Что такое энтропия?

Что такое энтропия? Помните, в рассказе Николая Носова «Огородники» Мишка и Коля решили схитрить? Чтобы победить в соревновании, быстрее всех вскопав свой участок огорода, они копали его ночью, тайком, пока все спят. Только маленький кусочек на завтра оставили. Чтобы прийти утром со всеми, быстренько докопать и – ап!.. Первые! Да только оказалось, что они ночью, в темноте, не свой участок копали! Впустую силы потратили! Приходится теперь соревноваться по-честному, а у них сил нет. Не выспались, спины болят, руки болят, какая уж тут работа... И вместо первых оказались последними. Что подвело Мишку и Колю? Хитрость? Это с моральной стороны. А с точки зрения физики их подвела энтропи́я. Энтропия – это когда силы расходуются впустую и из-за этого ничего не получается. Помните, в другом рассказе: варили-варили Мишка и Коля кашу, всю ночь варили, всю крупу извели, кучу посуды в колодце утопили, умаялись!.. Да так и остались голодными. Опять зря работали, опять им напакостила энтропия! Но, смотрите-ка, когда те же Мишка и Коля подросли, у них многое начало получаться – и каток сумели залить, и цыплят в инкубаторе вывели... Выходит, когда они варили кашу и копали не тот огород, они тратили силы не совсем впустую. Они учились. И – сумели одолеть энтропию! Мы специально рассказали об истории Мишкиного и Колиного успеха, чтобы вы дальше не испугались. А то дальше, честно предупреждаем, немножечко страшно будет. Вы, как только начнёт становиться – сразу говорите пароль: «Мишка и Коля!». Это значит – вы защищены, ситуация под контролем «Лучика». Поехали? Итак, что такое энтропия – теперь уже совсем всерьёз, по-научному. Давайте сначала вспомним, что такое энергия. Возьмём самое простое «детское» определение: «Энергия – это способность тела выполнять работу». Энергия бывает кинетической и потенциальной. Кинетическая энергия – это энергия движения. Тут всё понятно – раз тело движется, значит, выполняет работу. Потенциальная энергия – это энергия спрятанная, «возможная». Когда яблоко висит на ветке, оно не движется, но на него действует потенциальная энергия – энергия гравитации (земного притяжения). Черенок переломится – и Земля притянет яблоко. Потенциальная энергия «высвободится», превратившись в энергию кинетическую – в энергию движения. Выполняет какую-то работу висящее яблоко? Нет. А когда падает, движется – выполняет. Идём дальше. Физики говорят: «Работа совершается при снижении уровня потенциальной энергии». Что это значит? Ну вот смотрите: яблоку, для того чтобы выполнить работу (упасть с ветки), нужны два уровня высоты: ветка (высокий уровень) и земля (низкий). Яблоко падает – уровень понижается. А если яблоко лежит на земле? Энергия земного притяжения по-прежнему на него действует, но упасть яблоку больше некуда – разницы уровней нет... Ещё пример. Вот кастрюля с тёплым супом. Допустим, температура супа 50 градусов. А температура воздуха в комнате – 20 градусов. Что делает суп в кастрюле? Остывает, выделяя в окружающее пространство тепло. Проделывая работу. Да-да, выделение тепла – это тоже работа и очень полезная! (Например, кошка возле этой кастрюли может греться, вот суп и работает – греет кошку.) Суп будет остывать (работать), пока уровень температуры супа понижается. Как только уровни температуры супа и воздуха сравняются – всё, суп работать перестал, кошка ушла. Отдавать холод – тоже работа. Например, можно прикладывать мороженое к шишке на лбу. (Лучше – в обёртке.) И опять: мороженое работает холодным компрессом только до тех пор, пока уровень холода понижается. (Заметьте: не температура понижается, а холод понижается! Холода становится меньше.) Сравняется температура мороженого с температурой воздуха – некуда станет понижаться – работа прекратится. Повторим: «Работа совершается при снижении уровня потенциальной энергии». Некуда снижаться – и всё, нет работы. Физический закон, действие которого мы только что описали с помощью яблока, мороженого и кастрюли с супом (и кошки!), называется «Второе начало термодинамики». Он действует и в обратную сторону. Растаявшее мороженое само по себе не замёрзнет, остывший суп не согреется, а яблоко не подпрыгнет с земли на ветку. Увеличение потенциальной энергии «само по себе» в нашей Вселенной невозможно. Идём дальше. В 1824 году французский физик Сади Карно задумался над таким вопросом: а всю ли энергию мы можем превратить в работу? Ну, например: топливо, сгорая, выделяет тепло, а двигатель превращает это тепло в механическую работу. Но сколько именно теплоты мы можем превратить в полезную работу? Всю? Ответ оказался отрицательным. Какое бы топливо мы ни использовали, из каких бы материалов ни делали двигатель, как бы ни старались – даже в самом идеальном случае в полезную работу нам удастся преобразовать не больше 35% тепловой энергии! А куда же денется остальное? Попросту рассеется в пространстве – совершенно бесполезно... В 1850 году немецкий физик Рудольф Клаузиус дополнил работу Карно и ввёл в науке новое понятие – «энтропия». Так он назвал ту самую бесполезную часть энергии, рассеивающуюся в пространстве. Всякий раз, когда мы что-то делаем, помимо полезной энергии, совершающей работу, выделяется целая куча бесполезной энергии! Чтобы заварить чашку чая, мы кипятим целый чайник воды. Часть горячей воды используется, а остальная остывает... И так много раз! Неумолимые математические формулы показывают: внутри замкнутой системы (скажем, нашей Вселенной) количество энтропии постоянно увеличивается, в то время как количество энергии остаётся неизменным... Выяснив это, Клаузиус пришёл к очень грустному выводу: в будущем весь наш мир ожидает «тепловая смерть». Вся существующая энергия рано или поздно будет «размазана» по Вселенной, как крохотный кусочек масла по огромному бутерброду – причём на том самом «одном уровне», из которого извлечь работу ни при каких обстоятельствах не выйдет! Прекратится всякая жизнь, любое движение, вся Вселенная окажется тёмной, мёртвой, скованной лютым холодом – безо всякой надежды на возрождение. Страшно? Спокойствие и только спокойствие! Вспоминайте пароль! Физик Эрвин Шрёдингер (ага, тот, которого «кот»), автор интереснейшей книги «Что такое жизнь с точки зрения физики», внимательнейшим образом изучив этот вопрос, пришёл вот к какому выводу: «Жизнь – это работа специальным образом организованной системы по понижению собственной энтропии за счёт повышения энтропии окружающей среды». Получается, что живые организмы способны «перераспределять» энтропию, предотвращать свою деградацию. Этой неожиданной теории существуют подтверждения – например, в геологии. На сегодняшний день геологам известно около 5000 различных горных пород. Однако далеко не все горные породы, присутствующие на Земле, есть на безжизненных небесных телах – скажем, на Луне! Там нет и не может быть ни мела, ни мрамора, ни известняка, ни каменного угля... Почему? Потому что эти минералы образовались из отложений живых организмов! 90% горных пород на нашей планете возникли исключительно благодаря такому удивительному явлению, как жизнь! А это значит, что жизнь может многократно повышать сложность системы, повышая её энергетический потенциал и тем самым уменьшая энтропию! И вот сейчас будет самое удивительное. Уже не страшное, нет. Страшно интересное... Одна из самых удивительных и спорных научных теорий на сегодняшний день – это теория о существовании «вселенского разума». Её сторонники говорят, что наш мир, состоящий из огромнейшего количества взаимосвязанных элементов – скажем, соединённых гравитационным полем звёзд или галактик, которые, в свою очередь, состоят из соединённых атомным и квантовым полями элементарных частиц – рано или поздно, подобно гигантскому мозгу, был должен обрести некую форму сознания. Зайдите в иллюстрации к посту и посмотрите – структура нашей вселенной очень напоминает структуру нервной клетки! Что это? Случайное совпадение? «Сова на глобусе»? Или нет? Согласны, напоминает фантастику. Но когда учёные говорят о малоизученных и непростых вещах, они вынуждены «заступать» в область фантазии и воображения. Физик-теоретик Джеймс Джинс говорил: «Вселенная – это не гигантская машина, а гигантская мысль». Что если он прав, и это не просто метафора? Тогда... Тогда такой вот «супермозг» вселенского масштаба должен рано или поздно осознать свой неизбежный конец из-за энтропии и «тепловой смерти». А значит, у него обязательно должна была возможность собственную энтропию преодолевать. Как у нас с вами. Вот какую важную проблему решает Вселенная. И мы просто обязаны ей помочь – не забыть продлить подписку на «Лучик»! По России: https://podpiska.pochta.ru/press/П5044 В Крым и Новороссию: https://2021.lychik-school.ru/subscribe-form/ (По этой же ссылке внизу страницы – подписка в другие страны.)