Экология познания. Как вы думаете, для чего мы едим? Стандартный и при этом совсем неточный, и даже, скорее, неправильный ответ: мы получаем энергию. А какой же правильный? Сейчас расскажу. Но начнём с энтропии.

Как вы думаете, для чего мы едим? Стандартный и при этом совсем неточный, и даже, скорее, неправильный ответ: мы получаем энергию. А какой же правильный? Сейчас расскажу. Но начнём с энтропии.

Энтропия - понятие очень сложное и многогранное. Эдакая бяка-закаляка, которая пронизывает всё вокруг и нас самих. И если попытаться определить, что же это такое, то это мера беспорядка, мера хаоса. А рождается энтропия из совершенно, казалось бы, безобидного бытового фактика: ничем холодным нельзя нагреть более тёплое. Наоборот, что-то горячее будет нагревать это холодное, причем до того момента, пока между этими двумя предметами не наступит тепловое равновесие. Только что отваренное горячее яйцо, как известно, довольно быстро остынет, если поместить его в холодную воду, но эту воду оно при этом нагреет. И то и другое станет теплым. Яйцо можно комфортно поедать, а воду можно вылить, если не найдете ей какого-то иного применения: но рано или поздно она всё равно остынет, сравнявшись с температурой воздуха в вашей кухне. Всё вышеописанное в физике называется вторым началом термодинамики. Оно, это второе начало, не следует ни из чего. Оно не является следствием каких-то великих теорий и не вытекает из изощренных теорем. Это просто наблюдаемый факт. Мы постулируем, что это так, потому что никто никогда в нашем мире не видел, чтобы холодное еще больше нагрело горячее.

А энтропия - следствие этого факта. Максимальная энтропия (хаос) в системе (яйцо, холодная вода и воздух на вашей кухне) возникнет, когда система придет в термодинамическое равновесие, то есть температура яйца, воды и окружающего их воздуха сравняется. Если вы не съедите яйцо еще тёплым, конечно. Казалось бы, когда всё уравновешивается, тут-то и наступает полный порядок. Ан нет. Всё наоборот. И связано это с внутренним микросостоянием системы, ее молекулярным уровнем.

Представьте себе все те мириады молекул, которые образуют воздух на вашей кухне. Они совершенно беспорядочно, хаотично носятся по всему ее объему, сталкиваясь и непрестанно меняя направление. Причем чем выше температура (стоит летний зной, а кондиционер вы так и не поставили), тем быстрее и, следовательно, хаотичней эти молекулы носятся вокруг вас. Отсюда первый вывод: чем выше температура системы, тем выше мера ее хаоса, то есть энтропии. Но взглянем на тот же самый воздух на вашей кухне с другой стороны. Сколь ни покажется странным, но именно благодаря хаотичности и случайности передвижений молекул воздуха они не концентрируются в каком-то одном углу, а достаточно равномерно распределяются по всему ее объёму. Если бы воздух вел себя иначе, нам пришлось бы бегать за ним, пытаясь перед каждым вдохом определить, в какой же угол он на сей раз забился. Но, слава богу, молекулы воздуха в норме ведут себя самым предсказуемым, наиболее вероятным, образом: как и всякий газ, воздух займет весь тот объём, который ему будет предложен. Кухню - так кухню, весь воздушный бассейн Земли - так весь воздушный бассейн (в космос, как вы понимаете, он не улетает из-за гравитации).

Это вам не какой-нибудь высокоэнтропийный воздух вашей кухни. Это низкоэнтропийный воздух, «загнанный» в баночку. А вы-то думали, почему так дорого…

И наоборот. Если нам вздумается загнать-таки воздух в какой-либо один угол нашей кухни, нам потребуется уйма изобретательности, сил и энергии, чтобы это проделать. Очевидно, нам понадобится какая-то герметичная перегородка, достаточно мощный насос, какая-то энергетическая установка для подпитки этого насоса и т. д. Иными словами, чтобы заставить воздух вести себя неким организованным образом, нам потребуется проделать большую работу. Только так мы заставим его нарушить наиболее вероятное своё поведение и собраться в понравившемся нам углу. И при этом мы уменьшим меру его беспорядка: энтропия системы уменьшится. Отсюда следует: чем менее вероятный характер приобретет микросостояние системы, тем ниже энтропия этой системы, то есть мера ее беспорядка. И наоборот. А так как термодинамическое равновесие - это наиболее вероятное состояние любой замкнутой системы, то оно, это состояние, и будет самым высокоэнтропийным.

Кому-то этот мой рассказ может показаться чем-то отвлеченным, не слишком существенным: какое нам дело до микросостояний каких-то там систем, даже если это касается яйца, которое мы собираемся съесть на завтрак. Вряд ли тот факт, что яйцо придет в термодинамическое равновесие с холодной водой, которой мы его залили специально, чтобы немножко охладить, испортит нам аппетит. А воздух, слава богу, ведет себя самым подобающим, наиболее вероятным для себя и ожидаемым нами образом. Но к сожалению, это не отвлеченные разговоры. Энтропия - это то, что всё в этом мире и сам этот мир направляет к смерти.

Существует закон неубывания энтропии. На самом деле, мы можем смело говорить, что это закон постоянного возрастания энтропии.Неубывание касается систем, достигших своего термодинамического равновесия, то есть своего максимума энтропии. Во всех остальных случаях речь идет исключительно о возрастании энтропии. Что случится с нашими яйцом, водой и воздухом на кухне (боюсь, они вам порядочно уже надоели, но вскоре мы их оставим в покое), когда они достигнут своего температурного равновесия? Если мы будем их считать замкнутой системой, то есть изолируем от внешнего мира, то эта система придет, в конце концов, в полный покой, там прекратятся какие бы то ни было процессы. Это будет покой смерти, вечный покой. Исключением, правда, будут различные квантовые эффекты, связанные с принципом неопределенности, но тут мы их оставим за скобками, чтобы не запутаться. Именно из-за энтропии невозможно создание вечного двигателя, потому что эволюция любой замкнутой системы должна закончиться полным покоем.

Наша Вселенная - это, скорее всего, замкнутая система. По крайней мере, так считает большинство ученых: нет никаких научных свидетельств того, чтобы в нее поступало что-либо извне. Всякая замкнутая система стремится к термодинамическому равновесию. То, что энтропия нашей Вселенной непрерывно растет - факт, не вызывающий сомнений. Когда физики оценили энтропию фонового излучения, которое осталось от Большого взрыва и которое пронизывает всю Вселенную, они были, по их собственным словам, просто ошарашены (сн: Роджер Пенроуз. Новый ум короля). И до относительно недавнего времени наиболее вероятным сценарием гибели Вселенной считалась так называемая тепловая смерть, то есть Вселенная должна была, как казалось тогда, завершить свой путь, достигнув термодинамического равновесия при температуре близкой к абсолютному нулю. Попросту говоря - замерзнуть.

Но когда была проведена оценка энтропии черных дыр, стало очевидным, что она, а следовательно, энтропия всей Вселенной, на много порядков больше, чем можно было себе вообразить. Точкой равновесия нашей Вселенной как системы должно быть равновесие сверхмассивной черной дыры. Нет ни одного научно обоснованного оптимистического сценария эволюции нашего мира: гибель его неизбежна.

Мир, который мы видим вокруг себя, обречен, потому что базируется на принципе постоянного стремления к самоуничтожению: максимуму беспорядка и энергетическому минимуму. Всякое поле старается сбросить лишнюю энергию, образовав квант; всякий возбужденный электрон при любом удобном случае отдает лишний фотон, чтобы спуститься на более низкий энергетический уровень; всякий камень при первой возможности готов скатиться с горы, чтобы избавиться от лишней потенциальной энергии.

С точки зрения современного научного знания, совершенно противоестественным для нашего мира выглядит само рождение Вселенной, образование звезд и планет (вообще, вещества), зарождение жизни, формирование сознания. Все эти феномены, совершенно очевидно, противоположны мэйнстриму эволюции мира. Безусловно, локально, в отдельно взятых уголочках Вселенной возможно преобладание негэнтропии (этот термин обозначает отрицательную энтропию, то есть меру противоположного процесса - уменьшение беспорядка; несколько позже мы увидим, что практически всегда негэнтропия тождественна такому понятию, как информация). Но за это приходится расплачиваться ростом энтропии вокруг таких исключительных уголков.

Так зачем же мы едим? Для того чтобы получать необходимую человеку энергию, достаточно летнего солнышка или печки-буржуйки в холод. А для многих из нас и этого не надо: вспомним, масса пропорциональна энергии. Вы давно взвешивались? Всякий человек отдает в окружающее пространство примерно столько же тепловой энергии, сколько получает извне. А если бы получал больше, чем отдавал, он постоянно бы увеличивался в размерах (что со многими из нас и происходит). Но вспомните, сколько энергии(!) наш организм тратит на то, чтобы избавиться от лишней тепловой (высокоэнтропийной) энергии в зной: усиленная работа потовых желез, расширенные сосуды, учащенные дыхание и сердцебиение…

На самом деле с едой в первую очередь мы получаем негэнтропию. Человек - существо очень высокоорганизованное, то есть, извините за выражение, существо низкоэнтропийное. Чтобы поддерживать это своё состояние, ему необходим источник этой самой низкой энтропии. Таким источником для нас служат растения, научившиеся фотосинтезу и способные создавать органические (сложные и маловероятные, а следовательно, низкоэнтропийные) вещества под воздействием солнечного света. Видимый спектр света - относительно низкоэнтропийная форма излучения. Именно его используют растения (и некоторые микроорганизмы), чтобы разделять атмосферный углекислый газ на кислород и углерод и затем формировать свою сложную органическую структуру. При этом в окружающее пространство они излучают тепло, оно же высокоэнтропийное, инфракрасное излучение.

Мы едим растения напрямую, а также косвенно, употребляя в пищу мясо, рыбу и другие продукты животного происхождения (понятно, что те, кого едим мы, поедали до недавнего времени растения или тех, кто поедал растения). И тем самым получаем сложные органические соединения, из которых уже дальше строим самих себя и в том числе свою сложную (низкоэнтропийную) энергетическую систему. А во вне выделяем опять-таки тепло и относительно высокоэнтропийный углекислый газ при дыхании. Если бы животные, включая человека, сами были бы способны к фотосинтезу, то пища им при комфортной температуре внешней среды, пожалуй, не требовалась вовсе. Разве что минеральные удобрения. Ну и вода, конечно. Не знаю, как вас, меня такая гипотетическая возможность почему-то не очень радует: то ли слишком люблю поесть, то ли высокомерно отношусь к растениям и не хочу на них походить. И то и другое, наверное, не очень хорошо. Но очевидно одно: разделение труда целесообразно не только в человеческом обществе, но и в живой природе в целом.

Вот и пообедали…

Благодаря такой локальной неоднородности в нашем уголке Вселенной, каким является лучащееся Солнце, на нашем небосводе мы имеем бесплатный источник низкоэнтропийного, упорядоченного излучения. А потому возможно существование жизни на нашей планете. Но, получая солнечный свет, мы, Земля и все ее обитатели вместе взятые, в качестве «благодарности» переадресуем в холодный космос, прежде всего, высокоэнтропийное, хаотическое тепловое излучение. Таким образом, энтропия всей системы, нашей Вселенной, растет. Да что там космос. Я даже боюсь заикаться о том невероятном количестве энтропии, которую люди, существа, как считается, разумные, производят вокруг себя: в среде собственного обитания. Платой за продукты всех наших высоких (и не слишком высоких) технологий, а эти продукты также очень высокоорганизованная (организованная нами) форма материи, является то самое загрязнение окружающей среды, которое уже стало прямой угрозой существования самому человечеству.

Энтропия подчинила себе не только вещество и энергию. Она подчинила себе и само время. Все фундаментальные уравнения физики, которыми описывается наш мир, симметричны во времени. То есть будущее и прошлое, с точки зрения физики, абсолютно равноправны. И в классической механике, и в квантовой, и в волновых уравнениях Максвелла, и в теории относительности, везде (есть одно исключение, которое относится к ядерной физике, так называемому слабому взаимодействию, но что следует из этого исключения, сами ядерщики пока не понимают). Уравнения - они потому и уравнения, что левая часть равна правой. Иными словами, время не должно было бы иметь никакого направления: что из прошлого в будущее, что из будущего в прошлое - всё равно. Если бы не энтропия!

Классический пример, который используют физики, чтобы показать непосвященным, как же у времени появляется направление или, как его еще называют, стрела времени. Чашка чая на столе. Вот она стоит. Её случайно задели, она падает, вокруг осколки, чай растекается по полу. Картинка всеми нами виденная и не раз. Но никто никогда не видел обратного, если не считать перемотки видео или киноплёнки назад: чтобы осколки собрались снова в целую чашку, в неё забрался чай, и чашка легко запрыгнула на стол. Но с точки зрения физики, энергия, полученная чашкой при падении и столкновении с полом, будет в точности равна энергии необходимой для того, чтобы всем осколкам и чаю собраться вместе и запрыгнуть назад на стол. Закон сохранения энергии и здесь срабатывает в полном объёме. Так что же мешает это сделать? Другой закон, вытекающий из второго начала термодинамики: закон неубывания энтропии.

Дело тут в том, что энергия, полученная чашкой при падении, в основном перешла в тепло. Атомы осколков и чая после удара о пол (который тоже немножко нагрелся) стали двигаться чуточку быстрее, хаотичней. То есть энтропия системы повысилась. И чтобы вернуть их в прежнее, более организованное состояние, потребуется невероятно точная обратная настройка этих атомов, которая, скорее всего, просто невозможна. Не говоря уже о том, что часть образовавшегося тепла тут же рассеется в окружающем пространстве. Конечно, если помнить законы квантовой механики, можно всё же надеяться, что из всех миллиардов, миллиардов, миллиардов чашек, стаканов, бокалов, рюмок, тарелок, плошек, пиал и т. д., упавших со столов за всю историю человечества, хотя бы одна (или один) собралась сама собой и всё же запрыгнула на прежнее место. Но скажите честно, вы поверите свидетелям такого происшествия? В лучшем случае решите, что эти свидетели предварительно выпили слишком много содержимого своих чашек, стаканов, бокалов и рюмок, и что в них был вовсе не чай. Хотя законы физики не запрещают подобных событий. Но они, эти события, очень редки, а потому мы относим их в лучшем случае к чудесам, а в худшем - к галлюцинациям.

Мы не видим пожаренных яичниц, собирающихся назад в свежие яйца, каминной золы, снова превращающейся в поленья, кусочков сахара, выпрыгивающих из горячего кофе прямо в руку тому, кто их туда положил. Время для нас течет только в одну сторону. А направление ему задает энтропия, и только она. И направление это, как мы выяснили выше, довольно мрачное: к разрушению и смерти. Обычно, чуточку повзрослев, мы начинаем это замечать и по себе, и оглядываясь вокруг. Но напрасно мы говорим, что время неумолимо. Неумолима, на самом деле, энтропия.

И тут я хотел бы вернуться к понятию сингулярности, о чем мы говорили в предыдущей статье. Мы относительно подробно рассмотрели, какими будут конечные сингулярности (или конечная сингулярность) этого мира. Эта сингулярность черной дыры - самой высокоэнтропийной системы, которая человечеству известна. Но эта же картина говорит о том, что наш мир в самом начале должен был быть очень упорядоченным. Начальная сингулярность, породившая Большой взрыв, должна была быть необычайно низкоэнтропийной, потому что в наблюдаемом нами мире энтропия непрерывно растет, значит, когда-то она была низкой или равной нулю. Космология сегодняшнего дня - это пространство нераскрытых тайн и неразгаданных загадок. Но тайна начального состояния мира, пожалуй, самая большая.

Роджер Пенроуз оценочно посчитал величину энтропии для конечного коллапса нашей Вселенной: 1010123! Отсюда через представление о фазовом объёме (фазовое пространство – это множество всех состояний системы в конкретный момент времени. В фазовом пространстве состояние системы описывается координатами одной точки, а вся эволюция системы - перемещением этой точки) Пенроуз делает вывод о вероятности возникновения мира, в котором бы соблюдалось второе начало термодинамики в том виде, который мы знаем.

Эта величина свидетельствует о том, насколько точным должен был быть замысел Творца: точность составляла примерно одну 1010123–ую! Это поразительная точность. Подобную цифру нельзя даже полностью выписать в обычной десятичной системе исчисления: она представляла бы собой 1 с последующими 10¹²³ нулями! Даже если бы мы были в состоянии записать «0» на каждом протоне и каждом нейтроне во вселенной, а также использовали для этой цели все остальные частицы, наше число, тем не менее, осталось бы недописанным. (Р. Пенроуз. Новый ум короля)

Замечу, что вероятности ниже 1/1050 математики считают нулевыми и не учитывают при расчетах, а это число, записанное в десятичной системе, легко вмещается в одну строку стандартного листа писчей бумаги.

Приведённое Пенроузом немыслимое число (так и хочется сделать его именем собственным и писать с большой буквы - Число), по его словам, очень приблизительная, наименьшая точность, которая потребовалась для организации Большого взрыва, породившего наблюдаемый нами мир. В то же время конечная сингулярность Вселенной, примером которой для нас служит сингулярность черных дыр, как мы говорили выше, должна быть совершенно хаотична. Материальный мир идёт к смерти. Но создан он был для жизни! И об этом я надеюсь рассказать в дальнейшем. опубликовано

30 ноября 2017 в 18:56

Спросите Итана: какая была энтропия у Вселенной в момент Большого взрыва?

• Научно-популярное ,
• Физика ,
• Астрономия

• Перевод

Заглядывая на разные расстояния в космос, мы видим разное время, прошедшее с Большого взрыва. И энтропия всё это время росла.

Второй закон термодинамики - один и тех загадочных законов природы, что возникают из фундаментальных правил. Он утверждает, что энтропия, мера беспорядка во Вселенной, обязана постоянно возрастать в любой закрытой системе. Но как же возможно, что наша текущая Вселенная, выглядящая организованной и упорядоченной, с солнечными системами, галактиками и сложной космической структурой, каким-то образом находится в состоянии с энтропией большей, чем сразу после Большого взрыва? Именно это хочет узнать наш читатель:

Общепринятое понимание энтропии и времени подразумевает, что сразу после Большого взрыва энтропия была очень малой. Однако же этот момент часто описывают как «суп» из фотонов, кварков и электронов, нечто, что по сравнению с примерами из учебника кажется высокой энтропией. Каким же образом это изначальное состояние обладало низкой энтропией?

Термодинамическая стрела времени подразумевает постоянный рост энтропии, поэтому сегодня она должна быть больше, чем в прошлом.



Ранняя Вселенная была заполнена материей и излучением, и была такой горячей и плотной, что представленные в ней кварки и глюоны не собирались в отдельные протоны и нейтроны, а оставались в виде кварк-глюонной плазмы

И всё же, если представить себе очень раннюю Вселенную, она действительно выглядит как состояние с очень высокой энтропией! Представьте себе: море частиц, включая материю, антиматерию, глюоны, нейтрино, фотоны, всё это с жужжанием носится туда и сюда на уровне энергий в миллиарды раз выше, чем сегодня можно достичь на Большом адронном коллайдере. Их так много - возможно, 10 90 - и все они сжаты в объём размером с футбольный мяч. В момент Большого взрыва это был крохотный регион с чрезвычайно энергичными частицами, и за 13,8 млрд лет он вырос до размеров наблюдаемой нами Вселенной.

Наша Вселенная, от Большого взрыва и до сегодняшнего дня, прошла огромные изменения в ходе роста и эволюции, и продолжает меняться и сегодня

Очевидно, что сегодня Вселенная гораздо холоднее, крупнее, полна структур и неоднородна. Но на самом деле мы можем количественно оценить энтропию Вселенной в оба момента времени, в момент Большого взрыва и сегодня, через постоянную Больцмана, k B . В момент Большого взрыва почти вся энтропия существовала за счёт излучения, и общая энтропия Вселенной равнялась S = 10 88 k B . С другой стороны, подсчитав энтропию Вселенной сегодня, мы получим число в квадриллион раз большее: S = 10 103 k B . Оба числа кажутся большими, но первое по сравнению со вторым очевидно меньшее - оно составляет всего 0,0000000000001% от второго!

Сегодняшняя Вселенная более комковатая, в ней больше скоплений, и больше света звёзд, чем в ранней Вселенной. Почему же энтропия так сильно отличается?

Но с этими числами нужно учитывать один важный момент. Если вы слышите такие слова, как «измерение беспорядка», то это крайне неудачно определение того, что на самом деле представляет собой энтропия. Вместо этого представьте, что у вас есть некая система - материя, излучение, что угодно. В ней будет содержаться какая-либо энергия, в разных формах - кинетической, потенциальной, энергия поля, и что угодно ещё. Энтропия на самом деле измеряет количество возможных состояний вашей системы.

Система, устроенная так, как показано слева, может во время развития спонтанно перейти в состояние справа и увеличить энтропию

Допустим, если у вашей системы есть холодная и горячая части, то у вас будет меньше способов организовать её в таком виде, чем если бы температура была бы везде одинаковой. Система на картинке слева имеет меньшую энтропию, чем справа. Фотоны в реликтовом излучении обладают практически такой же энтропией, какая была у них при рождении Вселенной. Поэтому утверждается, что Вселенная расширяется адиабатически - с постоянной энтропией. Мы можем смотреть на галактики, звёзды, планеты, и удивляться тому, насколько всё это кажется упорядоченным или беспорядочным, но их энтропия пренебрежимо мала. Так из-за чего же произошло такое нереальное увеличение энтропии?

Чёрных дыр не было при рождении Вселенной, они выросли в ней позднее, и сегодня доминируют в плане энтропии

Ответ - чёрные дыры. Представьте, какое огромное количество частиц ушло на создание чёрных дыр. Падая в ЧД, вы неизбежно попадаете в сингулярность. А количество состояний прямо пропорционально массе частиц в чёрных дырах, поэтому чем больше вы сформируете ЧД (или чем более массивными они у вас будут), тем больше энтропии будет во Вселенной. Одна лишь сверхмассивная чёрная дыра в центре Млечного пути обладает энтропией S = 10 91 k B , в 1000 раз больше, чем вся Вселенная во время Большого взрыва. А учитывая количество галактик и массы чёрных дыр, общая энтропия достигает значения в S = 10 103 k B .

Композитное изображение чёрной дыры Стрелец A* в центре нашей галактики из рентгеновского и инфракрасного диапазона. Её масса составляет 4 миллиона солнечных, а энтропия в 1000 раз больше чем у всей Вселенной Большого взрыва

Дальше - хуже! В далёком будущем будет формироваться всё больше и больше чёрных дыр, а существующие сегодня крупные ЧД будут продолжать расти ещё 10 20 лет. Если бы мы превратили всю Вселенную в ЧД, мы достигли бы максимальной энтропии примерно в S = 10 123 k B , или в 100 квинтиллионов раз больше, чем сегодня. Когда эти ЧД будут испаряться за ещё более крупные отрезки времени - порядка 10 100 лет - энтропия будет оставаться почти постоянной, поскольку излучение чёрного тела (излучение Хокинга), выдаваемое испаряющимися ЧД, будет обладать тем же количеством возможных организаций состояния, как и существовавшая до этого ЧД.

На достаточно длинных временных промежутках ЧД уменьшаются и испаряются из-за излучения Хокинга

Так почему в ранней Вселенной была такая малая энтропия? В ней не было чёрных дыр. Энтропия в S=10 88 k B всё ещё достаточно большая, но это энтропия всей Вселенной, почти полностью заложенная в остаточном излучении (и в чуть меньшей - в нейтрино) Большого взрыва. Поскольку у видимого нами вещества во Вселенной, типа звёзд, галактик, и т.п., энтропия пренебрежимо мала по сравнению с остаточным излучением, довольно легко запутаться и подумать, что с формированием структур энтропия ощутимо меняется - но это всего лишь совпадение, а не причина.

На формирование самой первой звезды и самой первой чёрной дыры у Вселенной ушло не менее десятков миллионов лет. До того энтропия Вселенной на 99% не менялась

Если бы чёрных дыр не существовало, энтропия Вселенной оставалась бы практически неизменной за прошедшие 13,8 млрд лет! У изначального состояния было ощутимое количество энтропии, просто у ЧД его настолько больше, и их настолько легко сделать с космической точки зрения.

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

После нескольких приемов декламации m lle Georges уехала и графиня Безухая попросила общество в залу.
Граф хотел уехать, но Элен умоляла не испортить ее импровизированный бал. Ростовы остались. Анатоль пригласил Наташу на вальс и во время вальса он, пожимая ее стан и руку, сказал ей, что она ravissante [обворожительна] и что он любит ее. Во время экосеза, который она опять танцовала с Курагиным, когда они остались одни, Анатоль ничего не говорил ей и только смотрел на нее. Наташа была в сомнении, не во сне ли она видела то, что он сказал ей во время вальса. В конце первой фигуры он опять пожал ей руку. Наташа подняла на него испуганные глаза, но такое самоуверенно нежное выражение было в его ласковом взгляде и улыбке, что она не могла глядя на него сказать того, что она имела сказать ему. Она опустила глаза.
– Не говорите мне таких вещей, я обручена и люблю другого, – проговорила она быстро… – Она взглянула на него. Анатоль не смутился и не огорчился тем, что она сказала.
– Не говорите мне про это. Что мне зa дело? – сказал он. – Я говорю, что безумно, безумно влюблен в вас. Разве я виноват, что вы восхитительны? Нам начинать.
Наташа, оживленная и тревожная, широко раскрытыми, испуганными глазами смотрела вокруг себя и казалась веселее чем обыкновенно. Она почти ничего не помнила из того, что было в этот вечер. Танцовали экосез и грос фатер, отец приглашал ее уехать, она просила остаться. Где бы она ни была, с кем бы ни говорила, она чувствовала на себе его взгляд. Потом она помнила, что попросила у отца позволения выйти в уборную оправить платье, что Элен вышла за ней, говорила ей смеясь о любви ее брата и что в маленькой диванной ей опять встретился Анатоль, что Элен куда то исчезла, они остались вдвоем и Анатоль, взяв ее за руку, нежным голосом сказал:
– Я не могу к вам ездить, но неужели я никогда не увижу вас? Я безумно люблю вас. Неужели никогда?… – и он, заслоняя ей дорогу, приближал свое лицо к ее лицу.
Блестящие, большие, мужские глаза его так близки были от ее глаз, что она не видела ничего кроме этих глаз.
– Натали?! – прошептал вопросительно его голос, и кто то больно сжимал ее руки.
– Натали?!
«Я ничего не понимаю, мне нечего говорить», сказал ее взгляд.
Горячие губы прижались к ее губам и в ту же минуту она почувствовала себя опять свободною, и в комнате послышался шум шагов и платья Элен. Наташа оглянулась на Элен, потом, красная и дрожащая, взглянула на него испуганно вопросительно и пошла к двери.
– Un mot, un seul, au nom de Dieu, [Одно слово, только одно, ради Бога,] – говорил Анатоль.
Она остановилась. Ей так нужно было, чтобы он сказал это слово, которое бы объяснило ей то, что случилось и на которое она бы ему ответила.
– Nathalie, un mot, un seul, – всё повторял он, видимо не зная, что сказать и повторял его до тех пор, пока к ним подошла Элен.
Элен вместе с Наташей опять вышла в гостиную. Не оставшись ужинать, Ростовы уехали.
Вернувшись домой, Наташа не спала всю ночь: ее мучил неразрешимый вопрос, кого она любила, Анатоля или князя Андрея. Князя Андрея она любила – она помнила ясно, как сильно она любила его. Но Анатоля она любила тоже, это было несомненно. «Иначе, разве бы всё это могло быть?» думала она. «Ежели я могла после этого, прощаясь с ним, улыбкой ответить на его улыбку, ежели я могла допустить до этого, то значит, что я с первой минуты полюбила его. Значит, он добр, благороден и прекрасен, и нельзя было не полюбить его. Что же мне делать, когда я люблю его и люблю другого?» говорила она себе, не находя ответов на эти страшные вопросы.

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

Величина, характеризующая степень неупорядоченности и тепловое состояние Вселенной. Количественно оценить полную Э. В. как энтропию Клаузиуса (см. Энтропия )нельзя, поскольку Вселенная не является термодинамич. системой. Действительно, из-за того, что гравитационное взаимодействие является дальнодействующим и неэкранируемым, грави-тац. энергия Вселенной (в той степени, в какой её вообще можно определить) не пропорциональна её объёму. Напр., в ньютоновском приближении гравитац. энергию сферич. массы М с однородной плотностью р можно оценить по ф-ле: U ~-GM 2 V -1/3 = -G r 2 V 5/3 , где G -ньютоновская гравитационная постоянная, V- объём. Полная энергия Вселенной тоже не пропорциональна объёму и потому не есть аддитивная величина. Кроме того, Вселенная, согласно Хаббла закону, расширяется, т. е. нестационарна. Оба эти факта означают, что Вселенная не удовлетворяет исходным аксиомам термодинамики об аддитивности энергии и существовании термодинамич. равновесия. Поэтому Вселенная как целое не характеризуется и к.-л. одной темп-рой. Оценить Э. В. как энтропию Больцмана k ln Г, где k - Больцмана постоянная, Г - число возможных микросостояний системы, также нельзя, поскольку Вселенная не "пробегает" все возможные состояния, а эволюционирует от одного состояния к другому. Иными словами, для всей Вселенной нельзя ввести статистический ансамбль Гиббса (см. в ст. Гиббса распределения), т. к. нельзя пренебречь гравитац. взаимодействием членов такого ансамбля.

Однако во Вселенной можно выделить подсистемы, к к-рым применимо термодинамич. и статистич. описание, и вычислить их энтропию. Такими подсистемами являются, напр., все компактные объекты (звёзды, планеты и др.). Но полная энтропия всех наблюдаемых компактных объектов ничтожна по сравнению с энтропией, содержащейся в тепловом реликтовом микроволновом фоновом излучении с темп-рой T =2,73 К (см. Космология). Плотность его энтропии равна =1,49 . 10 3 см -3 k,

где s - Стефана-Больцмана постоянная, с - скорость света (в этой ф-ле не учитывается гравитац. взаимодействие фотонов реликт. излучения друг с другом и с остальной материей во Вселенной). Плотность числа фотонов связана с плотностью энтропии ф-лой n g = s g k -1 / 3,602. Каждый из сортов безмассовых (или имеющих массу покоя т<< 1 МэВ) нейтрино вносит в плотность Э. В. дополнит. вклад , т. к. в стандартном космологич. сценарии темп-pa безмассовых нейтрино [Альфер (R. Alpher) и Херман (R. Herman), 1953]. Плотность энтропии можно определить и для гравитонов; ожидаемый вклад в Э. В. от реликтовых гравитонов, возникших вблизи сингулярности космологической, также не превосходит s g . Полная энтропия в единице сопутствующего веществу объёма Вселенной [к-рый растёт R 3 (t )с расширением Вселенной, R(t) - масштабный фактор Фридмана - Ро-бертсона-Уокера метрики ], связанная с безмассовыми частицами, мало изменяется, начиная с очень ранних стадий эволюции Вселенной-по крайней мере при t> 1 с после космологич. сингулярности. Иначе говоря, расширение Вселенной идёт практически адиабатически.

Как указано выше, осн. причиной, мешающей строго ввести понятие Э. В., является неограниченность по пространству и нестационарность крупномасштабного гравитац. поля Вселенной. Однако эта часть гравитац. поля весьма упорядочена - Вселенная почти однородна и изотропна в достаточно больших масштабах. Поэтому естественно предположить, что с крупномасштабным гравитац. полем не связано никакой существ. энтропии, как бы мы её ни определяли. Тогда полная плотность энтропии безмассовых частиц во Вселенной s g (~s g) будет близка к плотности Э. В. Соответствующая оценка полной энтропии той части Вселенной, к-рая доступна наблюдению в настоящий момент, есть ~10 90 k, где

Мпк-совр. космологич. горизонт, Н 0 - Хаббла постоянная в км/(с. Мпк) [здесь подразумевается, что R(t )/ 2/3 , ср. плотность вещества во Вселенной равна критич. плотности r с = 3H 2 0 /8pG , а пространственная кривизна равна нулю]. Сравнение этой величины с энтропией чёрной дыры, обладающей такой же массой г, к-рая равна S ч. r g 2 l Pl -2 ~ 10 124 k [r g = 2GM/c 2 - гравитац. радиус невращающейся чёрной дыры, 10 -33 см-планковская длина; см. Квантовая теория гравитации, Чёрные дыры ], показывает, насколько окружающая нас часть Вселенной далека от максимально неупорядоченного состояния. Вероятно, хотя и не доказано, что именно эта неравновесность наблюдаемой Вселенной является причиной справедливости 2-го начала термодинамики для всех замкнутых подсистем в ней.

Э. В. характеризуют также с помощью безразмерной уд. энтропии - энтропии, приходящейся на 1 барион; в част-

ности, , где п b - ср.

плотность числа барионов во Вселенной, W b - ср. плотность барионного вещества во Вселенной в долях критич. плотности r c . Величина , согласно теории космологического нуклеосинтеза, наиб. хорошо соответствует совр. распространённости лёгких хим. элементов Н, D, He 3 , He 4 , Li 7 . Тот факт, что полная удельная Э. В. S yд . >>1, свидетельствует о том, что в прошлом Вселенная была горячей, радиационно-доминированной. Плотность барионов n b ~R -3 (t )вследствие сохранения барионного заряда (разности между числом барионов и антибарио-нов). Однако в настоящее время общеприняты гипотезы, что при очень больших энергиях и плотностях материи барионный заряд не сохраняется и что Вселенная содержала равные кол-ва вещества и антивещества на достаточно ранней стадии своей эволюции, вблизи космологич. сингулярности. Тогда избыток вещества над антивеществом может естественно возникнуть в ходе термодинамически неравновесного расширения Вселенной из-за нарушения СР-инвариантности (см. Барионная асимметрия Вселенной). Если эти гипотезы верны, то полная удельная Э. В. зависит не столько от числителя (s), сколько от знаменателя (n b ), и приближённо выражается через микрофиз. константы взаимодействий, ответственных за генерацию барионной асимметрии.

Существует предположение, что Э. В. как целого можно оценить, используя понятие энтропии Колмогорова-Синая (K -энтропии; см. Энтропия, Эргодическая теория). К- энтропия явл. мерой хаотичности и неустойчивости, она связана со ср. скоростью разбегания близких в нач. момент траекторий. Причём K -энтропия тем больше, чем быстрее разбегаются траектории, т. K -энтропии. Т. о., в рамках этого предположения для Вселенной справедлив закон роста энтропии, хотя она и не является термодинамич. системой и в ходе эволюции становится структурно более сложной.

Энтропия Вселенной и стрела времени во Вселенной. Вопрос об Э. В. тесно связан с проблемой объяснения стрелы времени во Вселенной: необратимой временной эволюции от прошлого к будущему, направленной в одну сторону для всех наблюдаемых подсистем Вселенной. Известно, что законы механики, электродинамики, квантовой механики обратимы во времени. Ур-ния, описывающие эти законы, не изменяются при замене t на -t. В квантовой теории поля имеет место более общая СРT -инвариан-тность (см. Теорема СРТ). Это означает, что любой физ. процесс с элементарными частицами может быть осуществлён как в прямом, так и в обратном направлении времени (с заменой частиц на античастицы и с пространственной инверсией). Поэтому с его помощью нельзя определить стрелу времени. Пока известен единств. физ. закон - 2-е начало термодинамики-к-рый содержит утверждение о необратимой направленности процессов во времени. Он задаёт т.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, М., 1975; Долгов А. Д., Зельдович Я. Б., Сажин М. В., Космология ранней Вселенной, М., 1988.

И. К. Розгачёва, А. А. Старобинский.

"ЭНТРОПИЯ ВСЕЛЕННОЙ" в книгах

Что такое энтропия?

Из книги Твитономика. Все, что нужно знать об экономике, коротко и по существу автора Комптон Ник

Что такое энтропия? Энтропия – понятие из второго закона термодинамики, согласно которому энергия необратимо рассеивается – от порядка к хаосу.В соответствии с первым законом термодинамики, энергию нельзя уничтожить, однако она может трансформироваться и становиться

Индустриализм и энтропия

Из книги Что нас ждет, когда закончится нефть, изменится климат и разразятся другие катастрофы XXI века автора Кунстлер Джеймс Говард

Индустриализм и энтропия

Из книги Что нас ждет, когда закончится нефть, изменится климат, и разразятся другие катастрофы автора Кунстлер Джеймс Говард

Индустриализм и энтропия Финансовое безумие 1920-х годов стало страстью, подпитываемой нефтью. Повсюду началась лихорадка деловой активности - от освоения земель до производства различных приборов и устройств. С удивительной скоростью распространялись товары массового

Энтропия и синтропия

Из книги Аспектика автора Славинский Живорад

Энтропия и синтропия В отличие от мистического восприятия мира, которое осознает всё, что существует, как единое целое, наука стремится к открытию более элементарных частей целого и объяснению тайны жизни. При таком дроблении внутри большого целого наука обнаруживает

Развитие и возобновление Вселенной. Цикл Вселенной

Из книги Щит научной веры (сборник) автора Циолковский Константин Эдуардович

Развитие и возобновление Вселенной. Цикл Вселенной Бесконечность пространства, равные расстояния между материальными, равными и вначале неподвижными точками, их взаимное притяжение – вот начальная картина Вселенной, или, вернее сказать, простейшая картина Вселенной.

Что такое энтропия?

Из книги Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики] автора Пенроуз Роджер

Что такое энтропия? Каково же точное определение энтропии физической системы? Мы уже знаем, что это некая мера явного беспорядка - но что означают такие не очень строгие понятия, как «явный» и «беспорядок»? Может возникнуть мысль, что энтропия - это величина, вообще не

Энтропия (Entropie)

Из книги Философский словарь автора Конт-Спонвиль Андре

Энтропия (Entropie) Свойство состояния изолированной (или принимаемой за таковую) физической системы, характеризуемое количеством самопроизвольного изменения, на которое она способна. Энтропия системы достигает максимума, когда она полностью утрачивает способность к

2.1. Энтропия черных дыр

Из книги Черные дыры и структура пространства-времени [лекция] автора Малдасена Хуан

Энтропия и развитие вселенной

Из книги Движение. Теплота автора

Энтропия и развитие вселенной Реки текут вниз, камни скатываются с горы, движение останавливается из-за трения – прекращаются все относительные движения. Горячие тела остывают, а холодные нагреваются – температуры всех тел мира выравниваются. Таков неотвратимый ход

Что такое энтропия?

Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий Павлович

Что такое энтропия? Энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение) – это функция состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической

Удельная энтропия

Из книги Универсальный энциклопедический справочник автора Исаева Е. Л.

Удельная энтропия Калория на грамм-кельвин (4,1868 кДж/(кг ‘ К))Килокалория на килограмм-кельвин (4,1868 кДж/(кг ‘

Энтропия

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ЭН) автора БСЭ

ЭНТРОПИЯ

Из книги Новейший философский словарь автора Грицанов Александр Алексеевич

ЭНТРОПИЯ (греч en - в, tropia - поворот, превращение) - понятие классической физики (введено в науку Р. Клаузиусом в 19 в.), посредством которого, в частности, описывалось действие второго начала термодинамики: в замкнутой системе, находящейся в стационарных условиях, либо в

Энтропия

Из книги Невероятно - не факт автора Китайгородский Александр Исаакович

Энтропия Внесем небольшое терминологическое изменение в закон о максимальной вероятности равновесного состояния.Очень часто в физике величины, которые меняются в больших пределах, заменяют их логарифмами.Напомним, что такое логарифм. Когда я пишу о науке для так

Урок 36. Энтропия

Из книги Уроки атеизма автора Невзоров Александр Глебович

Урок 36. Энтропия Советую вам провести любопытный эксперимент. Он несложен и доступен абсолютно каждому. Достаточно спросить любого так называемого верующего православного, почему их главный праздник называется Пасхой и что на самом деле это слово обозначает? И вообще,