До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной - Брайан Грин

Я объясню эту связь в два этапа. Во-первых, мы рассмотрим связь между энтропией и теплотой. Затем, в следующем разделе, свяжем воедино теплоту и статистическое утверждение второго начала.

Возьмитесь за горячую ручку сковороды — и почувствуете, что теплота как будто течет вам в руку. Но течет ли при этом что-нибудь на самом деле? Давным-давно было время, когда ученые отвечали на этот вопрос положительно. Они представляли себе субстанцию наподобие жидкости, которую называли теплородом, перетекающую из более горячих мест в менее горячие, примерно как река течет сверху вниз. Со временем ученые стали лучше разбираться в ингредиентах вещества и предложили другое описание. Когда вы беретесь за ручку сковороды, ее быстро движущиеся молекулы сталкиваются с медленно движущимися молекулами в вашей руке, что в среднем повышает скорость молекул с вашей руке и снижает скорость молекул в ручке сковороды. Вы чувствуете увеличение скорости молекул как тепло; температура вашей руки увеличилась. Соответственно, снижение скорости молекул в ручке означает, что ее температура понизилась. Но это означает, что течет не теплота. Молекулы ручки остаются в ручке, а молекулы вашей руки остаются в вашей руке. Вместо этого, как при игре в испорченный телефон информация переходит от человека к человеку, молекулярное возбуждение перетекает от молекул в ручке к молекулам в вашей руке, когда вы за эту ручку беретесь. А значит, хотя само вещество не перетекает из ручки в руку, определенное качество этого вещества — средняя скорость молекул — перетекает. Именно это мы подразумеваем под потоком теплоты.

Это же описание применимо и к энтропии. С повышением температуры вашей руки ее молекулы начинают метаться быстрее, диапазон возможных скоростей расширяется, увеличивая число достижимых конфигураций, которые выглядят одинаково, — так что энтропия вашей руки тоже увеличивается. Соответственно, с понижением температуры ручки ее молекулы начинают двигаться медленнее, диапазон возможных скоростей для них сужается, уменьшая число достижимых одинаковых конфигураций, — так что энтропия ручки снижается.

Вот это да. Энтропия снижается?

Да. Но это не имеет отношения к редким статистическим флуктуациям, таким как получение 100 орлов при случайном броске 100 монет, как описано в предыдущем разделе. Энтропия горячей ручки уменьшается всякий раз, как вы за нее беретесь. Простой, но важный момент, который иллюстрирует сковорода, состоит в том, что постулируемый вторым началом рост энтропии относится к полной энтропии замкнутой физической системы, которая по определению включает в себя все, с чем эта система взаимодействует. Поскольку ваша рука взаимодействует с ручкой сковороды, вы не можете применить второе начало к ручке как таковой. Вы должны включить в систему и ручку, и руку (и, если быть точными, всю сковороду, плиту, окружающий воздух и так далее). И тщательный подсчет покажет, что рост энтропии вашей руки превышает падение энтропии ручки, гарантируя, что полная энтропия системы все же повышается.

Таким образом, примерно как в случае с теплотой, в каком-то смысле энтропия может течь. Для сковороды она течет из ручки в вашу руку. Ручка становится чуть более упорядоченной, а ваша рука — чуть менее упорядоченной. Перетекает она опять же не в виде осязаемой субстанции, которая первоначально находилась в ручке, а теперь перетекла в вашу руку. Скорее, поток энтропии обозначает взаимодействие между молекулами в ручке сковороды и в вашей руке, изменяющее свойства того и другого. В данном случае взаимодействие изменяет их средние скорости — относительные температуры, — а это, в свою очередь, влияет на энтропию, которую каждый из этих объектов заключает в себе.

Из этого описания очевидно, что поток теплоты и поток энтропии очень тесно связаны. Поглощать теплоту — значит поглощать энергию, которую заключает в себе случайное движение молекул. Эта энергия, в свою очередь, заставляет принимающие молекулы двигаться быстрее или распространяться шире, внося, таким образом, вклад в увеличение энтропии. Из этого можно сделать вывод: для того чтобы сдвинуть энтропию отсюда туда, теплота должна течь отсюда туда. Короче говоря, энтропия путешествует на волне теплоты.

А теперь, с этим пониманием взаимосвязи между теплотой и энтропией, вернемся ко второму началу.

Теплота и второе начало термодинамики

Объяснение того, почему мы переживаем события, разворачивающиеся только в одном направлении и никогда в обратном, привело нас к Больцману и его статистической версии второго начала: энтропия с ошеломляюще высокой вероятностью возрастает по направлению к будущему, делая обратные последовательности событий (в которых энтропия уменьшалась бы) фантастически маловероятными. Какое отношение все это имеет к более ранней формулировке второго начала (вдохновленной паровой машиной), в которой речь шла о неизменном производстве физическими системами тепловых отходов?

Связь заключается в том, что две наши начальные точки — обратимость и паровые машины — тесно связаны. Причина в том, что паровая машина основана на циклическом процессе: поршень, который расширяющийся пар выталкивает наружу, затем возвращается в начальную позицию, где ожидает следующего толчка. Пар тоже возвращается к начальным параметрам — объему, температуре и давлению; то же должны сделать и остальные значимые части, готовя машину к новому циклу нагрева и выталкивания поршня. Хотя ни один из этих процессов не требует тех ужасно маловероятных событий, при которых каждая молекула находит свой путь обратно в начальную точку или приобретает в точности ту же скорость, какую она имела в начале предыдущего цикла, работа машины все же подразумевает, что общая обстановка — макросостояние машины — вернулась в первоначальный вид, чтобы начать следующий цикл.

Что из этого следует в плане энтропии? Поскольку энтропия есть число микроскопических конфигураций, которые предстают перед нами в виде одного и того же макросостояния, то если макросостояние паровой машины сбрасывается до исходного в начале каждого цикла, значит, ее энтропия должна сбрасываться тоже. Это означает, что энтропия, которую паровая машина приобретает в ходе заданного цикла (когда она поглощает теплоту от горящего топлива, выделяет дополнительную теплоту за счет трения движущихся частей и так далее), должна целиком выбрасываться в окружающую среду к моменту завершения цикла. Как паровая машина это делает? Ну, мы уже видели, что для переноса энтропии необходим перенос теплоты. Таким образом, чтобы паровая машина сбрасывала свое состояние для следующего цикла, она должна выпускать тепло в окружающую среду. Значит, историческая формулировка второго начала термодинамики (неизбежное выбрасывание тепла в окружающую среду) — та самая деградация, которая так печалила Бертрана Рассела, — напрямую выводится из статистической версии второго начала 16.

Мы добрались до пункта назначения, к которому я здесь стремился, так что можете свободно переходить сразу к следующему разделу. Но, если у вас хватит терпения, поговорим об одной детали, не упомянуть которую было бы упущением с моей стороны. Вы, возможно, задались сейчас примерно таким вопросом: если паровая машина поглощает теплоту из сжигаемого топлива (набирая таким образом энтропию) только для того, чтобы потом сбрасывать теплоту в окружающую среду (сбрасывая таким образом и энтропию), то почему у нее еще остается энергия на выполнение полезных задач, таких как работа локомотива, к примеру? Ответ состоит в том, что паровая машина высвобождает в окружающую среду меньше тепла, чем поглощает, и все же умудряется полностью очиститься от накопленной энтропии. Вот как это происходит.