Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

Второй закон термодинамики и неизбежная победа энтропии относится и ко всей Вселенной. Представьте себе, что наша емкость с воздухом теперь превратилась в облако холодного газа, расширившееся до размеров Галактики. Если несколько молекул в этом облаке случайно сблизятся на расстояние больше среднего, то очень слабого взаимного притяжения между ними может быть достаточно, чтобы притянуть их друг к другу и сформировать более плотный сгусток[23]. Чем больше молекул войдет в этот сгусток, тем более сильно будут притягиваться новые. Процесс формирования сгустков за счет притяжения лежит в основе образования звезд: огромные облака газа «спадались» воедино, пока не появлялись образования достаточно плотные, чтобы в них могла начаться термоядерная реакция, и тогда загорались звезды. Если задуматься, все это не совсем понятно, поскольку может показаться, что процесс образования сгустков приводит к формированию более упорядоченного, «особого» состояния, и поэтому конечное состояние должно иметь более низкую энтропию, чем когда все молекулы распределяются равномерным образом. Так что, неужели сила притяжения заставила энтропию газа понизиться, а второй закон термодинамики оказывается нарушенным?

Ответ: нет. Когда материя собирается в сгустки под воздействием гравитации, ее энтропия увеличивается. Причина та же, что увеличение энтропии мячика, когда он скатывается с холма из-за силы притяжения Земли. Эти сгустки можно представить, как растянутую пружину, которую вдруг отпустили, или как часы, у которых кончается завод: по мере того как они теряют способность совершать полезную работу, их энтропия увеличивается. Таким образом, когда молекулы газа в определенной части облака случайно оказываются на время ближе друг к другу, чем при их равномерном распределении, это означает временный уход от максимальной энтропии. Чтобы энтропия снова увеличилась, по второму закону термодинамики эти молекулы могут сделать одно из двух. Они могут либо вновь разойтись в стороны друг от друга до своего прежнего состояния термального равновесия, либо вследствие действия взаимного притяжения, наоборот, собраться в сгустки. В любом случае их энтропия возрастет.

Рис. 3. Увеличение энтропии: частицы в емкости, которые слегка отошли от состояния равновесия (низкая энтропия), могут увеличивать свою энтропию либо путем перераспределения до достижения равновесия, либо путем образования сгустков под воздействием силы притяжения. В любом случае они повышают свою энтропию и следуют второму закону термодинамики

Теперь вам следует спросить: что же может вызвать такое отклонение от состояния максимальной энтропии? А дело в том, что материя и энергия в нашей Вселенной изначально находились не в состоянии термического равновесия, а в совершенно особом состоянии низкой энтропии, обусловленном самим Большим взрывом. Эти изначальные условия на квантовом уровне привели к возникновению в пространстве-времени огромного количества нарушений, которые начинали играть все большую роль в «космической ткани» по мере расширения Вселенной. Так что в процесс распределения материи была изначально заложена некоторая неравномерность. По мере того как Вселенная продолжала «раскручиваться», материя, которая была достаточно плотной, чтобы влияние притяжения оказалось значимым, в конце концов образовывала сгустки, а в дальнейшем – звезды и галактики. Молекулы водорода и гелия в космосе попадали в гравитационные колодцы, образуемые звездами, тем самым вызывая рост энтропии. Однако, что важно, эта энтропия не достигает максимума, поскольку звезды не находятся в состоянии термического равновесия, оставаясь, однако, резервуарами низкой энтропии, а термоядерные реакции в них высвобождают избыточную энергию в виде тепла и света. Именно такая энергия, исходящая от нашего Солнца, делает возможной жизнь на Земле. Растения используют ее в фотосинтезе для создания биомассы, накапливая полезную энергию с низкой энтропией в молекулярных связях органических соединений; затем ею могут воспользоваться другие живые существа, а в конечном счете и люди, которые поглощают растения в виде пищи.

Сама Земля тоже имеет запас полезной энергии, которая вместе с энергией Солнца определяет ее климат, тогда как гравитационная энергия Луны и Солнца управляет океанскими приливами. Все это обеспечивает полезные запасы низкой энтропии, которыми мы можем воспользоваться. Например, вода в верхней части водопада стекает под воздействием силы притяжения, превращая таким образом потенциальную энергию в кинетическую, которой мы можем пользоваться, построив гидроэлектростанции, генерирующие электричество. Конечно, всегда будет происходить некая потеря эффективности – согласно второму закону в целом необходим некоторый рост энтропии в виде бесполезного тепла.

Однако в мире происходит нечто гораздо более существенное, чем просто переход энергии из одной формы в другую.

Направленность времени