Вся королевская конница и вся королевская рать не могут Шалтая-Болтая собрать. Правда, в этом стишке не упоминается яйцеобразная форма Шалтая. Этот неудачливый персонаж обрёл форму яйца, только когда мы вместе с Алисой отправились в Зазеркалье. И вот тогда разбитое яйцо стало неразрывно ассоциироваться с невосполнимыми повреждениями. Возможно, Кэрролл частично виноват в том, что наши представления об энтропии похожи на яичницу-болтунью.
Об энтропии обычно говорят как о мере беспорядка или случайности, а связана она с термодинамикой – разделом физики, изучающим тепло и механическую работу. Её предрасположенность к постоянному возрастанию придала ей возвышенный статус наиболее содержательного ответа на некоторые глубокие вопросы. Начиная с того, что такое жизнь и как шла эволюция Вселенной, и заканчивая тем, почему время движется вперёд, как стрела. Но как только мы пытаемся разобраться в энтропии поглубже, получается болтунья — Шалтай, упавший со стены.
Во-первых, не существует единого определения энтропии. Но даже если взять общее понятие энтропии, как некоей меры или некоего количественного значения, наше представление о ней не подходит для описания всей Вселенной. Физик Энтони Агирре из Калифорнийского университета в Санта-Круз соглашается с тем, что это запутанная тема.
Агирре с коллегами работают над тем, чтобы разработать универсальное определение энтропии, выведенное из такой фундаментальной теории, как квантовая механика. Они надеются подвести более твёрдый базис под загадочную направленность нашей Вселенной.
Не исключено, что эта работа приведёт нас к чему-то вроде революции Коперника, который доказывал, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот. Как говорит Войцех Журек из Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико, это изменило наше представление о Вселенной – да так, что мы смогли связать между собой явления, которые раньше казались нами не связанными. Примерно тот же эффект ожидается и от термодинамики.
Всё началось как раз во времена Кэрролла, в процессе промышленной революции, когда викторианские инженеры отчаянно пытались понять, почему их паровые машины, работающие на угле, такие неэффективные. Энтропию тогда использовали как математическую оценку количества тепла, которое не делало никакой полезной механической работы – например, передвижения поршня. В 1860-х Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус определил её как количество тепловой энергии, которое можно закачать в систему, не подняв её температуру.
Вскоре это понятие уточнил Людвиг Больцман. Он знал, что горячий газ, и в частности, водяной пар, совершает механическую работу благодаря движению молекул. Также он понял, что невозможно подсчитать все движения каждого атома или молекулы в заданной системе. Поэтому он предложил работать с вероятностями. Поэтому Больцман определил энтропию как количество различных возможных способов, которыми можно разместить молекулы в замкнутой системе. Чем больше способов, тем выше энтропия.
Энтропия Больцмана неожиданно хорошо подошла для описания таких тепловых систем, как паровые машины. Да она и до сих пор хорошо работает в руках физиков и химиков. Но вопросы к ней появились ещё в 1867 году, когда Джеймс Клерк Максвелл придумал мысленный эксперимент с демоном, сидящим в разделённой надвое коробке с молекулами. Начинается всё с равномерно распределённых молекул и отсутствия разницы температур между отделами. В такой ситуации газ не может выполнить полезной механической работы. Однако демон, зная всё о движениях молекул, вручную отделяет быстрые от медленных, открывая и закрывая дверцу между отделами.
Возникала проблема. Демон приводил систему в пригодное для совершения работы состояние – откройте коробку, и более энергичные молекулы будут толкать поршень. Иначе говоря, демон уменьшал энтропию системы, нарушая второй закон термодинамики, который утверждает, что энтропия замкнутой системы со временем растёт.
Это наиболее базовый и надёжный закон природы. Как говорит Себастьян Дефнер из Мэрилендского университета в Балтиморе, второй закон никогда, ни при каких обстоятельствах и ни в какой ситуации не нарушается. И каждый раз, когда нам кажется, что мы видим его нарушение, оказывается, что мы просмотрели чей-то вклад в энтропию.
То же самое происходит и с демоном Максвелла. Просмотрели тогда важнейший компонент понимания физических систем: информацию. Демон может выполнить свой фокус, только если он будет где-то хранить информацию о молекулах и их движениях. У него не может быть бесконечно большой памяти, поэтому часть информации ему придётся отбросить. В 1980-х физик Чарльз Беннетт подсчитал, что это хранение информации физически увеличивает энтропию. Получается, что процесс, позволяющий демону уменьшать энтропию в системе, увеличивает её где-то ещё.
И второй закон опять оказался невредимым. Изменилось понятие энтропии. Идея, посетившая Беннетта, показала нам, что энтропия говорит не только о тепле, или о количестве перестановок молекул, или о полезной работе. Сама суть энтропии, судя по всему, заключается в информации. Отсюда возникли новые вопросы: как информация связана со вторым законом термодинамики, и как происходят процессы на крупнейших масштабах Вселенной. Эти вопросы заставили физиков вновь пересмотреть понятие энтропии.
Журек считает, что пересмотр назрел давно. Сам он всегда сомневался в определении Больцмана. Рассмотрение всех возможных состояний системы, по его словам – это хитрая уловка. Она, конечно, полезная, но к реальности отношения не имеет. В конечных системах вроде двигателей или химических реакций нет никакого смысла описывать бесконечное количество способов размещения молекул.
Это какое-то мошенничество, заставившее нас поверить, что мы понимаем поведение физических систем. Он подозревает, что статистический подход Больцмана сработал потому, что энтропия имеет какое-то отношение к квантовой физике. Квантовый мир работает с вероятностями, и его свойства определяемы только статистически – на это, возможно, и наткнулся случайно Больцман.
В связи с этим Журек решил поменять концепцию энтропии, основанную на информационном подходе, в сторону квантовой физики. Его схема вращается вокруг квантовой запутанности, при которой у физически удалённых систем имеются общие свойства, когда измерение одной системы влияет на последующее измерение другой.
В прошлом году он показал, что термодинамику можно вывести через изучение квантовых систем, запутанных со своим окружением. По сути, запутанность системы определяет количество и природу доступной информации о её состоянии, что является мерой энтропии. Если мы пойдём к информации и энтропии от квантовой механики, это не только углубит наше понимание поведения и взаимодействия физических систем – это может превратить энтропию в реально измеряемую величину.
Журек не один на этом пути. Агирре с коллегами из Санта-Круз, Домиником Шафранеком и Джошуа Дойчем, тоже работает над новым вариантом определения энтропии, завязанном на информацию. Они называют это «наблюдаемой энтропией», поскольку она должна учитывать объём информации, который можно получить после проведения последовательности измерений квантовой системы.
Что любопытно, наблюдаемая энтропия будет меняться в зависимости от способа проведения последовательности измерений. Шафранек говорит, что такая энтропия не является фиксированным объективным значением, определённым до начала измерений.
Он объясняет это тем, что в квантовой механике свойства любого объекта до начала измерений не определены. Более того, принцип неопределенности Гейзенберга говорит, что измерение одного свойства меняет другие, ещё не измеренные – поэтому последовательность измерений будет влиять на наблюдаемую энтропию системы. Это в корне отличается от наших текущих представлений об энтропии, но всё равно связывает её с классической концепцией, в которой результат измерений связан с вероятностями и возможными конфигурациями системы.
Пока все эти идеи находятся в зачаточном состоянии, и предстоит ещё много работы. Физики надеются, что переопределив энтропию в квантовых терминах, они смогут лучше её понять, а главное – пролить при помощи квантовой термодинамики новый свет на старые проблемы. Среди этих проблем – стрела времени, происхождение жизни и расширение Вселенной.
При чём тут жизнь? Учёные давно задумываются над тем, можно ли считать, что клеточные механизмы, на которых базируются живые организмы, эксплуатируют энтропию в своих целях. Возможно, что склонность атомов к структуризации, увеличивающей энтропию, неизбежно приводит к появлению сложных структур – включая и живые. Да, идея чисто умозрительная, однако если получится лучше разобраться в природе энтропии, её можно будет проверить.
Стрела времени – тоже сложная тема. То, что время движется вперёд, а не назад, отражается в наличии необратимых процессов. Нельзя собрать разбитое яйцо или вернуть воду в опрокинутый стакан. Часто этот факт связывается с работой второго закона термодинамики – энтропия всегда должна расти. По идее всё просто: в разбитом яйце вариантов размещения молекул больше, чем в целом – когда всё имеет свой порядок, желток внутри белка, белок внутри скорлупы. Однако даже тут возникают определённые вопросы – на это указывает Шафранек. Например, есть случаи, в которых не совсем понятно, какое из состояний системы будет более упорядоченным.
По мнению Деффнера, люди часто соглашаются с тем, что у беспорядочно организованных систем бывает больше состояний – но это не всегда так. Легко можно придумать примеры, в которых количество возможных состояний – и больцмановская энтропия – увеличивается, при том, что эти состояния оказываются очень упорядоченными и структурированными.
Агирре же говорит, что многие попытки расширить энтропию до космологических масштабов вызывают свои вопросы. Текущее определение энтропии подходит к состояниям, находящимся недалеко от равновесных – когда система пришла в некое практически неизменное состояние. Но фундаментально ничто не находится в равновесии – тем более, Вселенная. Практически все интересующие процессы, идущие в масштабах Вселенной, основаны на отсутствии равновесных состояний.
Деффнер считает, что неправильно считать, будто стрела времени направлена в одну сторону, потому что энтропия должна увеличиваться. Возможно, это просто эквивалентные вещи – мы наблюдаем течение времени в одном направлении, потому что все вещи стремятся к равновесию, то есть, к увеличению энтропии. А увеличение энтропии – просто математически удобный способ описывать наличие наблюдаемой всеми стрелы времени.
Из-за таких вот зацикленных на самих себе рассуждений Агирре и нравится понятие «наблюдаемой энтропии» — там никаких предположений по поводу равновесия вообще нет. До появления его с коллегами работы никто не занимался квантовыми вариантами больцмановской энтропии, а теперь, по их мнению, у нас есть описание того, как выглядит энтропия Вселенной. И она увеличивается – поэтому тут уже можно вспомнить о таких проблемах, как стрела времени.
Хорошо проработанная теория квантовой энтропии поможет нам в разработке и создании квантовых машин – вроде датчиков нанометровых размеров и квантовых компьютеров. Это очень важная область знаний для нанотехнологий и квантовых расчётов. А если информацию и правда можно будет использовать в качестве ресурса, такого же, как тепло или механическая работа – тут перед нами откроются неизведанные доселе области и новые технологии, сравнимые по важности с теми, что запустили промышленную революцию.
Комментарии (65)
Javian
06.11.2022 16:06+12В следующий раз когда мама, жена, подруга (нужное подчеркнуть) будет требовать навести порядок в своих вещах - давайте им ссылку на эту статью. Обстоятельства непреодолимой силы.
23gv3
06.11.2022 22:45+7Энтропия может уменьшаться за счёт внешних источников энергии. Так что следует аккуратнее следовать совету, подруга может уменьшить вашу личную энтропия посредством леща
snuk182
06.11.2022 22:52+5Если это допустимый способ уменьшения энтропии, впору задуматься о смене подруги.
Kenya-West
06.11.2022 23:29+3Желательно на ту, что про энтропию и слыхом не слыхивала. А ещё чтобы уважала личную неприкосновенность каждого
AlexanderS
06.11.2022 23:25+1Это рискует перетечь в спор о степени упорядоченности расположения вещей, дабы определить где энтропия будет меньше/больше)
funca
07.11.2022 17:47Порядок в вещах уменьшает количество энергии, затрачиваемое на поиск свободного для них места и самих вещей в этом самом месте. Иначе, когда в квартире живёт несколько человек, "не поймешь, что где валяется, и когда все это кончится".
napa3um
06.11.2022 17:07+5Не очень ясно, какое отношение энтропия имеет к физике (зачем искать её «природу»), это ведь чисто абстрактное математическое свойство, наблюдаемое в любой системе (в том числе не физической), удовлетворяющей условиям термодинамики. Его и на пальцах можно смоделировать.
ksbes
07.11.2022 12:06Энтропия к физике имеет наипремейшее отношение. Есть вполне конкретные физические задачи, которые решаются через энтропию. В частности такая маленькая задачка: куда потечёт (тепловая) энергия сама по себе в процессе эволюции более-менее замкнутой системы. Правильно — туда где энтропия меньше.
А так-то да — любая система, чьё поведение удовлетворяет три закона термодинамики может и будет описываться термодинамикой. Ну просто по определению.napa3um
07.11.2022 12:21+3Правильно — туда где энтропия меньше.
Да, и это выводимо без какого-то рассуждения об природе вселенной, чисто математически, из термодинамическом модели :). Потому все эти "поиски природы энтропии" на самом деле сводятся ровно к одному - формализовать открытость/закрытость вселенной как физической системы (дополнить модель закрытой/замкнутой физической системы соответствующими стрелочками).
ksbes
07.11.2022 14:13+1Вы телегу впереди лошади поставили. Это термодинамическую модель придумали такой, чтобы она природе соответствовала. Или по вашему чисто случайно чьи-то отвлечённые чисто математические изыскания с наблюдениями совпали? Так что попытка «выводить чисто математически» из неё закон возрастания энтропии звучит странно. Т.к. изначально делали строго наоборот.
Поэтому все эти «поиски природы энтропии» — от банального непонимания предмета. Т.к. термодиномические потенциалы — они для не специалиста мало что значат и редко конструктивно используются вне термодинамического контекста.
Это ещё скажите спасибо что про информационную/квантовую энтальпию не рассуждают! Вот это был бы тот ещё бредогенератор…napa3um
07.11.2022 15:02+1В некотором смысле - да, поведение математической модели лишь случайно совпадает с поведением наблюдаемой реальности в рамках масштабов и критериев точности соответствующей практической задачи, которую решает исследователь (эта магия называется пост[пост]позитивизмом, таков современный научный метод :)). Энтропию никакими приборами напрямую не измерить, это свойство именно математической модели, "измеряемое калькулятором".
AlchemistDark
08.11.2022 12:08Правильно — туда где энтропия меньше.
Поправьте если не прав, но кажется энергия потечёт не туда, где меньше энтропии, а туда, где меньше энергии. Таким образом градиенты энергии имеют свойство выравниваться. Люди в технике используют не саму энергию, а именно потоки энергии, вызванные выравниванием этих градиентов (в термодинамике это поток от нагревателя, к холодильнику). Таким образом, рост термодинамической энтропии должен выводиться именно из этого уменьшения градиентов. А информационная энтропия (энтропия Шенона) в которую демон Максвелла переводит термодинамическую энтропию это совсем другая величина. Она обратно пропорциональна термодинамической энтропии.
Именно поэтому и ищут новое определение, что как бы не вышло, что сумма термодинамической энтропии и энтропии Шенона это константа. То есть как бы не вышел закон сохранения энтропии.
ponfil
07.11.2022 23:55Есть много различных определений энтропии, но лично мне больше всего нравится (на практике) определение, что энтропия - это количество скрытой (стертой) информации о состоянии системы. На квантовом уровне при любой декогеренции, когда волновая функция каллапсирует, часть этой информация стирается для внешнего наблюдателя.
Art3
06.11.2022 17:18+3Почему, «склонность атомов к структуризации увеличивает энтропию», когда буквально в следующем предложении «в разбитом яйце вариантов размещения молекул больше, чем в целом»?
Art3
07.11.2022 18:58Вместо минусов, потрудились бы объяснить, почему, согласно автору статьи, и то и другое приводит к увеличению энтропии.
desolover
06.11.2022 17:18+1В том, што касается энтропии — главное стратегию Мартингейла не применять..
Spaceoddity
06.11.2022 17:48+4Могу ошибаться, но в памяти почему-то закрепилась цитата, приписываемая А. Эйнштейну: «Пройдут миллионы лет, прежде чем мы сможем осознать второе начало термодинамики применительно к квантовой механике»... И контекст, кмк, тут был в детерминизме/индетерминизме явлений природы. Опять-таки, могу заблуждаться (очень давно этой темой интересовался), был такой мысленный эксперимент:
В соответствии с боровской моделью атома, электрон там прыгает по орбитам с разной потенциальной энергией и испускает фотоны. Эйнштейн, Бор и Гейзенберг затеяли спор - знает ли атом и узнаем ли когда-нибудь мы, в какой именно момент произойдёт этот переход? И вот один утверждал (опять-таки, не помню кто именно) что ни атом не "знает", ни мы никогда не узнаем. Другой - что и атом знает, и мы рано или поздно узнаем. И третий - атом-то может и знает, но мы не узнаем никогда))
Резюмируя - это один из самых главных философских вопросов мироздания. Это вообще вопрос фатализма и возможно, какого-то божественного начала... Ответов на него в ближайшем будущем точно ждать не стоит))
v1000
06.11.2022 19:09+2один утверждал (опять-таки, не помню кто именно) что ни атом не "знает", ни мы никогда не узнаем. Другой - что и атом знает, и мы рано или поздно узнаем. И третий - атом-то может и знает, но мы не узнаем никогда
Красиво. Но интуитивно хочется добавить "атом не знает - а мы узнаем".
kichrot
06.11.2022 19:50+2Вселенная стремится к беспорядку ...
Несколько странное и идеалистическое название, даже для научпопа.
Объективно понятие "порядок" является относительным, т.е. субъективным.
Существуют две равнозначные максимы: "Любой порядок, это частный случай беспорядка" и "Любой беспорядок, это частный случай порядка".
Так, что Вселенная всегда находится в перманентном порядке или, если кому либо угодно считать, в перманентном беспорядке.
Если за порядок считать состояние Вселенной, определяемое объективными законами природы, то за такой порядок Вселенная выйти не может ни при каких условиях.
Daddy_Cool
06.11.2022 20:28+3Объективно понятие "порядок" является относительным, т.е. субъективным.
Кстати да. Легко проиллюстрировать - бросим горсть камешков - они упадут и займут какое-то положение. Очевидно - беспорядочное. Теперь возьмем такие же камешки и расставим камни так же как в первом случае, но специально. Очевидно - это уже будет порядок.
В определении вероятности есть словосочетание "благоприятный исход" - вот это как-то... очень субъективно и антропно.
mad_god
06.11.2022 23:00Что-то сложное собирается из простого ограниченным количеством способов, при соблюдении одновременно или в некотором небольшом диапазоне времени(окне возможностей) многих условий, наличия нескольких, а иногда и огромного количества уникальных факторов. Как только сложное собралось, оно тут же может разобраться. И в некотором ограниченном количестве случаев - оно "защёлкнется", останется собранным, так как рядом с ним не присутствуют необходимые для разборки факторы.
И далее, это сложное, сложенное из простого также может собраться во что-то ещё более сложное, опять же, в ограниченном количестве ситуаций, при соблюдении нескольких факторов.
Вероятность сборки мала по сравнению с вероятностью ничего полезного, поэтому сборка не происходит, количество не переходит в качество, факторы комбинируются не в то время не в том месте.
Есть, например, ровная поверхность. Она равнозначна на большом протяжении.
Есть на этой поверхности ямка, в неё уже может затечь и скопиться вода. Жаль, воду ещё не придумали.
Или есть возвышенность и всё, что попадает на эту возвышенность - скатывается вниз, на какую-то сторону. Что-то нарушает равновесие, например, ветер, и возвышенность становится какой-то особенной формы с одной стороны. Будь тут какое-то растение, оно было бы укрыто возвышенностью от ветра. Но растений тоже ещё не придумали.
Но если совпадут несколько условий, наличие воздуха, воды, почвы, нужная температура, наличие растений, это дало бы разный набор условий для каждого растения в зависимости от расположения, вращения планеты, удалённости от центрального светила.
Эти условия распределены по Вселенной, где-то есть вода, атмосфера, где-то большое Солнце, где-то маленькое, где-то большая орбита, где-то меньше, где-то горячо, где-то холодно.
Мы собрали Бинго, а кто собрал Бинго, у того и жизнь на планете, тот может думать и выражать свои мысли. А кому-то не повезло.
obl127
07.11.2022 23:55Вот только примазываться к нам не надо))) Хахаха, " Мы собрали Бинго "))) Это МЫ собрали бинго, а вы сидите, дым нюхайте)))
kauri_39
07.11.2022 00:00Читал когда-то, что росту энтропии в нашей расширяющейся Вселенной противостоит эволюция материи. То есть элементы каждой новой формы материи имеют больший объём упорядоченного (антиэнтропийного) внутреннего пространства. Например, упорядоченный объём молекулы больше объёма атома, упорядоченный объём клетки больше объёма молекулы и т.д. Наша глобальная цивилизация имеет ещё больший упорядоченный объём (стремится к этому).
Можно пофантазировать и увидеть цель эволюции материи в образовании единой во вселенной системы цивилизаций. То есть почти вся наша вселенная будет иметь упорядоченный объём со своим "гомеостазом" - контролем за физическими параметрами её внутренней среды. Это поможет ей выжить, когда её расширение ограничит встречное расширение соседних вселенных, и плотность энергии её вакуума начнёт расти...
Кстати, пока ещё свободное расширение нашей вселенной наверняка сопровождается плавным и повсеместным снижением плотности энергии физического вакуума. Это объяснило бы совмещение хода времени и антиэнтропийную эволюцию материи в энтропийной среде. Ведь новой биомолекуле после синтеза надо быстрее остыть - путём спонтанного излучения уже ненужных фотонов. Наверное, это проще сделать при уменьшении энергии вакуума с каждым квантом времени. И тогда из стабильных молекул получится новый генетический текст для нового вида организмов, или сложится образ новой идеи в нейронах мозга...
EskakDolar
07.11.2022 00:00+7Демон может выполнить свой фокус, только если он будет где-то хранить информацию о молекулах и их движениях.
Вот тут не понял - зачем демону хранить информацию о молекулах и их движениях ? Всегда думал что ему достаточно правильно определять скорость движения ближайшей к двери молекулы и пропускать ее или нет. А для чего помнить ?
rombell
07.11.2022 01:25+2Если я правильно помню, в опровержении речь велась именно о принятии решения и энергии, необходимой на открытие/закрытие дверки. И всё как раз сходилось.
А про хранение всего массива в памяти — действительно, зачем бы это могло понадобиться
avshkol
07.11.2022 16:23Для меня утверждение, будто демон Максвелла произведёт больше увеличение энтропии на манипуляции с дверцей, чем уменьшит энтропию, разделив быстрые и медленные молекулы, не столь очевидно.
Давайте возьмём макромир для большей понятности масштабов:
в невесомости в вакууме огромная Камера (внутренность гигантского космического корабля) разделена стенкой с дверцей. Дверца скользит по направляющим,
в одном из отсеков летают тысячи больших тяжёлых упругих мячей - энергия в секунду одного в среднем это киловатт
Дверца снабжена датчиком, фиксирующим скорость и направление объектов с обеих сторон и процессором типа Малинки, обрабатывающим сигналы и подающими сигнал на двигатель открытия-закрытия дверцы - датчик и процессор потребляет двадцать ватт,
Электромотор для сдвига дверцы потребляет 50 ватт
Вопрос: неужели такая система будет создавать больше энтропии при своей работе, чем уменьшение энтропии от разделения столь высокоэнергетический упругих мячей?
ksbes
07.11.2022 17:25А сколько мячей в секунду она будет пропускать? И сколько с каждого мяча она будет «собирать» энтропии?
Тут либо система не справится из-за слишком большого потока мячей и энтропию не получиться уменьшить. Либо скорость «перетекания» энтропии будет слишком низкой, чтобы восполнить потери. Там смысл примерно такой.
Тем более, если опускаться на уровень молекул — тем есть всё же ограничение на минимальную мощность открытия/закрытия.
А если рассматривать реальные мячи — то их тепловыделение от столкновений затмит всё.
rombell
07.11.2022 17:32Моей квалификации недостаточно, поэтому опосредованно сошлюсь на авторитеты. Сильно глубоко копать времени нет, первое попавшееся.
Парадокс разрешается, если рассмотреть замкнутую систему, включающую в себя демона Максвелла и сосуд. Для функционирования демона Максвелла необходима передача ему энергии от стороннего источника. За счёт этой энергии и производится разделение горячих и холодных молекул в сосуде, то есть переход в состояние с меньшей энтропией. Детальный разбор парадокса для механической реализации демона (храповик и собачка) приведён в Фейнмановских лекциях по физике, вып. 4, а также в популярных лекциях Фейнмана «Характер физических законов».
С развитием теории информации было установлено, что процесс измерения может не приводить к увеличению энтропии при условии, что он является термодинамически обратимым. Однако в этом случае демон должен запоминать результаты измерения скоростей (стирание их из памяти демона делает процесс необратимым). Поскольку память конечна, в определенный момент демон вынужден стирать старые результаты, что и приводит в конечном итоге к увеличению энтропии всей системы в целом.
whiteinternet.livejournal.com/383950.htmlksbes
08.11.2022 09:09Ах, да, это объяснение… У него есть два очень слабых места:
1) Источник внешенй энергии необязателен — демон может черпать энергию из самого газа используя, например, две части сосуда как холодильник и нагреватель. Там скорее всего наступит состояние равновесия — но оно явно будет обладать строго меньшей (тепловой) энтропией, чем исходное.
2) Самое главное — идёт спутывание весьма чётко определённого понятия тепловой энтропии газа и нигде никак не определённого понятия «энтропии памяти демона». Даже если предположить, что это как-то измеряемая энтропия по Шенону, то всё равно складывать и сравнивать Дж/К и биты нельзя. Физика всё же.AlchemistDark
08.11.2022 12:30На самом деле биты и Джоули связаны через принцип Ландауэра. Но там не прямая связь, а что-то вроде ограничения снизу.
boo4a
07.11.2022 23:55реальному демону нужно провести реальный процесс измерения и оценки каждой молекулы, уже для одного этого нужны ресурсы, в т.ч. и памяти
Alonerover
07.11.2022 10:40+1«Возможно, что склонность атомов к структуризации, увеличивающей энтропию, неизбежно приводит к появлению сложных структур – включая и живые.»
Атомы не «стремятся к увеличению энтропии» они распределяют/рассеивают полученную от других атомов, или непосредственно от Солнца, в виде квантов электромагнитного излучения, кинетическую энергию, в процессе своего броуновского движения. И в этом контексте жизнь — это «всего лишь» следствие процесса перераспределения энергии. Под землёй живыми организмами перераспределяется энергия химических связей, разности потенциалов на кристаллах и даже ядерного* распада. На поверхности Земли базовым источником энергии, приводящей в движение биосферу, является Солнце.
И ещё — если во Вселенной «всё стремится к энтропии», то как же возникла сама Вселенная? На больших масштабах всё же надо допускать процессы обратного движения, иначе возникновение нашей Метагалактики никак не объяснить.
* — существование на поверхности Земли экстремофила Deinococcus radiodurans, способного расти на источниках ß- и γ-излучений (электроны и жёсткое электромагнитное излучение в результате ядерного распада) допускает/требует существование их и под землёй.
MockBeard
07.11.2022 11:59+1Вселенная настолько сложная, что люди принимают то, что видят, за хаос )))
sergeyns
07.11.2022 12:02+1А в университете (физфак МГУ) лектор говорил что принципы термодинамики вводятся для систем лабораторных масштабов. И для микромира и галактик все размышления неприменимы )) Так что про энтропию беспокоится не надо.
Kriminalist
07.11.2022 13:36Все просто. Энтропия - это сила, направленная на разрушение замысла творца. Мир был сотворен из хаоса, а теперь творение разрушается, стремясь вернуться к первоначальному состоянию. )
evgenyk
07.11.2022 16:24+1А нельзя ли свести энтропию к закономерностям переходов энергии систем? А то как-то порядок, беспорядок, как-то не очень понятно.
rezedent12
07.11.2022 17:35Стоит ли писать статью про "психологическую стрелу времени"? Материала не так уж и много набирается для полноценного объёма. Может какие то вопросы у кого то есть по этой теме?
Alexey_Volchanskiy
08.11.2022 05:27Для начала расшифруйте, что за стрела такая.
rezedent12
08.11.2022 13:49Фундаментальное ограничение нашего восприятия времени, связанное с тем что нервная система сформирована для функции маневрирования в потоке времени, типа в нужный момент сжаться, а в другое время ловить всё что рядом проплывает.
Даже считая истинным утверждение о том что "всё предопределено", мы не можем на это отреагировать иначе как ничего не делать что бы сэкономить силы которые нам пригодятся в будущем. То есть в конечном счёте любой вопрос на практике мы сводим к реакции для прокладывания курса в будущее. Из чего можно делать вывод, что мы не в состоянии осмыслить и сформулировать детерминизм истинным образом, потому что наше сознание фундаментально не способно на это. Максимум мы можем создать математический аппарат, который не получится воспринимать иначе как "чёрный ящик".
Ну и заодно раскрыть мотивацию Императора (из warhammer 40000), который пришёл к выводу о том что имматериум не надо стремится понять, а нужно его исключить, перестав от него зависеть.
Hidden text
Имматериум - параллельный слой психической реальности, где понятия пространства и времени не применимы, то есть будущее уже произошло, а прошлое ещё не наступило.
Alexey_Volchanskiy
07.11.2022 23:29Что-то автор странное написал:«Демон может выполнить свой фокус, только если он будет где-то хранить информацию о молекулах и их движениях. У него не может быть бесконечно большой памяти, поэтому часть информации ему придётся отбросить».
Не нужна ему информация обо всех молекулах, достаточно о тех, кто в ближнем поле дверцы.
diakin
08.11.2022 10:54Не, ну а как он будет сравнивать, какие горячее, а какие холоднее. По крайней мере ему надо знать "среднюю температуру по больнице" в обоих частях сосуда.
DarthPadla
09.11.2022 03:30Что вы понимаете под ближним полем? Допустим, в 1нм от дверцы стоит молекула (нулевая скорость). В тот же самый момент от дальних от дверцы стенок отталкиваются две молекулы со скоростью, направленной прямо в дверцу и величиной, равной длине камеры/время измерения. Как вы, не обладая информацией обо всех молекулах, определите открывать дверцу или нет?
Hohma
07.11.2022 23:55Есть занятный научпоп за авторством Тора Норретрандеса "Иллюзия пользователя: урезание сознания в размерах". Там вопрос энтропии неплохо освещается в первой же главе.
E_I_P
07.11.2022 23:55Термодинамика в качестве аксиомы берет то, что мы живем в идеальном однородном пространстве. Если же предположить, что наше пространство обладает некоей исходной структурой или субструктурой, то, возможно, станут понятными процессы кристаллизации и самоорганизации вещества и т.п. явления.
arTk_ev
08.11.2022 01:32Второй закон термодинамики работает только в идеальной закрытой системе, которых в принципе не существует.
Зачем приводить этот устаревший пример с демоном, когда давно существует динамический хаос.
Энтропия уменьшается со временем, за счет самоорганизации. Вся биосфера уменьшает энтропию.
Стрела времени возникает не из за энтропии, а из-за необратимых хаотичечких процессов. Если перемешать краски ламинарным способом, без турбулетности, то если мешать в другую сторону, то они снова восстановятся. Это реальных эксперемент.
vkomen
08.11.2022 09:54Вот цитата из тома "Статистическая физика" Ландау и Лифшица
Энтропия, определенная как
имела бы при этом своеобразную размерность логарифма действия. Это значит, что при изменении единиц действия энтропия изменилась бы на аддитивную постоянную: если изменить единицу действия в а раз, то
перейдет в
. Поэтому в чисто классической статистике энтропия представляет собой величину, определенную лишь с точностью до аддитивной постоянной, зависящей от выбора единиц. Однозначными величинами, не зависящими от выбора единиц, являются при этом лишь разности энтропий, т. е. изменения энтропии при том или ином процессе.
С этим обстоятельством и связано появление квантовой постоянной
в определении (7,8) энтропии для классической статистики. Лишь понятие о числе дискретных квантовых состояний, неизбежно связанное с отличной от нуля квантовой постоянной, позволяет ввести безразмерный статистический вес и тем самым определить энтропию как вполне однозначную величину.
Jeyko
С превеликим удовольствием посещаю храм науки. И с неменьшим слушаю ваши проповеди.
«Возможно, что склонность атомов к структуризации, увеличивающей энтропию, неизбежно приводит к появлению сложных структур – включая и живые.»
Еще один философский вопрос про определение живое и неживое не буду сейчас беспокоить.
Как многого мы еще не знаем. Эта же мысль меня осенила давно и не даёт покоя.
А что если изначально в вещество заложен механизм своеобразного упорядочивания и структуризации? Нужны только условия! И при сложении набора необходимых обстоятельств получается нечто вполне себе осмысленное. Это как суп, к примеру. Но кто (что) его варит?
napa3um
Вы почти что придумали Антропный принцип. :)
iingvaar
Ниже справедливо заметили, что структуризация на первый взгляд уменьшает, а не увеличивает энтропию. Позволю себе предположить следующее:
В мире действуют два противоположных принципа. Первый - назовём его упрощение - спонтанная потеря информации при предоставлении системы самой себе. Это проявляется в "гомогенизации". Два газа в одном объеме смешиваются, а не разделяются. Яйцо превращается в гоголь-моголь, но гоголь-моголь не превращается в яйцо. Система скорее примет такое макросостояние, которому соответствует наибольшее возможное количество микросостояний (тем самым она стремится дать нам наименьшее количество информации о себе). Второй - назовём его усложнение - спонтанное возникновение структур из однородных сред. Здесь, вероятно, есть какая-то связь с энергией. Атомы в кристаллической решетке или в молекуле белка располагаются не просто так, а минимизируя свою потенциальную энергию.
Ни первый, ни второй принцип не выводятся из уже известных законов природы. Более того, второй даже не сформулирован. Первый сформулирован и называется вторым началом термодинамики, но от этого, как следует из статьи, не легче. Принципы не противоречат друг другу, а, скорее всего, являются двумя следствиями из одного и того же закона. Не случайно я в первом предложении написал "на первый взгляд". Потому что тру физики вам сразу же объяснят, что оба процесса - и усложнение и упрощение одинаково идут с увеличением энтропии. Именно поэтому переопределение энтропии и ее вывод из первичных законов помогут продвинуться в понимании обоих этих принципов, и мы перестанем путаться где энтропия больше, а где меньше.
askharitonov
Разве первый принцип не выводится из известных законов природы? Разве он не сводится к тому, что из состояний, в которых может находиться система, гораздо больше тех, которые не обладают той или иной сложной структурой, то есть, вероятность того, что система окажется в «сложном» состоянии, гораздо меньше, чем то, что она окажется в «простом», потому что «простых» в огромное количество раз больше?
Примерно как с разноцветными шариками, которые достаёшь из коробки, если там, допустим, из ста шариков один красный, а остальные синие, то наверняка вытащишь синий (но не потому, что в природе есть особые отношения между красным и синим, а просто потому, что синих шариков в этом эксперименте больше). Только в случае сложных систем вероятность спонтанного возникновения нужного нам варианта не 1/100, а несоизмеримо меньше.
iingvaar
То, что вы описали - это закон математики, а не природы. Он не обязан описывать природу, но может это делать. Вообще, вероятности - довольно неочевидная штука, и уж тем более неочевидна их применимость к реальному миру. В любом случае, вывод должен вестись не из умозрительных соображений. Например, берём систему уравнений Стандартной модели и показываем, что при определенных допущениях она превращается во Второе начало термодинамики. Насколько мне известно, никто это пока не сделал.
diakin
См. теорема Пуанкаре о возвращении.
"У данной теоремы есть неожиданное следствие: оказывается, если в сосуде, разделённом перегородкой на два отсека, один из которых заполнен газом, а другой пуст, удалить перегородку, то через некоторое время все молекулы газа вновь соберутся в исходной части сосуда. Разгадка этого парадокса в том, что «некоторое время» очень велико. " (с) Wiki
Hardened
Тогда время - это статистическая метрика. Собственно атомные часы так же на статистическом периоде состояний работают.
iingvaar
Здесь два момента. Во-первых, довольно сильное предположение о консервативности сосуда в частности и вселенной в целом. Возможно, это не так. Во-вторых, возможно, это и так, но характерное время настолько велико, что области применимости не пересекаются. То есть в той реальности, в которой живём мы, второе начало выполняется и структуры самоусложняются.
Hardened
Опыт с демоном Максвела предполагает
1) разумное вмешательство
2) проведение измерения
3) работу по созданию неравновесного состояния со сниженной термодинамической энтропией
4) запись информации о состоянии, то есть наличие как хотя бы кратковременной памяти самого разума, так и отчужденного от него долговременного накопителя - увеличение информационной энтропии
5) в каком-то смысле разум сжимает время, добиваясь состояния, для достижения которого статистически потребовалось бы ждать значительно больший интервал. Кроме того он удерживает (замораживает) это состояние на статистически аномально долгий период.
6) парадокс - амнезия демона, стереть информацию о разделении молекул газа - информационная энтропия казалось бы обнулилась, но фактически перегородка никуда не делась.
7) а теперь представим, что все носители разума пропали в чёрной дыре
iingvaar
В демоне Максвелла нет ничего демонического, он у меня дома стоит. Точнее,его часть. Называется холодильник). А вот исчезновение информации в чёрной дыре, действительно, хорошее известие. В том смысле, что не только показывает, что несколько теорий несовместимы между собой, но и указывает точку, где их надо стыковать.
engine9
Примерно так и есть. Важны, как вы верно заметили, условия в которых атомы друг с другом взаимодействуют.
Из лекции интересную догадку можно сделать, о том, что "альтернативная" инопланетная биологическая жизнь будет похожа на нашу.
AlchemistDark
Жизнь [в известном нам виде] — процесс репликации полимеров нуклииновых кислот ????