Идея энтропии началась с некой горечи. Паровая энергия трансформировала мир, её огромные машины возвышались над суетливыми жителями Англии, в то время как во Франции ландшафт был бурным из-за нарастающего разочарования среди народа. Один человек в частности — Сади Карно — мечтал о крахе Англии. Он размышлял о том, что понимание паровой энергии позволит ему лишить Англию всех её преимуществ, вновь превратив Францию в центр прогресса и гордости. Родившийся в военной семье, которая привила ему чувство служения своей стране, он начал изучать двигатели, посвящая своё свободное время изучению тепла, огня и всех внутренних процессов паровой энергии — несомненно, одного из самых революционных шагов человечества в области технологий. Именно это желание, возможно, по мнению некоторых, глупая преданность своей стране, а по мнению других — достойное восхищения стремление к прогрессу, сделало его известным как отца термодинамики.
Термодинамика — одна из самых фундаментальных теорий физики, настолько очевидная в нашем повседневном мире, что великие умы, такие как Альберт Эйнштейн, Борис Павлович и Артур Эддингтон, считали её несомненной, а не просто возможной. В своей простейшей форме термодинамика — это изучение взаимоотношений всех форм энергии во Вселенной. Она связывает всё — от самых маленьких плавающих микробов до самых больших структур, известных человечеству, настолько больших, что они существуют где-то там, среди чёрного фона космического пространства. Её первый закон гласит, что изолированные системы имеют конечное, заданное количество энергии, и энергия внутри этой системы никогда не может быть создана или уничтожена, она может только менять форму. В этом случае изолированной системой является наша Вселенная, и энергия внутри нашей Вселенной не может появиться или исчезнуть сама по себе, она может только переходить в разные состояния.
В случае паровых машин горячий центр окружён более холодной средой, и именно эта разница в температуре позволяет нам использовать энергию тепла и превращать её в механическую энергию, которая затем может питать наши фабрики или отправлять наши корабли скользить по шелковистым водам. Для паровой машины, используемой в поезде, например, вода, окружающая огонь, нагревается и производит пар, который, в свою очередь, создаёт давление, используемое для приведения в движение локомотива. Карно не только понимал это, но и предложил идею идеального теплового двигателя, который использует то, что мы называем циклом Карно.
Однако именно второй закон термодинамики описывает природу энтропии — конечного распада всего.
Часто её воспринимают как хаос: Вселенная стремится к хаосу. Но это неполное понимание того, что такое энтропия на самом деле. Её содержание больше статистическое, чем философское. В системе энтропия — это мера того, насколько равномерно распределена энергия в этой системе, и, согласно второму закону, энтропия всегда должна увеличиваться в целом. Мы можем уменьшить энтропию в небольших масштабах (вы делаете это каждый раз, когда нагреваете кастрюлю с водой, например), но в гораздо большем масштабе Вселенной энергия становится более равномерно распределённой, и именно этот процесс в конечном итоге приведёт к смерти всего. Не только всех, но и всего.
Если вы поставите горячую тарелку супа на обеденный стол, суп в конце концов остынет до комнатной температуры. Сконцентрированное, упорядоченное тепло в тарелке со временем распространится в более неупорядоченное состояние, где тепло распространится по всей комнате. Это пример энтропии. Это происходит, как позволил нам понять Людвиг Больцман, из-за строительных блоков материи, которые мы называем атомами. Чем больше тепла в атомах, тем быстрее они движутся. Затем они передают эту энергию своим окружениям, передавая её от супа к тарелке, к столу и по всей комнате. И хотя возможно, чтобы горячий объект спонтанно нагрелся ещё больше, шансы на это настолько малы, что это никогда не наблюдалось. Именно здесь вступает в игру статистическая природа энтропии — более высокая энтропия является наиболее вероятным исходом для системы. Более высокая энтропия означает большую неупорядоченность, потому что неупорядоченность имеет больше шансов на возникновение.
Всё сводится к цифрам, которые говорят, что неупорядоченные состояния гораздо более вероятны, чем упорядоченные, особенно по мере увеличения числа частиц в системе. Энергия гораздо более вероятно будет неупорядоченной и равномерно распределённой в системе, чем сконцентрированной и упорядоченной. Как только эта энергия рассеялась, процесс не может быть обращён (суп не нагреется снова, если на него не подействует внешняя сила). Это закон, который пронизывает всю Вселенную. Все вещи с теплом и энергией взаимосвязаны, и это тепло и энергия будут продолжать распространяться по системе, которой является космос. Именно поэтому время не может идти назад. Чтобы время пошло назад, энтропия должна была бы уменьшиться. Таким образом, поток времени, который обычно не имеет значения в законах движения, становится гораздо более жёстким и менее гибким, чем мы, возможно, надеялись.
В терминах микросостояний и макросостояний, макросостояние, которое мы наблюдаем, будет тем, которое предсказывается большинством его микросостояний. Макросостояния — это общие свойства системы — её температура, объём, давление и так далее. Микросостояния — это затем отдельные частицы в системе и их положения и скорости. Поскольку большинство частиц дают вам систему с большей энтропией и большим тепловым равновесием, это та система, которую мы и будем наблюдать.
По мере продолжения увеличения энтропии во Вселенной, тепло будет продолжать распространяться, пока система не достигнет максимального равновесия, что означает, что всё распадётся на отдельные частицы и вихрь радиации. Из всех сценариев конца нашей Вселенной Тепловая смерть является наиболее вероятным, учитывая то, что мы можем наблюдать и учитывая наши законы физики.
Энтропия определяет всё таким образом. Она определяет всё как смертное, но из-за неизбежного исхода конца Вселенной она также определяет этот момент жизни, энергии и яркости как довольно удивительный из-за его редкости и потому, что он будет столь краток. Она говорит нам, что всё остановится, да, но также даёт нам силу использовать энергию и улучшать наши технологии, строить наши города, производить химические реакции и даже, на более индивидуальном уровне, просто есть, танцевать и играть. В более ранние годы энтропия была известна как живая сила внутри Земли, которую мы могли извлечь и использовать в своих интересах. Эта идея была не совсем верной, но в некотором смысле это способность всего живого существовать. Единственный способ, которым человечество может продолжать двигаться вперёд, — это находить новые способы использования этой жизненной силы. Сначала через пищу, затем через огонь, а теперь мы обращаемся к звёздам, чтобы понять синтез и его роль в нашем будущем.
Между энтропией и временем много общего. Мы можем бояться времени, потому что не можем его остановить или повернуть вспять, или потому что не знаем, что оно принесёт. Но постоянное тиканье часов также является своего рода облегчением, говоря нам, что какая бы ситуация ни была, она временная, и что жизнь тем более ценна, потому что она столь мимолётна.
