Приложение формулы Больцмана ко всей Вселенной.

Мы уже говорили о началах термодинамики и некоторых выводах из них. Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы - закону сохранения энергии. Общее количество энергии остаётся постоянным. Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной, то есть погасшие звёзды снова превращаются в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал, как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в позапрошлом веке почти всеобщим.

Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго закона термодинамики: связывая понятие об энтропии с состоянием Вселенной, Больцман вывел, что "мир стремится к хаосу". Эта идея перекликалась с формулировкой Клаузиуса "Энтропия мира стремится к максимуму".

Так как процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звёзды погаснут, все процессы в Природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замёрзшее кладбище. Наступит тепловая смерть Вселенной.

Ошеломляющее впечатление, произведённое на естествоиспытателей 19-го века 2-ым началом термодинамики, было особенно сильно ещё и потому, что вокруг себя, в окружающей нас Природе они не видели фактов, его опровергающих. Конечно, есть в Природе и антиэнтропийные процессы, при которых беспорядок, а значит, и энтропия уменьшаются. Таковы процессы, происходящие в органическом мире, в человеческой деятельности. Но при более глубоком рассмотрении ситуации всегда оказывается, что уменьшение беспорядка в одном месте неизбежно сопровождается его увеличением в другом. Более того, возникший по вине человека беспорядок значительно превышает тот порядок, который он внёс в Природу, так что в конечном счёте энтропия и тут продолжает расти.

Эти доводы основывались на представлении о Вселенной как об изолиро-ванной системе. Если же признать, что Вселенная бесконечна, не имеет ни конца, ни начала как во времени, так и в пространстве, что ее энергия спо-собна рассеиваться столь многочисленными способами, что при этом могут возникать и оказываться устойчивыми самые разнообразные структуры (в частности, высокоэнергетические "черные дыры" и др.), то можно придти к заключению, что, в противоположность обычному мнению, Вселенная эволю-ционирует в направлении всёменее и менее вероятных состояний.

Связь между информацией и энтропией.Сколько бы неожиданным не могло показаться в XIX веке открытие соотношения между энтропией и вероятностью, наличие связи между энтропией и информацией на первый взгляд ещё более удивительно. Эти связи в действительности не независимы: если энтропия связана некоторым образом с информацией, то именно по той причине, что формула Больцмана связывает её с вероятностью. Главным выводом здесь является:

1) нулевой энтропии соответствует полная информация,

2) высокой энтропии соответствует практически исчезающая информация.

Другими словами, возрастание беспорядка сопровождается как возрастанием энтропии, так и уменьшением информации, так что энтропия и информация изменяются в противоположных направлениях.

Энтропия и стрела времени.Существование материи связано с такими двумя субстанциями, как пространство и время. Пространство характеризует структурность и протяжённость материальных объектов, определяет вид их взаимодействия. Время характеризует длительность явлений, быстроту протекания процессов, определяет их последовательность. Можно найти много формулировок времени и пространства, одни из них удачные, другие – не очень, Однако стоит дать блестящую формулировку соотношения пространства и времени Вернадского: смерть – это отделение пространства от времени.

Одной из главных причин влияния энтропии на философскую мысль неоспоримо было её странное свойство изменяться всегда в одном направ-лении или, другими словами, быть необратимой. Когда Клаузиус объявил об этой необратимости энтропии (в чрезвычайно наглядной форме), он приписал этой величине свойство, которое до тех пор рассматривалось как присущее только времени. В дальнейшем теория расширяющейся Вселенной дала ещё один пример необратимости.

Термин "стрела времени" был введен знаменитым английским физиком – оппонентом Эйнштейна Эддингтоном. Он отводил второму закону термо-динамики совершенно особое место среди других физических законов. С точки зрения физики, единственная возможность различать прошедшее и будущее состоит в изучении вклада случая (хаоса, беспорядка) в состояние мира: возрастание этого вклада определяет направление стрелы времени и это возрастание необратимо, потому что это касается очень большого числа элементов. Но практической мерой вклада случая, то есть беспорядка, царящего в мире, является энтропия. Закон возрастания энтропии есть единственный закон физики, который не может быть опровергнут.

Тем не менее, это возрастание не бесконечно, но стремится к некоторому пределу. Действительно, рассматривая изолированную систему (то есть часть Вселенной), мы констатируем, что она быстро достигает состояния термодинамического равновесия, которое устойчиво. В такой равновесной системе мы теряем стрелу времени. Это не означает, что система становится вневременной, так как атомы продолжают свои колебания, что позволяет измерять скорости и продолжительности. В такой системе время, следова-тельно, не исчезло, но потеряло свою стрелу. Таким образом, в области физики стрела времени есть свойство энтропии и только её одной. Эта стрела времени известным английским математиком нобелевским лауреатом Стивеном Хокингом была названа термодинамической.

В связи с этим наше представление о времени нельзя сравнивать с ука-заниями часов, которые измеряют интервалы, ничего не говоря при этом о направлении течения времени. Скорее всего, его надо сравнивать с пока-заниями приборов, служащих для определения изменения энтропии. Такой прибор может быть составлен из двух термометров, измеряющих темпе-ратуры горячего тела и холодного тела, находящихся в тепловом контакте. Из двух моментов времени тот, который соответствует меньшей разности температур, должен рассматриваться как последующий. Наше сознание позволяет фиксировать направление стрелы времени, но не измерить её с достаточной степенью точности.

Есть еще одна теория, которая допускает интересные сравнения со вторым принципом - это теория расширяющейся Вселенной, в которую сам Эддингтон внёс существенный вклад. Как и возрастание энтропии, расширение Вселенной - явление необратимое. Поэтому оно также позволяет фиксировать направление течения времени, с той разницей, что здесь дело идёт о времени всей Вселенной, энтропия же играет роль локального указательного столба. (эта стрела времени была названа Хокингом космоло-гической). Как бы то ни было, возрастание энтропии и объёма Вселенной - это два критерия, определяющие направление стрелы времени, и возможно, что между ними существует некоторая, пока ещё неизвестная связь. На эту связь указывал Хокинг, который ввел и третью стрелу времени – психологическуюкоторая определяет наши ощущения, связанные со временем, (мы помним прошлое, но не знаем будущего).

Хокинг считает, что термодинамическая стрела времени определяет психо-логическую и что обе они всегда указывают в одном и том же направлении. Беспорядок со временем возрастает потому, что мы измеряем время в том направлении, в котором он возрастает. В этом фактически и состоит второе начало термодинамики.