Все в нашем мире неумолимо движется к хаосу. Разбитая чашка не собирается обратно, а взбитый белок не возвращается в скорлупу. За этим повседневным опытом стоит, возможно, самый фундаментальный и загадочный закон природы — второй закон термодинамики и его мера, энтропия. Ее используют для объяснения времени, жизни и эволюции Вселенной, но чем больше ученые пытаются понять энтропию, тем больше сомнений она вызывает.
История энтропии началась не в тиши кабинетов теоретиков, а в густом пару и лязге металла эпохи промышленной революции. Инженеры викторианской эпохи отчаянно пытались понять, почему их мощные паровые машины, пожирающие тонны угля, так расточительно неэффективны. Большая часть тепловой энергии улетучивалась впустую. Требовалось математически описать эту «потерянную» энергию.
В 1860-х годах немецкий физик Рудольф Клаузиус ввел термин «энтропия» (от греческого «превращение») именно как меру той тепловой энергии, которую невозможно использовать. Он определил ее как количество тепла, которое нужно сообщить системе, чтобы повысить ее температуру на один градус, при условии, что это тепло не совершает работы. Это было первое, сугубо инженерное и термодинамическое определение.
Вскоре австрийский гений Людвиг Больцман придал энтропии глубочайший статистический смысл. Он знал, что работа горячего газа, подобного пару, возникает из хаотического движения мириад молекул. Поскольку проследить за каждой частицей невозможно, Больцман предложил гениальный ход — работать с вероятностями. Он определил энтропию как меру числа различных микросостояний (всех возможных способов расположения и движения молекул), которые соответствуют одному наблюдаемому макросостоянию системы (например, определенным давлению и температуре). Чем больше этих микроскопических «способов» — тем выше энтропия. Простыми словами, энтропия Больцмана стала мерой беспорядка или неопределенности в системе. Его формула, высеченная на надгробии ученого, навсегда связала мир атомов с законами тепла.
Эта концепция блестяще работала для паровых двигателей и химических реакций. Второй закон термодинамики, который гласил, что энтропия замкнутой системы всегда возрастает со временем, обрел статус самого нерушимого закона природы. Однако первые тревожные звоночки прозвучали почти сразу. Уже в 1867 году Джеймс Клерк Максвелл придумал мысленный эксперимент с хитроумным «демоном», который, казалось бы, мог снижать энтропию, сортируя быстрые (горячие) и медленные (холодные) молекулы.
Парадокс удалось разрешить лишь столетие спустя, осознав, что ключевым упущенным моментом была информация. «Демон» Максвелла наблюдает за молекулами, запоминает их скорость и направление. Память не может быть бесконечной, поэтому часть информации приходится стирать.
В 1980-х физик Чарльз Беннетт показал, что стирание информации всегда сопровождается ростом энтропии. «Демон» снижает беспорядок внутри ящика, но увеличивает его вне системы.
После этого энтропию перестали связывать только с теплом и молекулами. Открытие того, что в основе энтропии лежит информация, расширило область применения идеи и одновременно породило новые трудности.
Физик Войцех Зурек из Лос-Аламосской национальной лаборатории давно сомневался в статистическом подходе Больцмана. По его мнению, рассуждения о бесконечном числе возможных состояний плохо подходят для реальных, конечных систем — двигателей или химических реакций. Он называет этот прием удачной, но все же подгонкой, которая создала иллюзию понимания.
Зурек предполагает, что успех формулы Больцмана связан с квантовой природой мира. Квантовая механика изначально описывает реальность вероятностями. Именно поэтому статистический подход так хорошо срабатывал. Следовательно, корни энтропии стоит искать в квантовой физике.
В последние годы Зурек предложил рассматривать энтропию через квантовую запутанность. Это состояние, при котором разные физические системы разделяют общие свойства, и измерение одной влияет на другую. Он показал, что термодинамику можно вывести, анализируя квантовые системы, связанные с окружающей средой. Запутанность определяет, какая информация доступна о состоянии системы, а это и дает меру энтропии.
Такой подход не только связывает энтропию с фундаментальной теорией, но и возвращает ей статус измеряемой физической величины.
Другую версию развивает Энтони Агирре из Калифорнийского университета в Санта-Крузе вместе с Домиником Сафранеком и Джошуа Дойчем. Они ввели понятие наблюдательной энтропии. Она учитывает, сколько информации можно получить, выполняя последовательность измерений над квантовой системой.
Особенность подхода в том, что энтропия зависит от того, как именно наблюдатель проводит измерения. До измерений она не имеет фиксированного значения. Сафранек объясняет это фундаментальным свойством квантовой механики — параметры системы не определены, пока их не измерили. Более того, принцип неопределенности Гейзенберга приводит к тому, что измерение одного свойства влияет на другие. Поэтому порядок измерений меняет наблюдательную энтропию.
Идея выглядит радикально, но она все равно связана с классическим представлением об энтропии через вероятности и конфигурации системы.
Пока эти теории только развиваются. Но физики надеются, что квантовое переосмысление поможет разобраться с давними загадками. Одна из них — стрела времени. Мы видим, что время движется вперед. Яйцо нельзя собрать обратно, а кофе — вернуть в чашку. Обычно это объясняют ростом энтропии. Но Сафранек считает, что не всегда понятно, какое состояние считать более упорядоченным.
Деффнер добавляет, что рост числа возможных состояний не всегда означает хаос. Он приводит примеры, где энтропия Больцмана увеличивается, а сами состояния остаются строго организованными.
Агирре указывает еще на одну проблему. Энтропию часто применяют к Вселенной в целом, хотя классическое определение работает только рядом с равновесием. Между тем почти все важные процессы во Вселенной далеки от равновесия. Сама Вселенная никогда в нем не находилась.
Из этого следует неудобный вывод. Возможно, рост энтропии не объясняет стрелу времени, а лишь переописывает ее математически. Мы видим течение времени потому, что системы стремятся к равновесию, а рост энтропии просто сопровождает этот процесс.
Наблюдательная энтропия интересна тем, что не опирается на предположение о равновесии. Агирре подчеркивает, что до их работы не существовало квантового аналога энтропии Больцмана. Теперь физики получили описание энтропии Вселенной, которое тоже растет, и это открывает путь к обсуждению времени на новых основаниях.
Зурек видит и практическую пользу. Квантовая энтропия помогает лучше понимать работу нанодатчиков и квантовых компьютеров. Если информацию рассматривать как ресурс наравне с теплом и механической работой, это может привести к технологическому скачку, сравнимому с первой промышленной революцией. Деффнер даже предполагает, что квантовая энтропия сыграет ту же роль, что пар для инженеров Викторианской эпохи.
Post Scriptum
Переосмысление энтропии — это не просто академическое упражнение. Это поиски более глубокого языка для описания реальности, который сможет связать воедино происхождение жизни, эволюцию космоса, природу времени и пределы вычислений.
На практическом уровне квантовая энтропия поможет нам понять и использовать свойства квантовых машин — от сверхчувствительных наносенсоров до квантовых компьютеров. Управляя информацией и запутанностью на квантовом уровне, мы сможем создавать устройства с беспрецедентной эффективностью.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости