Вселенская энтропия. Большая энциклопедия нефти и газа

Источник низкой энтропии во Вселенной

Р. Пенроуз

Теперь мы попытаемся понять, отку­да же все-таки берется такая «удивительно» низкая энтропия в том реальном мире, где мы живем. И начнем мы, в первую очередь, с самих себя. Если мы сумеем разобраться с вопросом о природе нашей собственной низкой энтропии, то, наверное, сумеем най­ти ее источник и для газа, удерживаемого перегородкой, и для стакана воды на сто­ле, и для яйца над шкворчашей сковородой, и для кусочка сахара над чашкой кофе. В ка­ждом из перечисленных случаев прямо или косвенно в дело были замешаны или одно лицо, или группа людей (и даже курица!). Создание подобных низкоэнтропийных со­стояний в значительной мере было связано с использованием некоторой небольшой ча­сти нашей собственной низкой энтропии. Но это, возможно, была не единственная причина. Не исключено, что для откачки газа за перегородку в углу ящика использо­вался специальный вакуумный насос.

Если насос был не ручной, то, на­верное, для получения низкоэнтропийной энергии, необходимой для этого процесса, было использовано какое-нибудь «природ­ное топливо» (например, нефть). Возможно также, что насос имел электрический при­вод и, в некоторой степени, использовал низкоэнтропийную энергию, заключенную в урановом топливе атомной энергетичес­кой станции. Я вернусь ко всем этим внеш­ним низкоэнтропийным источникам позже, но сперва давайте разберемся с низкой эн­тропией в нас самих.

Откуда же и в самом деле берется наша собственная столь малая энтропия? Стро­ительный материал для наших тел - это продукты, которые мы едим, и кислород, которым мы дышим. Существует довольно расхожее мнение, что продукты и кисло­род необходимы нам лишь для получения энергии, но, на самом деле, это верно лишь отчасти. Потребляемые нами продукты дей­ствительно окисляются кислородом, кото­рый мы вдыхаем, и это обеспечивает нас энергией. Но большая часть этой энергии снова покидает наши тела, главным обра­зом, в виде тепла. Поскольку энергия сохра­няется, и поскольку реальное энергетичес­кое содержание наших тел остается более или менее неизменным на протяжении всей нашей взрослой жизни, то нет никакой не­обходимости и увеличивать его. Нам вполне достаточно той энергии, которая содержится в наших телах в настоящий момент. Иногда мы, действительно, увеличиваем собствен­ное энергетическое содержание, когда нара­щиваем вес - но это, как правило, совсем нежелательно! Также, начиная с детского возраста, по мере взросления и роста наше­го тела, мы значительно увеличиваем свое энергетическое содержание; но речь сейчас идет совсем не об этом. Вопрос заключается в том, как нам удается поддерживать свою жизнь на всем ее протяжении (в основном во взрослый период). Для этого нам совсем не требуется увеличивать свое энергетичес­кое содержание.

Тем не менее, нам действительно необ­ходимо пополнять энергию, которую мы по­стоянно теряем в виде тепла. Несомненно, что чем более мы «энергичны», тем большее количество энергии мы теряем таким обра­зом. Вся эта энергия должна быть восста­новлена. Тепло - это самая неупорядочен­ная, т. е. самая высокоэнтропийная форма энергии в ряду остальных. Мы потребляем энергию в низкоэнтропийной форме (про­дукты и кислород), а выделяем ее в форме высокоэнтропийной (тепло, углекислый газ, экскременты). Нам не нужно как-то выла­вливать энергию из окружающей среды, так как энергия сохраняется. Но мы непрерывно боремся со вторым началом термодинами­ки. Энтропия не постоянна - она все время растет. Для поддержания нашей жизни нам необходимо сохранять тот низкий уровень энтропии, который имеется внутри нас. Это нам удается благодаря потреблению низко­энтропийной комбинации продуктов и ат­мосферного кислорода, их взаимодействию в наших телах и выделению энергии, кото­рую иначе мы бы усвоили, в высокоэнтропийной форме. Таким образом, мы можем предохранять энтропию наших тел от воз­растания и можем поддерживать (и даже совершенствовать) свою внутреннюю орга­низацию.

А откуда берется этот запас низкой эн­тропии? Если речь идет о мясе (или грибах!), то эти продукты, как и мы сами, долж­ны были использовать внешние низкоэн­тропийные источники следующего уровня, для обеспечения и поддержания своей низ­коэнтропийной структуры. Это только пере­водит вопрос об источнике внешней низкой энтропии на что-то еще. Предположим те­перь, что мы (или животные, или грибы) потребляем растения. Все мы, на самом де­ле, должны быть чрезвычайно благодарны зеленым растениям - прямо или косвен­но - за их замечательную способность по­треблять атмосферный углекислый газ, раз­делять углерод и кислород и использовать углерод в качестве строительного материала для своих организмов.

Этот процесс, называемый фотосинте­зом, приводит к сильному понижению эн­тропии. Мы сами используем это низкоэн­тропийное разделение, в конечном счете, просто соединяя снова кислород и угле­род внутри наших тел. Каким же образом зеленые растения совершают подобное чу­до? Они используют солнечный свет. Этот свет переносит энергию с Солнца на Зем­лю в сравнительно низкоэнтропийной фор­ме-в виде фотонов видимого света. Зем­ля, включая и ее обитателей, не задержива­ет эту энергию надолго, а переизлучает ее целиком обратно в окружающее простран­ство. Однако эта переизлученная энергия находится уже в высокоэнтропийной фор­ме, а именно, в виде так называемого «ра­диационного тепла», т. е. инфракрасных фо­тонов. В противоположность общепринято­му мнению, Земля вместе с ее обитателями не получает энергии от Солнца! Вся роль Земли здесь сводится к тому, чтобы при­нять энергию в низкоэнтропийной форме, а затем рассеять ее обратно в окружающее пространство, но уже как энергию с высокой энтропией (рис. 1). Таким образом, Солн­це служит для нас мощным источником низкой энтропии. Мы (благодаря упомяну­той замечательной способности растений)

Рис. 1. Так мы используем Солнце - раскаленный шар среди темноты космического пространства

это используем, выделяя некоторую неболь­шую ее часть и преобразуя ее в удивитель­ные по своей сложности структуры наших организмов.

Давайте теперь в общих чертах рассмо­трим, что происходит с энергией и энтро­пией относительно Солнца и Земли. Солнце излучает энергию в виде фотонов видимого диапазона длин волн. Часть из них поглоща­ется Землей, а затем переизлучается в виде фотонов инфракрасного диапазона. Реша­ющее значение здесь имеет тот факт, что видимые фотоны имеют большую частоту, чем инфракрасные и, следовательно, боль­шую энергию, приходящуюся на одну части­цу. (Вспомните формулу Планка Е = hv ). Она как раз и го­ворит о том, что энергия фотона пропор­циональна его частоте.) Так как одиночный видимый фотон обладает большей энерги­ей, чем одиночный инфракрасный, то види­мых фотонов, падающих на Землю, должно быть меньше, чем инфракрасных, испус­каемых Землей, причем ровно настолько, чтобы соблюдался баланс между падающей и излученной энергиями. А значит, энергия, переизлучаемая Землей в окружающее про­странство, распределяется по гораздо боль­шему числу степеней свободы, чем энергия, получаемая Землей от Солнца. Из-за этого большого числа задействованных степеней свободы соответствующий объем в фазовом пространстве электромагнитного поля также оказывается значительно большим у переиз­лученных фотонов по сравнению с фазовым объемом падающих и, следовательно, энтропия системы фотонов после переизлуче­ния существенно возрастает. Зеленые расте­ния, потребляя энергию в низкоэнтропий­ной форме (сравнительно небольшого числа видимых фотонов) и переизлучая ее в высо­коэнтропийной форме (сравнительно боль­шого числа инфракрасных фотонов), одно­временно обеспечивают себя необходимой низкой энтропией, а нас - жизненно необ­ходимым разделением углерода и кислорода.

И все это возможно благодаря тому, что Солнце - это горячее пятно на небе! Дело в том, что небо находится в термодинами­чески неравновесном состоянии: один его небольшой участок, а именно, тот, кото­рый и занимает Солнце, имеет температуру, намного превышающую температуру остав­шейся его части. Благодаря этому мы и ока­зываемся обеспечены мощным источником низкой энтропии. Земля получает энергию от этого горячего пятна в низкоэнтропийной форме (немного фотонов) и переизлучает ее в холодные области неба в высокоэнтропий­ной форме (много фотонов).

А почему Солнце является этим горя­чим пятном? Каким образом оно приобрело столь высокую температуру и затем смогло поддерживать низкоэнтропийные состояния других систем? Ответ заключается в том, что изначально оно образовалось из однородно­го газового облака (главным образом - во­дорода) посредством гравитационного сжа­тия. В ходе этого процесса, еще на ранних стадиях своего образования, Солнце разо­грелось. Оно продолжало бы и далее сжи­маться и разогреваться, если бы, при некото­рых определенных давлении и температуре, в игру не вступил другой источник энер­гии негравитационной природы, а именно, термоядерные реакции: слияние ядер водо­рода в ядра гелия с выделением энергии. Без термоядерных реакций Солнце было бы намного горячее и меньше, чем сейчас, оста­ваясь таким до самого момента своей звезд­ной смерти. Термоядерные реакции не дали Солнцу стать слишком горячим, приостано­вив его дальнейшее сжатие и стабилизировав температуру Солнца на том уровне, который оказался вполне пригоден для нашей жизни, одновременно продлив при этом период его свечения.

Важно отметить, однако, что хотя тер­моядерные реакции и играют очень важ­ную роль в происхождении и установле­нии количественных характеристик солнеч­ной энергии, именно гравитация является здесь решающим фактором. (На самом де­ле, возможность термоядерных реакций да­ет существенный вклад в низкую энтропию Солнца, но учесть энтропию, обусловлен­ную слиянием ядер весьма непросто, и де­тальное обсуждение этого вопроса только усложнило бы наши рассуждения, не изме­няя окончательного вывода. Без грави­тации Солнце вообще не могло бы суще­ствовать! Оно продолжало бы светить и без термоядерных реакций (хотя в этом случае его излучение было бы губительным для нас), но без гравитации оно не светило бы вообще, поскольку именно гравитационное взаимодействие связывает вещество Солн­ца и обеспечивает необходимые температуру и давление. Без гравитации вместо Солнца мы имели бы холодный и рассеянный газ - такой же «мертвый», как и остальное кос­мическое пространство вокруг нас.

Нам осталось обсудить вопрос об ис­точнике низкой энтропии различных ви­дов «природного топлива» на Земле; но суть и в этом случае остается прежней. В соот­ветствии с общепринятыми взглядами, вся нефть (и природный газ) образовались из до­исторической растительности. И снова ра­стения оказываются источником низкой эн­тропии. Поскольку доисторическая расти­тельность имела благодаря Солнцу низкую энтропию, то мы опять возвращаемся к гра­витации, которая формирует Солнце из рас­сеянного газа. Существует интересная «аль­тернативная» теория происхождения неф­ти на Земле, выдвинутая Томасом Голдом, который оспаривает традиционный подход, утверждая, что доисторическая раститель­ность не могла послужить источником такой гигантской массы гидрокарбонатов на Зем­ле. Голд полагает, что нефть и природный газ были захвачены внутренностью Земли во время ее формирования, и с тех пор они непрерывно просачиваются наружу, на­капливаясь в подземных пустотах и по сей день М. Согласно теории Голда, синтез неф­ти в любом случае должен был происхо­дить под действием солнечного света, хотя на этот раз в космосе, прежде чем сформи­ровалась Земля. Но и здесь за все отвечает Солнце, которое сформировала гравитация.

А что можно сказать по поводу низ­коэнтропийной ядерной энергии изотопа урана-235, который используется в ядерных реакторах? Она имеет своим источником не само Солнце (хотя вполне и могла быть связана с Солнцем на некоторой стадии), а какие-то другие звезды, которые взорва­лись много миллиардов лет назад во вре­мя вспышек сверхновых. В действительно­сти, этот материал образовался в результате большого числа таких вспышек. Он рас­сеялся в пространстве после взрыва, часть его случайно соединилась (под воздействи­ем Солнца) и обеспечила Землю тяжелыми элементами, включая и весь запас урана-235 на ней. Каждое ядро, с его низкоэнтропий­ным запасом энергии, возникло в результа­те грандиозного ядерного процесса, проис­ходившего во время вспышки сверхновой. Этот взрыв, в свою очередь, был следствием гравитационного коллапса звезды, кото­рая была слишком массивна, чтобы сдер­живать этот коллапс одними только силами теплового давления. После такого колла­пса и последующего взрыва обычно оста­ется только небольшое ядро - возможно, в виде так называемой нейтронной звезды. Эта звезда должна была получиться в результате гра­витационного сжатия рассеянного газового облака, и большая часть ее исходного веще­ства - включая и наш уран-235 - должна была быть выброшена обратно в космичес­кое пространство. При этом, однако, благо­даря гравитационному сжатию, в целом про­изошел колоссальный выигрыш в энтропии, заключенной в ядре оставшейся нейтронной звезды. И снова именно гравитация оконча­тельно все расставила по местам, конденси­руя (на последних этапах - стремительно) рассеянный газ в нейтронную звезду.

Таким образом, напрашивается вывод, что вся та удивительно низкая энтропия, которую мы обнаруживаем вокруг себя - и которая составляет наиболее загадочную сторону второго начала термодинамики - должна быть приписана тому, что огром­ный выигрыш в энтропии может быть по­лучен в процессе гравитационного сжатия рассеянного газа в звезды. А откуда взял­ся весь этот рассеянный газ? Здесь для нас важно, что в самом начале этот газ был рас­сеянным, благодаря чему человечество было обеспечено огромным запасом низкой эн­тропии, которого нам хватало до сих пор и хватит еще на продолжительный период в будущем.

Именно возможность собирания этого газа в гравитационные сгустки и дала нам второе начало термодинамики. Более того, эти сгустки не просто послужили основани­ем второго начала, но дали нечто намного более точное и определенное, чем простое утверждение: «Энтропия мира вначале была очень низкой». Ведь энтропия могла быть дана нам низкой и многими другими спосо­бами, например, в ранней вселенной мог бы иметь место космологический «явный поря­док» совсем другого рода, чем тот, с которым мы сталкиваемся в действительности.

Представьте себе, что ранняя вселен­ная была бы правильным додекаэдром - как это могло видеться Платону - или име­ла бы какую-нибудь другую самую неверо­ятную геометрическую форму. Это был бы, конечно, самый настоящий «явный поря­док», но совсем не тот, который мы ожида­ли бы обнаружить в действительной ранней вселенной!) Мы должны разобраться в том, откуда взялся весь этот рассеянный газ, для чего нам необходимо обратиться к суще­ствующим космологическим теориям.

Космология

и Большой взрыв

Наша Вселенная на всех масштабах, до­ступных для наблюдений с помощью са­мых мощных оптических и радиотелеско­пов, оказывается в целом довольно однород­ной; и, что еще более впечатляет, она расши­ряется. При этом, чем большее расстояние разделяет нас и удаленные объекты - га­лактики (или совсем далекие квазары), тем с большей скоростью эти объекты удаляются от нас. Все выглядит так, как будто сама Все­ленная родилась в результате гигантского взрыва, который принято называть Большим взрывом, имевшим место несколько десятков миллиардов лет назад 4). Убедительным сви­детельством в пользу однородности Вселен­ной и существования Большого взрыва ока­залось открытиечернотельного фонового из­лучения. Это тепловое излучение, состоящее из фотонов, не имеющих явного источника и движущихся совершенно хаотично, име­ет температуру 2,7° по абсолютной шкале (2,7 К), т. е. -270,3° Цельсия или 454,4° ниже нуля по Фаренгейту. И хотя кажет­ся, что эта температура очень низка (а так оно, в действительности, и есть!), это излу­чение представляет собой остаток вспышки самого Большого взрыва! Из-за колоссаль­ного расширения, которое испытала Вселен­ная с момента Большого взрыва, начальный пылающий сгусток вещества распределился впоследствии по гигантскому объему. Тем­пература Большого взрыва намного превы­шала все мыслимые значения, с которыми мы имеем дело, но из-за расширения она понизилась до той совершенно ничтожной величины, которую чернотельное фоновое излучение имеет сегодня.

Впервые существование фонового излу­чения было теоретически предсказано аме­риканским физиком и астрономом русского происхождения Георгием Гамовым в 1948 го­ду, на основе общепринятой ныне теории Большого взрыва. А в 1965 году Пензиас и Вильсон впервые (и совершенно случай­но) обнаружили его.

Я собираюсь задать вопрос, который обычно многих озадачивает. Если все да­лекие галактики во Вселенной удаляются от нас, не означает ли это, что мы сами занимаем какое-то особое центральное по­ложение во Вселенной? Оказывается, нет! Точно такое же разбегание наблюдалось бы и из любого другого места во Вселенной. В больших масштабах расширение Вселен­ной однородно и все положения во Вселен­ной совершенно равноправны.

4 " В настоящее время эта цифра уточняется. Совре­менные оценки возраста Вселенной колеблются меж­ду 6 х ю" и 1,5 х 10 10 лет. В любом случае эти цифры намного превосходят те 10 9 лет, которые полагались в качестве оценки возраста Вселенной сразу после от­крытия ее расширения Эдвином Хабблом приблизи­тельно в 1930 году.

Вселенная - наш большой необозримый дом. И очень хочется, чтобы процессы в ней были стабильны, поскольку все мы зависим от их результатов. Изучение и прогнозирование их представляет безусловный интерес.

Что такое Вселенная

Под Вселенной в самом распространенном, астрономическом смысле обычно понимают всю совокупность объектов, которые видны на небе. Это не только все доступные звезды и планеты, но и пространство между ними, а также второстепенные тела, такие как астероиды, кометы и так далее. Граница Вселенной теоретически существует. Но определить ее, а тем более достичь пока, к сожалению, невозможно. Да и при наших возможностях можно только наблюдать.

Энергия Вселенной

Принято считать, что пространство, которое заполняет пустоты во Вселенной, обладает энергией. Ее называют «темной», причем название это вполне научное. Оказывается, бесконечная Вселенная состоит из вещества, структурированную часть которого определяют как материю, а все остальное - энергия. Например, энергией являются поля. В отличие от излучения и веществ различных видов, она крепко и неразрывно связана с самим пространством. Она пронизывает каждый его сантиметр. С некоторыми допущениями можно также сказать, что само пространство, которое является безвоздушным, обладает некоторой условной массой и участвует в обычных процессах гравитационного взаимодействия. Именно с этих позиций объясняется также такое понятие, как энтропия Вселенной.

Что такое энтропия

Понятие энтропии может применяться в термодинамике для обозначения объемов энергии, которая необратимо теряется при рассеянии. Затем оно стало использоваться также в других научных отраслях как мера статистической вероятности, с которой может наступить некое макроскопическое событие. Каждому определенному состоянию соответствует конкретное значение энтропии.

Понятие энтропии Вселенной

Энтропия Вселенной - это, попросту говоря, мера хаоса. По мнению ученых, самым крупным источником беспорядка в нашем мире являются такие образования, как массивные и сверхмассивные Появляются работы, в рамках которых специалисты пытаются рассчитать точное значение этой меры. Однако оценки такой величины, как энтропия Вселенной, значительно отличаются - на 1-3 порядка. Это связано с тем, что при расчетах необходимо учитывать влияние на нее не только небесных объектов, но и темной энергии, особенности которой пока изучаются.

Связана также энтропия Вселенной с теорией большого взрыва и грядущей тепловой смертью. Наступить такое состояние должно в тот момент, когда значение этой величины достигнет максимума. Тогда в создавшейся замкнутой системе перестанут происходить какие-либо процессы, невозможной станет также жизнь. Любое изменение значения этого параметра связано с процессами переноса тепла от одного физического тела к другому.

Энтропия Вселенной постоянно меняется. Ученые проводят целый ряд исследований, чтобы определить общие закономерности и иметь возможность сделать верные прогнозы развития

$S$

Энтропия Вселенной - величина, характеризующая степень неупорядоченности и тепловое состояние Вселенной. Классическое определение энтропии и способ её вычисления не подходят для Вселенной, так как в оной действуют силы гравитации и вещество само по себе не образует замкнутой системы . Однако можно доказать, что в сопутствующем объёме полная энтропия сохраняется

В сравнительно медленно расширяющейся Вселенной энтропия в сопутствующем объёме сохраняется, а по порядку величины энтропия равна числу фотонов .

Закон сохранения энтропии во Вселенной

В общем случае, приращение внутренней энергии имеет вид:

$dE\; =\; TdS\; -\; pdV\; +\; \backslash sum\backslash limits\_\{i\}\backslash mu\_idN\_i$

Учтем, что химический потенциал частиц равны по значению и противоположны по знаку:

$dE\; =\; TdS\; -\; pdV\; +\; \backslash sum\backslash limits\_\{i\}\backslash mu\_i(dN\_i\; -\; d\backslash overline\{N\}\_i)$

Если считать расширение равновесным процессом, то последние выражение можно применить к сопутствующему объёму($V\; \backslash propto\; a^3$). Однако в сопутствующем объёме разница частиц и античастиц сохраняется, учитывая этот факт, имеем:

$TdS\; =\; (p+\backslash rho)dV\; +\; Vd\backslash rho$

Но причиной изменения объёма является расширение. Если теперь учитывая это обстоятельство продифференцировать по времени последнее выражение:

$T\backslash frac\{dS\}\{dt\}\; =\; a^3\; \backslash left[\; 3\backslash frac\{\backslash dot\{a\}\}\{a\}\; (p+\backslash rho)\; +\; \backslash dot\{\backslash rho\}\; \backslash right]$

Теперь, если подставить уравнение неразрывности, входящую в систему уравнений Фридмана :

$T\backslash frac\{dS\}\{dt\}\; =\; 0$

Последнее означает, что энтропия в сопутствующем объёме сохраняется.

Напишите отзыв о статье "Энтропия Вселенной"

Примечания

Литература

• - статья из Физической энциклопедии
• - М.: Альпина нон-фикшн, 2009 г., 456 стр., ISBN 978-5-91671-024-3 (перевод с англ. - Michio Kaku . Physics of the Impossible , New York: Doubleday, 2008, 329 p., ISBN 978-0-385-52069-0) с.38
• А. Д. Линде // Успехи физических наук. - 1984. - Т. 144 , вып. 2 .

Ссылки

• А.В.Тунцов.
• Я.Б.Зельдович. . АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ВЫВОДЫ. НУЖНА ЛИ ПУЛЬСИРУЮЩАЯ ВСЕЛЕННАЯ? . астронет . Проверено 27 сентября 2013.
• А. Д. Сахаров. . ПОСЛЕСЛОВИЕ . астронет . Проверено 27 сентября 2013.

Отрывок, характеризующий Энтропия Вселенной

Пришло утро с его заботами и суетой. Все встали, задвигались, заговорили, опять пришли модистки, опять вышла Марья Дмитриевна и позвали к чаю. Наташа широко раскрытыми глазами, как будто она хотела перехватить всякий устремленный на нее взгляд, беспокойно оглядывалась на всех и старалась казаться такою же, какою она была всегда.
После завтрака Марья Дмитриевна (это было лучшее время ее), сев на свое кресло, подозвала к себе Наташу и старого графа.
– Ну с, друзья мои, теперь я всё дело обдумала и вот вам мой совет, – начала она. – Вчера, как вы знаете, была я у князя Николая; ну с и поговорила с ним…. Он кричать вздумал. Да меня не перекричишь! Я всё ему выпела!

Энтропия Вселенной

Энтропия, какой ее знал Эддингтон, касалась Земли, Солнца, Солнечной системы, других звезд, туманностей, света звезд и других объектов, которые могут быть обнаружены. Со времен Эддингтона мы выяснили, что она составляет лишь микроскопическую часть общей энтропии Вселенной.

Первое свидетельство существования великой энтропии, которой никто не ожидал, появилось с открытием Пензиасом и Уилсоном космического микроволнового излучения. Энтропия этого излучения относительно мала в расчете на кубический метр, но оно заполняет все космическое пространство, в отличие от обычной материи. В результате, по нашим оценкам, энтропия этих микроволн в 10 миллионов раз больше, чем энтропия всех звезд и планет, вместе взятых.

Как меняется со временем необъятная энтропия космических микроволн? Поразительно, но никак. По мере расширения Вселенной микроволны заполняют пространство, но теряют энергию. Общий результат в том, что энтропия остается постоянной. Но время движется вперед. Следует ли отсутствие изменения энтропии принимать за аргумент, опровергающий направление стрелы ?

Физики уверены, что Вселенная располагает тремя большими вместилищами энтропии, но ни одно из них до сих пор не обнаружено и его существование не подтверждено. Все они, по существу, лишь теоретические построения. Первое такое вместилище состоит из нейтрино, оставшихся после Большого взрыва. Их так же много, как и фотонов в микроволновом излучении, но они взаимодействуют с веществом еще меньше фотонов. Таких нейтрино насчитывается три вида (электронное, мюонное и тау-нейтрино), и поскольку они не взаимодействуют, их энтропия постоянна и сравнима с энтропией фотонов в микроволнах.

Второй большой источник скрытой энтропии находится в сверхмассивных черных дырах. Энтропия черной дыры была впервые вычислена Яаковом Бекенштейном и Стивеном Хокингом. Большинство теоретиков согласились с их результатами, но экспериментальных подтверждений пока нет. Поскольку работа этих ученых находится на самом краю наших знаний об относительности и квантовой физике, чрезвычайно важно все-таки узнать, окажется она правильной или ошибочной.

Давайте предположим, что рассчитанная по формуле Бекенштейна-Хокинга энтропия сверхмассивных черных дыр полностью подавляет энтропию материи, микроволн и нейтрино во Вселенной. Значит, направление стрелы времени на Земле определяет черная дыра, расположенная в центре нашего Млечного Пути?

Вот вам важный факт об энтропии. Номинально черная дыра находится от нас на расстоянии 14 миллиардов световых лет. Но энтропия тоже глубоко, рядом с поверхностью черной дыры. Если предположить, что она только что сформировалась, то энтропия находится от нас на расстоянии бесконечности. В реальности она будет от нас просто очень далеко, на расстоянии количества лет с начала своего формирования, помноженного на скорость света. В любом случае, эта энтропия в миллиардах световых лет от нас. Как она может на таком расстоянии оказать влияние на наше время?

Может быть и еще один, более огромный источник энтропии. Он расположен в том, что физики называют горизонтом событий , на расстоянии 14 миллиардов световых лет. Эта энтропия быстро увеличивается по мере расширения Вселенной. Но она «убегает» от нас со скоростью света. И она очень далеко.

Помните, что связь между увеличением энтропии и течением времени не установлена. Это всего лишь размышления, основанные на определенной корреляции параметров – то есть на том факте, что оба процесса развиваются. Такой теории нет, в том смысле, как, например, существует общая теория относительности. Может быть, когда-нибудь подобные теории и появятся. Я этого не исключаю, однако с трудом верится, что они покажут, как отдаленные энтропии определяют стрелу времени , или свяжут нас с не изменяющейся (и почти внутренне не взаимодействующей) энтропией микроволнового излучения.

Мы знаем, что корреляция параметров еще не подразумевает наличия причинно-следственной связи между ними. Есть даже латинское выражение, обозначающее эту ошибку в мышлении: cum hoc ergo propter hoc. Буквально значит: «с этим – значит, по причине этого». Это выражение относится к тому ошибочному представлению, что если два явления коррелируют между собой, значит, они причинно связаны, то есть одно оказывается причиной появления второго. Если применить такие логические построения, можно прийти к заключению, например, что сон в обуви вызывает похмелье, рост продаж мороженого ведет к большему количеству утопающих или еще к каким-то столь же абсурдным выводам. Однако именно физики часто не признают, что попадают в эту логическую ловушку, утверждая, что стрела времени определяется энтропией.

Видный философ науки Карл Поппер утверждал: чтобы какая-то теория считалась научной, должна существовать возможность ее опровержения. Объяснение стрелы времени теорией энтропии как раз этому условию не удовлетворяет.

Теории, которые нельзя опровергнуть, включают в себя спиритизм, логические умозаключения, астрологию и связь между стрелой времени и энтропией. Возможно, вы вспомните и о других подобных. Из упомянутых астрология ближе всего к тому, чтобы быть опровергаемой. Описание тонкого эксперимента Шона Карлсона (в котором я выступал как научный консультант и в ходе которого для приобретения астрологических карт использовалась часть моей премии Уотермана) было опубликовано в престижном журнале Nature . Шон проверял фундаментальный постулат астрологии – о том, что точное время рождения человека коррелирует с его личными качествами. Он использовал двойной слепой метод, который приветствовался (до тех пор, пока не появились результаты) самыми уважаемыми астрологами мира. (Да, существует множество таких людей, и большинство из них имеют докторские степени по психологии .) После того как полученные Карлсоном результаты опровергли этот базовый постулат астрологии, ее адепты испытали шок и разочарование (все-таки они относились к своей работе серьезно), но никто от профессии не отказался. Так что с точки зрения ученых астрология может быть опровергнута – но ее мастера проявляют стойкость в отношении своего дискредитированного дела.

Согласно греческому мифу, Антей был богатырем, сохранявшим свою огромную силу только до тех пор, пока какой-нибудь частью тела касался земли. Думаю, это своеобразная метафора по отношению к современному «интеллигентному» фермеру: если он не будет каждый день пачкать руки землей, не получит никакого урожая. Любимым делом Антея было зазывать прохожих на борьбу с собой. Он всегда побеждал соперников, часто убивал и использовал их черепа, чтобы строить храм. В конце концов он вступил в схватку с Геркулесом. Тот уже был близок к поражению, когда вдруг вспомнил, что для сохранения силы Антею необходим контакт с землей. Геркулес поднял Антея над землей и раздавил его руками.

Теоретическая физика должна иметь контакт с землей, настаивая на необходимости проверяемых и опровергаемых экспериментальных результатов. Если бы Эддингтон обнаружил другую величину отклонения луча света возле Солнца во время его затмения, это могло бы показать, что Эйнштейн ошибался. Если бы разогнанные до околосветовых скоростей частицы не имели бы продолжительное время жизни, это опять-таки говорило бы, что Эйнштейн в своей теории был неправ. То же самое произошло бы, если бы для глобальной системы позиционирования (GPS) не пришлось вводить корректировку на замедление времени, которое вызывается одновременно и земной гравитацией, и скоростью спутников.

Да, эйнштейновская теория броуновского движения вскоре после ее опубликования была признана ошибочной. Серия экспериментов опровергла ее. Именно в тот период совершил самоубийство Людвиг Больцман, отец до сих пор оспариваемой статистической физики. Однако дальнейшие экспериментальные исследования показали, что в первых опытах имелись ошибки. Предсказания Эйнштейна подтвердились. На это ушло четыре года.

Изменение энтропии Вселенной, связанное с этим самопроизвольным процессом переноса теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, как нетрудно видеть, является положительной величиной, что находится в согласии со вторым законом термодинамики в том виде, как он сформулирован в разд.  

Если бы энтропия вселенной стала равной нулю, это означало бы, что достигнуто окончательное состояние, в котором уже невозможна никакая эволюция, Вселенная была бы, следовательно, однородной массой материи одинаковой температуры. Существование бесчисленных звезд, то есть огромных концентраций весьма горячей материи, показывает нам, что мы весьма далеки от этого состояния нулевой энтропии. Время же, необходимое, чтобы его достичь, по сравнению со сроками существования жизни на нашей планете - то же самое, что миллиарды веков по сравнению с одной секундой.  

Вычислите изменение энтропии Вселенной, вызванное этим процессом.  

При расчете изменения энтропии вселенной между спонтанным (необратимым) и равновесным (обратимым) путями наблюдается различие. В этих двух случаях изменение окружающей срет. Мы сейчас рассмотрим этот вопрос.  

В случае обратимого процесса энтропия вселенной постоянна, а в случае необратимого процесса возрастает.  

С установлением закола возрастания энтропии Вселенной воспряла духом церковь: раз будет энтропийный конец света, значит, было и его начало, следовательно, был, есть и будет творец - бог.  

Антинаучность утверждения Клаузиуса, что энтропия вселенной стремится к максимуму, заключается прежде всего в том, что он бездоказательно перенес выводы о возрастании энтропии в изолированной системе на безграничную систему, какой - является вселенная.  

Процесс, при протекании которого энтропия Вселенной возрастает.  

Это соотношение связывает полное изменение энтропии вселенной с изменениями в замкнутой системе и температурой окружающей среды.  

Поэтому постоянно остается термодинамический фактор - изменение энтропии вселенной. Энтропия вселенной возрастает; это возрастание энтропии обусловлено рассеянием энергии и вещества из более концентрированного в менее концентрированное состояние. Наиболее эффективным с точки зрения термодинамики всегда является синтез, наиболее близкий к термодинамически обратимому процессу. Однако по мере приближения к обратимости скорость уменьшается до нуля, и поэтому все реальные синтезы являются компромиссом между требованиями термодинамической обратимости и кинетическими требованиями значительного выхода. Если стоимость энергии достаточно высока, больший вес приобретают требования термодинамики; если же имеются богатые источники дешевой энергии, на первый план выступают кинетические требования.  

Можно ли объяснить тот интригующий факт, что начальная энтропия вселенной была чрезвычайно мала - а именно он и дает нам второе начало - тем обстоятельством, что вселенная началась с Большого взрыва. После некоторых размышлений мы обнаружим, что такое объяснение содержит в себе парадокс. И потому оно никак не может быть окончательным ответом. Вспомним, что первичный протошар представлял собой некоторое тепловое состояние, а именно, горячий расширяющийся газ в тепловом равновесии. Вспомним также, что термин тепловое равновесие относится к состоянию с максимальной энтропией.