Все меняется, и некоторым из нас это не всегда нравится. Но согласно одной из точек зрения, энтропия Вселенной и природы в целом (то есть степень беспорядка или случайности в системе) может быть тем, что в первую очередь способствовало возникновению жизни.
Согласно этой точке зрения, когда группа атомов приводится в движение внешним источником энергии, например Солнцем, и окружена источником тепла, например атмосферой, она постепенно перестраивается таким образом, чтобы рассеивать все больше энергии. С этого момента, при определенных условиях, материя неумолимо приобретает свойства, ассоциирующиеся с жизнью.
Однако энтропию также связывают с тепловой смертью Вселенной. Вот все, что необходимо знать об энтропии в термодинамике и о том, как она влияет на Вселенную и, в конечном счете, на нас.
Что такое энтропия Вселенной?
Хотя в физике это не одно и то же, полезно вспомнить о теории хаоса и о том, как она связана с энтропией, и, в конечном счете, какое влияние энтропия может оказывать на Вселенную.
Согласно теории хаоса, в кажущейся случайности хаотических, сложных систем есть скрытые закономерности и взаимосвязи. Если знать начальные условия и выяснить эти базовые закономерности, то можно предсказать нарушения, которые произойдут в будущем. Другими словами, хаос не так беспорядочен и случаен, как может показаться.
В своей самой простой формулировке энтропия определяется как мера тепловой энергии в системе на единицу температуры, которая не может быть использована для совершения полезной работы. Поскольку работа получается в результате упорядоченного движения молекул, энтропия также является мерой молекулярного беспорядка, или случайности, в системе.
Не только физика, но и многие дисциплины нашли применение этой концепции, включая химию, биологию, изменение климата, социологию, экономику, теорию информации и даже бизнес.
Но давайте остановимся на физике, а точнее, на фундаментальных законах термодинамики.
- Нулевой закон термодинамики - это закон теплового равновесия. Он гласит, что если две независимые системы находятся в тепловом равновесии с третьей системой, то они также находятся в тепловом равновесии друг с другом. Это означает, что если A = B и B = C, то A = C. Это легко наблюдать в реальной жизни. Например, когда вы подносите холодный стакан воды к горячему стакану воды. Они будут обмениваться теплом через диатермальную стенку, пока оба не достигнут теплового равновесия с температурой в комнате.
- Первый закон термодинамики - это применение закона сохранения энергии к термодинамическим процессам. Закон сохранения энергии утверждает, что энергию нельзя создать или уничтожить, а возможно только преобразовать или передать. В случае изолированной термодинамической системы это происходит за счет работы и тепла. Именно поэтому формула первого закона термодинамики имеет вид ?U = Q - W, где ?U - изменение внутренней энергии системы, Q - подведенное к ней тепло, а W - работа, которую система совершает над окружающей средой.
- Второй закон термодинамики также известен как закон энтропии, поскольку он вводит такое понятие, как уровень беспорядка в системе. Он обозначается буквой S. В каждом процессе есть определенное количество энергии, которое не может быть преобразовано в работу. Вместо этого она превращается в тепло. Тепло увеличивает беспорядок, или энтропию, изолированной системы. А поскольку всегда существует некоторая степень неиспользуемой энергии, которая превратится в тепло, второй закон термодинамики утверждает, что в изолированных системах всегда будет происходить увеличение энтропии. Изменение энтропии ?S равно теплопередаче ?Q, деленной на температуру T: ?S =?Q / T.
- Третий закон термодинамики гласит, что энтропия системы приближается к постоянному значению по мере приближения температуры к абсолютному нулю. Если температура системы равна абсолютному нулю (нижний предел в термодинамической шкале температур), то энтропия также будет равна нулю.
Кто ввел понятие энтропии?
реклама
Несмотря на то, что понятие энтропии применяется в различных дисциплинах, оно берет свое начало в физике. Изучая сохранение механической энергии в своей работе " Основные принципы равновесия и движения" (1803), французский математик Лазар Карно предложил, что ускорения и удары движущихся частей в машине представляют собой "потери момента активности". Момент активности" Карно сопоставим с современным понятием работы в термодинамике. Таким образом, в любом естественном процессе существует неотъемлемая тенденция к рассеиванию полезной энергии.
Другие ученые исследовали эту "потерянную" энергию, и в последней половине 19 века они указали, что это не настоящее исчезновение, а преобразование. Это и есть концепция сохранения энергии, которая проложила путь к первому закону термодинамики. Такие ученые, как Джеймс Джоуль, Юлиус Майер, Герман Гельмгольц и Уильям Томпсон (также известный как лорд Кельвин), опубликовали работы, исследующие эту концепцию.
реклама
Но термин "энтропия" появился в работах немецкого физика Рудольфа Клаузиуса, который сегодня считается одним из авторов термодинамики.
В 1850-х годах он представил изложение Второго закона термодинамики применительно к тепловому насосу. Заявление Клаузиуса подчеркивало тот факт, что невозможно построить устройство, работающее по циклу и не производящее никакого другого эффекта, кроме передачи тепла от более холодного тела к более горячему.
В 1860-х годах он придумал слово "энтропия" от греческого слова, означающего превращение, или поворотный пункт, для обозначения необратимой потери тепла. Он описал ее как функцию состояния в термодинамическом цикле, в частности в цикле Карно, теоретическом цикле, предложенном сыном Лазаря Карно, Сади Карно.
В 1870-х годах австрийский физик и философ Людвиг Больцман переосмыслил и адаптировал определение энтропии к статистической механике. Ближе к тому, что подразумевает этот термин сейчас, он описывает энтропию как измерение всех возможных микро-состояний в системе, макроскопическое состояние которой было изучено. Как могут измениться все наблюдаемые свойства системы? Сколькими способами? Эти вопросы охватывают понятие беспорядка, которое лежит в основе одного из понятий энтропии.
Она записывается формулой S = k ln ?, где S - энтропия, K - постоянная Больцмана (1,38064852 ? 10-23 м2 кг с-2 K-1), а ? - количество, число возможных микросостояний.
Находится ли Вселенная в состоянии энтропии?
Еще в 19 веке Рудолф Клаузиус вывел, что энергия Вселенной постоянна, а ее энтропия имеет тенденцию к увеличению с течением времени.
Согласно наиболее широко принятой модели возникновения Вселенной, все пространство и время были созданы в результате Большого взрыва - события, произошедшего примерно 13,8 миллиарда лет назад. Согласно теории, до этого Вселенная была очень крошечной, очень горячей, плотной точкой, похожей на сингулярность, из которой возникло все, что мы видим вокруг себя.
По мнению космологов, затем эта точка "взорвалась", расширяясь и распространяясь со скоростью, превышающей скорость света, и породив все частицы, античастицы и излучения во Вселенной.
Конечно, для этого должно было произойти огромное количество процессов связанных с изменением энтропии. Однако если мы подумаем о непрерывном увеличении энтропии, которое происходило на протяжении всех этих лет, то сможем сделать вывод, что энтропия Вселенной сейчас должна быть намного больше. На самом деле, согласно расчетам, энтропия Вселенной сегодня примерно в квадриллион раз больше, чем во время Большого взрыва.
По мнению некоторых космологов, это можно объяснить с помощью идеи о существовании энтропии времени. Поскольку второй закон термодинамики гласит, что энтропия изолированной системы может увеличиваться, но не уменьшаться, энтропия требует определенного направления времени, иногда называемого осью времени. Таким образом, измерение энтропии - это способ отличить прошлое от будущего.
Почему энтропия Вселенной растет?
Энтропия Вселенной будет продолжать расти, но что именно приводит к этому росту? Остаточные уровни излучения после Большого взрыва, ядерный синтез в звездах... Существует множество процессов, которые поддерживают поток энергии, но считается, что основной вклад в это вносят черные дыры из-за огромного количества частиц, которые они содержат.
Черные дыры обладают огромной концентрацией массы, которая обеспечивает им исключительно сильное гравитационное поле. Поэтому они допускают множественность микросостояний. В связи с этим Стивен Хокинг предположил, что черные дыры выделяют тепловое излучение вблизи своих горизонтов событий. Это излучение Хокинга может привести к потере массы и окончательному испарению черных дыр.
Но помните, что черные дыры подчиняются второму закону термодинамики, который гласит, что энтропия всегда будет иметь тенденцию к увеличению. Поэтому они будут набирать все большую массу и сливаться с другими черными дырами, превращаясь в сверхмассивные чёрные дыры. А когда они в конце концов распадутся, излучение Хокинга, создаваемое распадающимися чёрными дырами, будет иметь такое же количество возможных состояний, как и сама ранее существовавшая черная дыра. Согласно этой точке зрения, ранняя Вселенная имела низкую энтропию из-за меньшего количества или гораздо меньших размеров черных дыр.
Существует ли предел энтропии во Вселенной?
Как бы мы ни говорили о тенденции к увеличению энтропии, законы термодинамики также подразумевают состояние максимальной энтропии.
В повседневной жизни мы можем наблюдать это, когда наш кофе остывает в чашке. Когда кофе достигает комнатной температуры, это означает, что он находится в тепловом равновесии с окружающей средой. В кипящей воде, используемой для приготовления кофе, было много возбужденных атомов, но они замедлились и в конце концов достигли максимальной энтропии для данной системы.
Термодинамическое равновесие - это стабильное состояние, которое не обратимо без "помощи" - поступления энергии. Кофе нужно было бы подогреть, добавив энергию, например, поставив его на плиту или в микроволновую печь. Однако у нас нет никакого способа подать энергию во Вселенную после того, как она достигнет теплового равновесия. В конце концов, повсюду будут достигнуты одни и те же значения.
При постоянной, стабильной температуре во всем космосе больше не останется энергии для совершения работы, так как энтропия достигнет максимального уровня. Все эти предположения составляют теорию тепловой смерти Вселенной. Эта теория также известна под названием "Большой заморозки", поскольку в этом сценарии энтропия Вселенной будет постоянно возрастать, пока не достигнет максимального значения. В этот роковой момент все тепло в нашей Вселенной будет распределено абсолютно равномерно, не оставляя места для полезной энергии.
Однако это лишь одна из теорий о конце света. Согласно другим теориям, энергия, содержащаяся в темной материи, заставит Вселенную сжаться и снова нагреться, что приведет к чему-то похожему на новый большой взрыв.
Может ли энтропия Вселенной уменьшиться?
Можно с уверенностью сказать, что энтропия во Вселенной в какой-то момент уменьшилась, потому что в ней существует определенный порядок. Гравитационные взаимодействия могут к примеру превращать туманности в звезды. Это своего рода порядок.
Энтропия может уменьшаться без нарушения второго закона термодинамики до тех пор, пока она увеличивается в других частях системы. В конце концов, второй закон термодинамики не говорит, что энтропия не может уменьшаться в определенных частях системы, а только то, что общая энтропия системы имеет естественную тенденцию к увеличению.
При этом общая энтропия Вселенной не уменьшается. Как было сказано выше, энтропия будет иметь тенденцию к увеличению, пока не достигнет своего максимального уровня и не приведет к тепловой смерти. Это стационарное состояние термодинамического равновесия, в котором энтропия не только максимальна, но и постоянна, и она будет оставаться такой, пока не произойдет приток энергии, который оживит систему.
Тогда цикл может повториться. С новой, дополнительной энергией, совершающей работу, останется часть энергии, не способной совершить работу, которая превратится в тепло. Это снова увеличит энтропию системы. Но откуда возьмется эта энергия? Что заставит оставшиеся лептоны и фотоны, если таковые имеются, взаимодействовать?
Однако мы не будем присутствовать при этом процессе. Конечно, страшно подумать, что когда-нибудь вся активность во Вселенной прекратится, что означает конец света и всего остального, но ученые считают, что тепловая смерть наступит примерно через 10100 лет. Так что мы еще некоторое время можем быть спокойны.