Вселенная Разумная

Итак, с точки зрения классической термодинамики величина энтропии выражает способность энергии изолированной системы к превращениям или — менее корректно, но более, быть может, понятно, — разность энергетических потенциалов между системой и средой.

Возьмем хорошо заряженную электрическую батарею и присоединим к ней лампочку. При помощи такой нехитрой операции мы можем превращать электрическую энергию в свет, или, другими словами, потенциальную энергию батареи в кинетическую энергию летящих фотонов.

Электрическая энергия батареи в этом опыте будет расходоваться на нагрев спирали, то есть переходить в тепло, которое будет безвозвратно рассеиваться или диссипировать в окружающее пространство. Этот переход, как говорит нам наш опыт, будет необратимым.

Термин «необратимый» означает, что рассеянная энергия в нашу батарею сама по себе уже вернуться не может. При полном разряде батареи вся электрическая энергия батареи превратится в конечном итоге в теплоту и наступит состояние энергетического равновесия между батареей (системой) и окружающей средой. Здесь можно сказать, что энтропия батареи достигла максимума, который характеризует наступление равновесного состояния, когда дальнейшие энергетические превращения становятся уже невозможными.

Это удивительное стремление изолированных систем «быть как все и не выделяться» свойственно и сжатой пружине, и сосуду со сжатым газом, и водоему в горах, не имеющему притока (=изолированному) и низвергающемуся водопадом в долину. Это и хорошо знакомое автомобилистам коварное стремление предоставленного самому себе (изолированного) аккумулятора к саморазряду, и форма песчаной насыпи, и остывающий на выключенной плите чайник — запасенная в изолированной системе энергия тем или иным путем в конце концов рассеивается в пространстве, девальвируется. Система стремится к состоянию с максимумом энтропии, соответствующему нулевой разности потенциалов между собой и средой.

Эта направленность развития изолированных систем и является содержанием Второго закона, или начала термодинамики, говорящего о том, что «энтропия любой изолированной системы со временем повышается».

Творцы Второго начала Р. Клаузиус, в 1865 году сформулировавший представление об энтропии, и В. Томсон применили его ко всей Вселенной в целом. Грустный результат этой гигантской экстраполяции, известный как концепция «тепловой смерти Вселенной», вот уже более ста лет служит предметом научных споров.

Проведенные в последние десятилетия теоретические исследования больших микро- и макросистем привели к появлению целого ряда научных дисциплин, базирующихся на законах больших чисел и в том числе статистической физики, в рамках которой понятие об энтропии трактуется несколько отличным от термодинамического образом.

С точки зрения статистической физики энтропия выражает вероятность состояния системы и возрастает при переходе от состояний менее вероятных к более вероятным. С этим тесно связано понятие об упорядоченных и неупорядоченных системах. Для нашего мира характерна крайне низкая вероятность существования упорядоченных систем: колода, где карты разложены по мастям и старшинству, дом, построенный, например, из кирпича, или типографский шрифт, набранный в страницу текста, — упорядочены, менее вероятны и обладают минимумом энтропии в противоположность той же колоде беспорядочно перемешанных карт, куче кирпича и беспечно разбросанным на риале типографским литерам.

Однако в приведенном выше статистическом определении энтропии заметна некоторая некорректность, связанная с неопределенностью понятий «порядок» и «беспорядок». Этим словам трудно дать определение, понятное всем, но интуитивно мы представляем себе «порядок» как нечто свойственное набору элементов, расположенных по какой-то логике, являющихся частью системы. Соответственно там, где не существует никакой логической системы, элементы находятся в «беспорядке».

Мы можем определить место каждой карты в упорядоченной колоде, каждого кирпича в построенном доме и можем прочитать набранную страницу осмысленного текста. Но текст может быть набран на незнакомом языке и быть, таким образом, упорядоченным для человека, знающего этот язык, и неупорядоченным для незнающего.

Тогда критерием упорядоченности становится представление о смысле написанного, об информации, которую несет текст. Таким образом, энтропия оказывается тесно связанной с информацией. Эта чрезвычайно важная связь теоретически подтверждается в теории информации, где формально показывается, что математическое выражение для информации тождественно выражению для энтропии, взятому с обратным знаком.

Информация как мера упорядоченности системы представляет внутреннее состояние системы и обычно называется структурной, в отличие от относительной информации, связанной всегда с отношением двух (или более) систем.

Для систем, обладающих некоторой упорядоченностью. Второе начало термодинамики определяет направление самопроизвольных процессов в сторону увеличения беспорядка и повышения энтропии.