Романтика реальности. Как Вселенная самоорганизуется, порождая жизнь, сознание и сложность Космоса - страница 16

Теперь давайте рассмотрим некоторые реальные примеры, связанные с рассеиванием тепла. Когда вы добавляете немного горячей воды в прохладную ванну или немного горячего кофе в остывшую чашку, добавленная жидкость сначала концентрируется в локальном сгустке, а выделяемая энергия, связанная с горячей областью, считается «упорядоченной». По мере того как возбужденные молекулы смешиваются и взаимодействуют со своими менее возбужденными соседями, локализованная кинетическая энергия систематически распределяется, температурные градиенты рассеиваются, и первоначальный энергетический порядок постепенно превращается в энтропию. К тому моменту, когда достигается равновесие, перемешивание стирает все признаки существования теплового сгустка. По этой причине, с точки зрения наблюдателя, рост неупорядоченности также связан с потерей информации. По мере того как идет перемешивание, человек теряет уверенность и все меньше знает о точном микросостоянии системы, поскольку макросостояния с высокой энтропией имеют больше эквивалентных микросостояний – возможных расположений. Эта связь между энтропией и незнанием особенно нам пригодится, когда мы будем обсуждать тему информации в пятой главе и представим третий тип энтропии – информационную энтропию.

Пытаясь объяснить второй закон термодинамики с помощью раздела математики, известного как теория вероятностей, Максвелл, Больцман и американский физик Джозайя Гиббс разработали важную область физики – статистическую механику. По мере роста влияния этой области термин «энтропия» все меньше ассоциировался с его первоначальным значением (мерой диссипированной, бесполезной энергии) и стал синонимом структурной или конфигурационной неупорядоченности, описанной Больцманом. Вскоре второй закон начал ассоциироваться с примерами, которые не предполагали теплового потока или рассеивания энергии, а следовательно и увеличения тепловой энтропии. В тех популярных примерах рост неупорядоченности не имеет ничего общего с реальной термодинамикой и ограничивается лишь статистикой.

Поскольку мера энтропии Больцмана связана не с диссипацией тепла как таковой, а с меняющейся пространственной конфигурацией компонентов многочастичной системы, мы можем назвать это статистической энтропией, или конфигурационной энтропией. Хотя через процесс повышения конфигурационной энтропии можно объяснить диссипацию градиентов энергии, эта мера является математической абстракцией, имеющей гораздо более широкое применение.

Например, представьте, что у вас есть пакетик Skittles, сгруппированных по цвету (высокоорганизованное состояние). Драже Skittles аналогичны молекулам газа в контейнере. Теперь представьте, что вы встряхиваете пакет, имитируя случайное движение молекул. Естественно, что упорядоченное расположение драже будет постепенно дезорганизовываться, пока они полностью не перемешаются так, что не останется каких-либо различимых цветовых паттернов – наступит совершенно неупорядоченное состояние, представляющее собой равновесие. Это неизбежное смешение происходит по простой статистической причине. Существует гораздо, гораздо больше способов беспорядочного расположения драже, чем его упорядоченных конфигураций. Следовательно, исходя просто из чистой вероятности, мы вправе ожидать, что любая случайно развивающаяся система со временем перейдет от упорядоченного к неупорядоченному состоянию. Именно это происходит, когда вы перемешиваете салат, и повернуть этот процесс вспять невозможно. Хотя в нашем примере статистическая энтропия значительно возрастает по мере смешивания цветных драже, при этом, вероятно, наблюдается лишь небольшое увеличение тепловой энтропии, соответствующее тому количеству энергии, которая рассеивается при столкновении драже.