Второй закон термодинамики (тот, который гласит, что энтропия всегда увеличивается) на самом деле похож больше на космическое подбрасывание монеты.
Первый закон термодинамики гласит, что энергия в замкнутой системе постоянна. Вы можете преобразовать её из одной формы в другую, но вы не сможете создать или уничтожить ее. Вселенная по сути является банком, где каждая частица энергии тщательно сохраняется.
Однако как устроена сама эта энергия и как она распределена? Тут начинается самое интересное. На сцене появляется энтропия, а случайность и вероятность берут верх.
Допустим, вы берете кучу монет и подбрасываете их в воздух. Есть множество способов, которыми они могут приземлиться, но подавляющее большинство из этих способов выглядят случайными. Выпадение всех орлов или всех решек возможно, но маловероятно.
Тот же принцип применим к энергии во вселенной.
Количество способов, которыми энергия может быть распределена случайным образом, значительно превосходит количество способов, которыми она может быть аккуратно организована в упорядоченные структуры.
При наличии достаточного времени системы естественным образом развиваются в направлении наиболее вероятной конфигурации. Она очевидно оказывается той, которая имеет наибольший беспорядок или максимальную энтропию. Это следует из принципа, обозначенного выше.
Принцип максимальной энтропии гласит, что распределение вероятностей, которое наилучшим образом представляет текущее состояние знаний о системе - это распределение с наибольшей энтропией в контексте точно указанных априорных данных (это данные, имевшиеся до проведения какого-либо опыта или другого действия).
Теперь давайте добавим формализма.
Возьмите точно указанные априорные данные или проверяемую информацию о функции распределения вероятностей. Рассмотрим набор всех пробных распределений вероятностей, которые кодировали бы априорные данные. Согласно этому принципу, распределение с максимальной информационной энтропией является наилучшим выбором.
Принцип был впервые изложен Э. Т. Джейнсом в двух статьях в 1957 году, где он подчеркнул естественное соответствие между статистической механикой и теорией информации.
Представьте себе вселенную как огромную копилку. Прямо сейчас мы находимся в состоянии с относительно низкой энтропии, со звездами, галактиками и массой структур. Но с течением времени пространство расширяется, и энергия распространяется более равномерно, так же как встряхивание копилки делает распределение более равномерным.
Этот процесс не навязывается каким-то таинственным космическим правилом. Это простая математика. Вселенная не принимает сознательного решения увеличить энтропию, она просто следует по пути наименьшего сопротивления, потому что состояния с высокой энтропией доминируют в статистике.
В конце концов, Вселенная достигнет своего максимального энтропийного состояния, часто называемого тепловой смертью, где энергия распределена настолько равномерно, что больше ничего интересного не происходит. Никаких звезд, никаких галактик, просто космический суп из частиц, лениво существующих в термодинамическом равновесии.
Гипотеза тепловой смерти вытекает из идей лорда Кельвина, который в 1850-х годах взял теорию тепла как механической потери энергии в природе (воплощенную в первых двух законах термодинамики) и экстраполировал ее на более крупные процессы в масштабах вселенной. Это также позволило Кельвину сформулировать парадокс тепловой смерти, который опровергает бесконечно старую Вселенную. Но это уже совсем другая история.
Фактически, ответ на наш вопрос в том, что вариантов упорядоченного распределения энергии меньше, чем вариантов её беспорядочного распределения.
⚠️ На всякий случай потихоньку переношу материалы с ДЗЕНа в Телеграм и делаю архив. Мало ли что...Читайте лучшие статьи с канала здесь и не забывайте подписаться!
---
⚡ Обязательно подпишитесь на Telegram проекта и читайте эксклюзивные статьи! Обновления каждый день!