Энтропия определяет хаос и беспорядок в природе.
В начале 19 века в промышленности (на фабриках, заводах) и на транспорте (на паровозах и пароходах) активно начала использоваться изобретенная в 18 веке паровая машина. Она представляла собой элементарный поршневой двигатель, где потенциальная энергия сжатого водяного пара превращалась в механическую работу.
Первые паровые машины отличались очень низкой экономичностью. Коэффициент их полезного действия составлял всего несколько процентов. В будущем КПД удалось повысить до 20-25%. В таких условиях для усовершенствования тепловых машин появилась необходимость подробно разобраться в процессе превращения теплоты в работу. Данной проблемой серьезно занялся французский ученый Сади Карно (1796-1832). Это отразилось в 1824 году в его книге "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу".
Карно писал, что возникновение работы в паровых машинах обусловлено переходом тепла от горячего тела к холодному, т.е. восстановлением его равновесия, которое было нарушено некоторой причиной. В данном случае нагревание воды-пара происходило по причине горения топлива. "Везде, где существует разность температур, – говорил Карно, – где возможно восстановление равновесия, возможно получение движущей силы".
Продолжил исследования в данном направлении немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888). В своих работах он впервые сформулировал 1-ое и 2-ое начало (законы) термодинамики. Вот что пишет ученый в книге "Механическая теория тепла": "Когда заканчивается теплота и вместо нее появляется работа, то можно сказать, что теплота превратилась в работу. И, наоборот, когда заканчивается работа и вместо нее появляется теплота, можно сказать, что работа превратилась в теплоту". Другими словами, "возможно превратить работу в теплоту и теплоту в работу, причем обе эти величины всегда пропорциональны друг другу".
Клаузиус утверждал, что стремление теплоты переходить от более теплых тел к более холодным, выравнивая, таким образом, разницу температур, является естественным. Только в этом случае возможно поток тепловой энергии превратить в энергию механическую, т.е. получить работу. В свою очередь, переход теплоты от более холодного тела к более теплому не может происходить сам собой, т.е. без компенсации.
Если бы этот обратный процесс был осуществим, т.е. человек научился бы получать энергию от простого охлаждения тел, то мы получили бы неисчерпаемые источники энергии.
Посчитаем, например, сколько можно было бы получить энергии от понижения температуры всего на 1 градус Тихого океана с объемом около 710 миллионов кубических километров и, соответственно, массой около 7,1*10^20 кг (или литров) воды. Учитывая теплоемкость воды (около 4,19*10^3 Дж/кг*гр), энергия, полученная от охлаждения Тихого океана на 1 градус, будет равна около 3*10^24 Дж. Для сравнения можно сказать, что электроэнергия, вырабатываемая за год всеми странами мира, составляет не более, чем 10^20 Дж. Таким образом, полученной от охлаждения океана энергии, хватило бы всему человечеству на 30 тысяч лет.
Почему так происходит? Почему тепло, обусловленное движением молекул, самопроизвольно переходит только в одну сторону (от теплого к холодному), стремясь к равновесию?
Именно для объяснения этой природной закономерности Клаузиус ввел понятие энтропии1. Если рассматривать данный процесс, как переход (превращение) от одного состояния к другому, то под энтропией можно понимать вероятность этого перехода. Чем вероятнее событие, а значит, чем большим количеством способов оно может быть осуществлено, тем больше энтропия данного процесса.
При тепловом обмене молекулы теплого и холодного тела беспорядочно взаимодействуют друг с другом, поэтому достижение равновесия в данном случае может быть осуществлено бесконечным количеством способов. Вероятность (а значит и энтропия) равномерного обмена будет расти и энтропия стремиться к бесконечности. Для противоположной ситуации, когда взаимодействие молекул будет упорядоченным (например, в случае перехода тепла, наоборот, от холодного к горячему), вероятность такого теплового обмена будет стремиться к нулю.
Таким образом, направление перехода от порядка к беспорядку (своего рода равновесию) в природе является естественным, или, по-другому, наиболее вероятным. Вот почему механическое движение, которое упорядочено, легко превратить в тепловое, которое беспорядочно, а взаимодействующие друг с другом тела, предоставленные сами себе, стремятся к равновесию.
Из подобных рассуждений Клаузиус заключает, что для необратимых процессов (таких как передача тепла от горячего холодному) энергия, способная к превращениям, постепенно уменьшается, а энтропия соответственно возрастает. Ученый дает новую формулировку второго начала термодинамики, как общего закона природы: "Энтропия Вселенной стремится к максимуму".
Другими словами, вероятность к беспорядку (в некотором смысле, равновесию) возрастает, механическая энергия превращается в тепловую, а само тепло равномерно распределяется между телами и окружающей средой.
Данная формулировка равносильна концепции "тепловой смерти" британского физика Вильяма Томсона (1824-1907), который ранее уже предупреждал о чрезмерном расточении механической (упорядоченной) энергии и нереальности ее восстановления в прежнем количестве, что приведет в будущем к невозможности обитания человека на Земле.
Быть может использование в настоящий момент огромного количествах нефти, природного газа, каменного угля и других энергоресурсов приводит, согласно закону возрастания энтропии, к выделению в окружающую среду чрезмерного большого количества тепла, что ведет к глобальному потеплению климата, т.е. к начальному этапу "тепловой смерти".
Физик Михаил Заречный в своей книге "Квантово-мистическая картина мира структура реальности и путь человека" говорит по этому поводу, что "в соответствии со вторым началом термодинамики любая замкнутая система эволюционирует к равному распределению энергии по всем степеням свободы, то есть состоянию хаоса и максимальной энтропии. В подобном состоянии невозможны потоки энергии между подсистемами, в силу чего происходит исчезновение границ между ними, и происходит фазовый переход в чисто-квантовое состояние. В ведических текстах образовавшееся после этого перехода чисто-квантовое состояние Вселенной называется периодом пралайи, когда не существует ничего проявленного, включая пространство и время".
Ученый предполагает, что со временем "духовное развитие человека все больше и больше подменяется идеей потребления, в том числе и "духовности". При этом человек находится в иллюзии прогресса, на деле представляющего собой дальнейший отход от Истины и гармонии в сторону манипулирования отдельными частями мира, сопровождаемый истощением природных ресурсов и общим увеличением энтропии. Так продолжается вплоть до полного упадка, а затем, после фазового перехода, вновь наступает Золотой век".
О том же в своем учении "Перевод" говорит Я.Шестой (собирательное имя авторского коллектива): "При изобилии во всех аспектах жизни общество неумолимо деградирует, если нет Цели, а в жизнедеятельности нет Смысла". Опираясь на тезис Циолковского – "Во Вселенной господствовал, господствует, и будет господствовать разум", он заключает: "В любом случае, на любом уровне, Человек – единственный способ действенной борьбы с энтропией. Только разум, как жизнь, осознавшая свою самодеятельную сущность и сделавшая творчество самоцелью, способна противостоять энтропизации Региона своего пребывания, противостоять "тепловой смерти".
Полностью остановить рост энтропии человеку не удается. Равновесные силы выполняют свою работу, порядок стремится к хаосу и анархии, люди и все что с ними связано, стремится к равенству, к общей серой массе. Энтропизация постепенно начинает затрагивать все стороны нашей жизни.
Вот, что говорит современный французский писатель Бернард Вербер по поводу, например, цензуры в средствах массовой информации: "Сегодня цензура изменила облик. Запретов нет, но мы тонем в изобилии. Под нескончаемой лавиной бесполезных сведений уже никто не знает, где взять интересную информацию... Избыток пошлости душит оригинальное творчество... Результатом является парадокс: чем больше появляется телевизионных и радиоканалов, журналов и информационных изданий, тем меньше их творческое разнообразие. Серый цвет окрашивает все". Действие закона роста энтропии здесь также налицо.
Интересна точка зрения писателя В.Полищук по вопросу устойчивых, но неравновесных структур, к коим можно причислить относительно организованную живую природу и, в первую очередь, нас с вами, что отнюдь не противоречит законам термодинамики для замкнутых систем. В своем рассказе "На общих основаниях" он пишет: "Любой организм, если его рассматривать в отрыве от среды, живет как бы вне закона: он высокоорганизован, его энтропия куда ниже, чем была бы, превратись он в хаотическую кучу атомов и молекул. Тем не менее он существует – пусть не бесконечно долго, но достаточно для того, чтобы пройти завещанный предками круг бытия и породить, если повезет, себе подобных.
Неужели при этом нарушаются законы классической термодинамики? Нет. Отделять организм от окружающей среды – вот еще одна логическая ошибка. Ведь он не существует вне обмена с внешним миром. Обмена веществом, энергией, а если он мыслит – то и информацией. И нельзя его, стало быть, числить замкнутой системой. В этом его слабость, извечная уязвимость – но в этом же и непобедимое преимущество перед красивым, незыблемым, но не способным к самоорганизации туповатым кристаллом.
Структура кристалла равновесна. А тростник, колеблемый ветром, принадлежит к числу иных структур – диссипативных, незамкнутых...
Тростник, колеблемый ветром, птенец, выпавший из гнезда, жалкая плесень, наросшая на краю огнедышащего кратера…. Не требуется много усилий для того, чтобы вышибить их из неравновесного состояния – и вернуть к мертвой энтропийной норме. Поднимите или опустите на десяток градусов температуру…. Подуйте ветерком покрепче…. Вот и нет ничего, как не бывало. Но пройдет время, утихнут бури, простынет кратер – и снова невесть откуда возьмется, сама собою организуется наша незаконная, нелинейная, наша замечательная жизнь".
Можно было бы подойти к данной точки зрения с другой стороны, если рассматривать жизнь, как некое временно устойчивое состояние, которое, согласно всеобщим законам природы, стремится к состоянию равновесному. То есть, человек в конечном итоге все равно превращается в беспорядочное соединение атомов и молекул, а значит, стремится от организованной структуры, или, в некотором смысле, порядка к хаосу, к беспорядку, к неорганизованному мертвому телу.
Так что закон возрастания энтропии работает и в этом случае. Наша задача состоит лишь в том, чтобы найти причины и способы продления устойчивого состояния (жизни) организованных систем, тем более что с хорошо организованной обратной связью, это время жизни может быть увеличено во много раз.
Примерами последнего утверждения, которые нам дает сама природа, могут служить несколько ныне здравствующих деревьев-долгожителей, возраст которых ученые соответственно оценивают в районе трех, четырех и семи тысяч лет. Почему деревья могут, а человек нет?
Итак, человек, осознавая всеобщий закон возрастания энтропии, может и должен разумно и целенаправленно оказывать влияние в своих интересах на естественное и необратимое увеличение беспорядка и хаоса в природе. Согласитесь, что плыть по течению намного легче, кстати, что мы и делаем в большинстве случаев.
Мы не можем ограничивать себя в питании, в удовольствиях, в лени и сне, мы не можем заставить себя делать зарядку и бороться с вредными привычками, во всяком случае, победы в этом плане даются нам нелегко. Причина – все тот же закон возрастания энтропии. Теперь понятен смысл известного утверждения о том, что если детей не занять хорошими делами, они, вероятно, займутся делами плохими. Опять, та же причина.
Все стремится к хаосу и беспорядку, так как это намного легче и естественней. И все-таки, нельзя полагаться на случай и естественный ход событий, надо действовать, причем действовать осознанно, ибо как говорил писатель Геннадий Малкин, "порядок – целенаправленная суета".
Порядок и целенаправленные действия станут залогом нашей большой победы.
1Энтропия (от греческого слова "тропэ" – поворот, превращение) – это мера неопределенности (вероятности) какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы в зависимости от случая. Понятие энтропии впервые было введено в термодинамике немецким ученым Рудольфом Клаузиусом для определения меры необратимого рассеяния (обмена) энергии.
©Valery Volkov