3.8. Принцип возрастания энтропии

Если вы хотите оправдаться за беспорядок в делах, самое подходящее обвинить в этом энтропию, которая «всегда только растет», символизируя рост беспорядка. В науку это понятие ввел немецкий физик Р. Клаузиус в 1865 г., формулируя законы термодинамики. Термодинамика изучает тепловые свойства макросистем в равновесных состояниях. Согласно первому началу термодинамики теплота, сообщенная системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и совершение работы. Фактически это закон сохранения энергии с учетом тепловых процессов: энергия может превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии – теплоты, связанной с неупорядоченным, хаотическим движением молекул, и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло. В то же время тепло в работу полностью превратить нельзя, всегда останется некоторое количество теплоты, которое пропадет бесполезно. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности или хаоса системы является энтропия.

Представим себе закрытую систему, в которой вся энергия находится в упорядоченном состоянии (энергия-работа). Если в этой системе начнется процесс преобразования энергии, то вся энергия-работа постепенно перейдет в энергию-тепло. Полученное тепло может быть использовано для совершения какой-либо полезной работы, но не полностью. Так появится энтропия. При следующем цикле преобразований работа опять полностью перейдет в тепло, но тепло не сможет полностью превратиться в работу, поэтому энтропия увеличится. Так будет происходить до тех пор, пока вся энергия системы не превратиться в тепло и не установится состояние термодинамического равновесия. Таким образом, в изолированных системах самопроизвольные процессы сопровождаются ростом энтропии. Это утверждение называется вторым началом термодинамики, или принципом возрастания энтропии.

Первоначально второе начало термодинамики было сформулировано Клаузиусом следующим образом: тепло не может само собой переходить от холодного тела к горячему. Таким образом, энтропия характеризует направление протекания процессов в замкнутой системе и указывает, что любая изолированная система стремится к состоянию термодинамического равновесия, при котором энтропия максимальна, а производство работы уже невозможно.

После открытия принципа возрастания энтропии в науке утвердилась идея, что Вселенной присуще развитие, но оно идет от порядка к хаосу – состоянию термодинамического равновесия. Это самое простое из всех возможных состояний закрытой системы, которой тогда считалась Вселенная. Господствующей тенденцией в развитии материи признавалось стремление к разрушению случайно возникшей упорядоченности и возвращение к исходному хаосу. Из принципа возрастания энтропии следовали пессимистические представления о развитии Вселенной, характерные для второй половины XIX в. В 1851 г. В. Томсон выдвинул гипотезу тепловой смерти Вселенной, согласно которой со временем все виды энергии деградируют, превратившись в тепло. Тепло рассеется в окружающем пространстве, и Вселенная придет в состояние хаоса – термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд.

Эту гипотезу пытались опровергнуть крупнейшие философы и ученые того времени. Но лишь в XX в., признав Вселенную открытой системой, удалось отказаться от идеи тепловой смерти. Как было показано в рамках синергетики, в открытых неравновесных системах могут протекать процессы самоорганизации и самоусложнения, направленные от хаоса к порядку и сопровождающиеся понижением энтропии. Но куда открыта Вселенная? Другим измерениям, Вакууму или Богу? На этот вопрос у ученых пока нет однозначного ответа.