Взгляд со стороны. Естествознание и религия

С законом сохранения информации тесно связана энтропия, устанавливающая связь между макро- и микросостоянием объектов. Особенность данной характеристики в том, что это единственная в физике функция, показывающая направленность процессов.

Рассмотрим некоторые её свойства.

С физической точки зрения энтропия характеризует степень необратимости реального термодинамического процесса. Согласно закону возрастания энтропии, самопроизвольно могут протекать только такие процессы, при которых энтропия или увеличивается (необратимые) или остаётся постоянной (обратимые). Процессы, при которых энтропия самопроизвольно уменьшается, термодинамически невозможны.

В противовес физическим законам, для которых характерна Т-симметрия, термодинамическая стрела времени всегда направлена из настоящего в будущее и указывает направление, в котором возрастает беспорядок (энтропия). Это убедительно демонстрирует часто используемый журналистами пример: осколки разбитого стакана самопроизвольно никогда не собираются в целый стакан.

В силу симметричности во времени законов Ньютона, ничто не мешает стакану собраться из осколков. Падая со стола, полученная стаканом энергия в процессе падения, переходит в тепло. После удара стакана о пол, атомы в полу и в осколках начнут хаотически двигаться быстрее, чем до удара, поэтому осколки стакана будут иметь большую температуру, чем целый стакан.

В соответствии с законом сохранения энергии эта тепловая энергия равна энергии, потерянной стаканом при его падении со стола. Приобретённой осколками тепловой энергии достаточно, чтобы собрать стакан и поставить обратно на стол. Поскольку все физические законы симметричны во времени и пространстве, они не накладывают запрет на процесс самосборки стакана из осколков стекла.

Причина в том, что «тепловое» движение атомов в осколках стекла полностью беспорядочное. Чтобы восстановить стакан и поставить на стол, нужно в точности воспроизвести движение каждого отдельного атома и получить упорядоченное результирующее движение, что невыполнимо. Второе начало термодинамики утверждает, что произошёл необратимый процесс. Он привёл к возрастанию энтропии (увеличению беспорядка) и уничтожению информации о первоначальном состоянии объекта. Информация о движении атомов от начала падения стакана со стола и до его падения на пол и превращения в осколки нигде не сохранилась.

Согласно современным научным представлениям, в пределах наблюдаемого мира происходит эволюция в сторону усложнения, и процессы образования структур глобально преобладают над процессами их разрушения, что противоречит закону возрастания энтропии. Чтобы разобраться, почему в Природе преобладают созидательные процессы над процессами разрушения, рассмотрим по отдельности тепловую энтропию и полную.

В определении тепловой энтропии Клаузиуса превращение тепла в другие формы энергии сопровождается уменьшением тепловой энтропии. Это выражает следующая формула:

dS=dQ/T.

Разница в энтропии двух состояний термодинамической системы (dS) равна отношению количества тепла, затраченного на то, чтобы изменить первоначальное состояние (dQ) к температуре (T), при которой проходит изменение состояния.

Чтобы, например, узнать, как изменилась энтропия в процессе таяния льда, нам нужно поделить количество тепла, зависящее от массы льда, на температуру его плавления (0°С=273,15°К). Отсчёт должен идти от абсолютного нуля по Кельвину (–273,15°С), поскольку энтропия любого вещества при этой температуре равна нулю. Так как обе величины положительны, выполнив расчёт мы увидим, что энтропии стало больше. Если провести обратную операцию – заморозить воду (забрать у неё тепло) величина dQ будет отрицательной, и энтропии станет меньше.

С физической точки зрения процесс таяния льда на молекулярном уровне выглядит следующим образом. Согласно молекулярно-кинетической теории, температура характеризует скорость движения молекул физического тела. Чем больше скорость молекул, тем выше температура тела. Молекулы воздуха имеют большую скорость и движутся быстрее холодных молекул воды во льду. При соударении с молекулами воды, расположенными на поверхности льда, молекулы воздуха теряют скорость, а молекулы воды ускоряются. Тепло от воздуха переходит ко льду, температура льда повышается, и он начинает таять.

С информационной точки зрения, рассматривая энтропию как неопределённость или меру беспорядка системы, можно сказать: с увеличением температуры воды во льду, возрастёт скорость движения её молекул и наше неведение о величине скорости молекул повысится, что соответствует возрастанию энтропии.

С возрастанием энтропии непосредственно связан парадокс, сформулированный в 1852 году физиком Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) и названный им гипотезой тепловой смерти Вселенной. Подробный анализ этой гипотезы выполнил немецкий физик и математик Рудольф Клаузиус, распространивший закон возрастания энтропии на всю Вселенную.