Второй закон термодинамики: энтропия и время

Вселенная, в которой мы живем, подчиняется законам физики. Все, что мы делаем или видим, происходит в соответствии с этими законами.

Насколько известно ученым, законы физики неизменны и нерушимы. Как бы мы ни старались и насколько продвинуты не были бы наши технологии, мы всегда будем связаны законами физики.

Одним из самых известных и наиболее изученных законов физики является второй закон термодинамики. Что такое второй закон термодинамики и почему он так важен?

Концепция энтропии

Второй закон термодинамики объясняет, почему некоторые явления в природе никогда не могут протекать в обратном направлении, несмотря на то, что они не нарушают другие законы физики.

Например, вы можете случайно разбить тарелку, но она никогда самопроизвольно не соберется снова. Интересно, что если бы тарелка сама раскололась, это не нарушило бы закон сохранения энергии, согласно которому общее содержание энергии в системе всегда должно оставаться одним и тем же.

Очевидно, что тарелки не складываются случайным образом, и многие другие события обычно развиваются только в одном направлении. Второй закон термодинамики объясняет, почему это происходит, через понятие энтропии.

Энтропию можно рассматривать как меру беспорядка или хаоса. Если в вашей комнате беспорядок, вы можете сказать, что в ней высокая энтропия. Если ваша комната опрятна, у нее низкая энтропия.

Второй закон термодинамики гласит, что общее количество энтропии в замкнутой системе всегда будет возрастать. Таким образом, общее количество беспорядка во Вселенной всегда будет увеличиваться. Хотя некоторые процессы действительно переходят из состояния с высокой энтропией в состояние с низкой энтропией, взаимодействие с окружающей средой всегда приводит к чистому увеличению энтропии.

Например, живой организм достаточно организован, поэтому у него будет низкая энтропия. Однако то, как организм взаимодействует с окружающей средой, увеличивает общее количество энтропии.

Второй закон термодинамики объясняет, почему некоторые события, такие как самопроизвольно собравшаяся тарелка, никогда не могут произойти, потому что общее количество энтропии всегда должно увеличиваться.

Энтропия также объясняет, как тепло переходит от теплых объектов к холодным. Если вы оставите свой кофе слишком надолго, он неизбежно будет становиться холоднее.

Это потому, что тепло может переходить только от горячего к холодному, а не наоборот. Все это происходит потому, что энтропия всегда должна возрастать.

Энтропия и время

Концепция энтропии и тот факт, что большинство событий во Вселенной происходят только в одном направлении, имеют интересные последствия для течения времени.

Время — плохо изученный аспект нашей вселенной. Даже самым гениальным ученым трудно дать точное определение тому, что такое время на самом деле.

Мы, люди, обычно воспринимаем время как течение событий. Прошлое состоит из событий, которые уже когда-то произошли, настоящее — это события, которые происходят в данный момент, а будущее — это события, которые еще не произошли.

Однако почему время течет только в одном направлении? Насколько известно ученым, не существует законов физики, гласящих, что время всегда должно двигаться только вперед.

То, что время, очевидно, течет только в одном направлении — это концепция, называемая стрелой времени.

Считается, что физические процессы на микроскопическом уровне либо полностью, либо в основном симметричны во времени: если бы направление времени изменилось на противоположное, теоретические утверждения, которые их описывают, остались бы верными. Однако на макроскопическом уровне это не так: существует очевидное направление (или течение ) времени (асимметрия времени).

Второй закон термодинамики может на самом деле объяснить причину существования стрелы времени. Поскольку энтропия и беспорядок должны всегда возрастать, события будут происходить только в одном направлении, а не в обратном. То есть прошлое неизменно, а будущее неопределено.

Физик Шон Кэрролл, специализирующийся на квантовой механике, гравитации и космологии, сравнил асимметрию времени с асимметрией пространства: «Хотя физические законы в целом изотропны (однородны), вблизи Земли существует очевидное различие между «верхом» и «низом» из-за близости к этому огромному телу, нарушающему симметрию пространства».

Точно так же физические законы в целом симметричны изменению направления времени, но вблизи Большого взрыва (т. е. в первые многие триллионы лет после него) существует очевидное различие между «вперед» и «назад» во времени, обусловленное относительной близостью к этому особому событию, нарушающему симметрию времени. С этой точки зрения все стрелы времени являются результатом нашей относительной близости во времени к Большому взрыву и особых обстоятельств, существовавших тогда.