, наиболее хаотичному состоянию.

Возникает вопрос: и хули? Если говорить просто, то со временем все звёзды потухнут и разложатся на плесень и липовый мёд. Причём температура всего этого квантового дерьма будет везде одинаковой — чуть выше абсолютного нуля. Вся Вселенная станет тёмной и холодной, что, конечно, не очень приятно.

Впрочем, является ли Вселенная изолированной системой строго не доказано, есть пачка вполне научных гипотез, в которых вселенных много, и они даже могут как-то взаимодействовать друг с другом. Но и обратное тоже не доказано, поэтому проще считать, что Вселенная одна, а значит тепловая смерть неизбежна.

В любом случае переживать не стоит, ведь сия оказия произойдет через каких-то 1010? лет. Да и то не факт, что произойдет. Ведь со времен Клаузиуса с его охуительными теориями появился другой учёный с теориями ещё более охуительными. Из теории относительности Эйнштейна могут следовать целых две версии смерти Вселенной — Большой разрыв (когда всё порвётся на британский флаг, даже небо, даже Аллах!) и Большое сжатие — вся Вселенная снова свернётся в сингулярность. Логично предположить, что процесс цикличен, и за сингулярностью следует очередной «Аллах-Бабах!». Но это уже совсем другая история.


Источник: lurkmore.to