Аннотация: Книга представляет собой уникальное сочетание науки и повседневной жизни, где автор обсуждает примеры - от пролитого пива до черных дыр - для объяснения энтропии.
Книга представляет собой уникальное сочетание науки и повседневной жизни, где автор обсуждает примеры - от пролитого пива до черных дыр - для объяснения энтропии.
Книга затрагивает роль энтропии в космологии, квантовой физике и термодинамике, включая обсуждение квантового туннелирования, антивещества, энергии вакуума, темной энергии, поведения нейтрино, и вопросы, связанные с замкнутыми системами и тепловой смертью Вселенной.
Автор рассматривает жизнь как открытую систему, где энтропия играет ключевую роль, раскрывая сложность и упорядоченность нашего существования. Книга также обсуждает теорию о мире как симуляции, предлагая новый взгляд на реальность, а также затрагивает тему энтропии в контексте информации.
Исследуя метафорическое значение энтропии, автор критикует её использование в контекстах, выходящих за рамки физики, например, в психологии, философии, истории цивилизаций.
Книга написана с удивительной легкостью и юмором, превращая сложную научную тему в захватывающее и понятное чтение.
энтропия
Посвящается Андрею Ромузу,
вдохновившему автора на этот труд
Давай попробуем попроще объяснить энтропию на понятном примере с пивом. Представь, ты на пароме, и тебя друзья отправили за пивом. Всё просто: идешь к бару, берешь пиво, возвращаешься. Но вот в чем дело: на море качка, корабль то влево, то вправо, идти прямо - целое искусство.
Когда ты стоишь у барной стойки с полными кружками пива, всё кажется нормальным. Но стоит тебе сделать пару шагов, как начинается веселье. Пиво в кружках пляшет туда-сюда, и часть его начинает расплескиваться. Вот тут и начинается энтропия. Если вначале был порядок (ты идешь с полным пивом), то теперь начинается, мягко говоря, хаос. Так вот, энтропия - это как раз про беспорядок и хаос.
Чем дольше ты идешь, тем больше пива проливается. По сути, энтропия - это как мера этого самого беспорядка. В начале у тебя было все под контролем, а потом из-за качки стало всё хуже и хуже. Когда ты наконец доходишь до стола, половина пива уже ушла в никуда. И вот это увеличение беспорядка, от порядка к хаосу, и есть энтропия. Как в физике, так и с пивом на пароме.
Вот именно, расплесканное пиво на пароме - отличный пример энтропии. Это пиво все еще формально присутствует на пароме, но теперь оно бесполезно. Раньше оно было в кружке, и ты мог его выпить, но теперь оно разлито по полу. Это и есть суть энтропии: вещи или энергия могут оставаться в замкнутой системе, но они становятся менее полезными.
Когда пиво было в кружках, оно было упорядочено. Ты мог легко его перенести и выпить. Но когда оно разлилось, оно распределилось по большой площади пола. Теперь, чтобы собрать его обратно, потребуется куда больше усилий, и, скорее всего, это будет уже невозможно. Таким образом, хотя количество пива в системе "паром" не изменилось, его полезность уменьшилась из-за увеличения энтропии.
Давай, теперь выпьем остаток пива на брудершафт, и уже совершенно обосновано перейдем на ты. Не из недостатка уважения, дорогой мой читатель. Просто мне кажется, когда объясняешь сложное простыми словами лучше обращаться на ты, это снимает напряжение и упрощает восприятие.
Второй закон термодинамики часто считается одним из наименее понятных из-за его связи с энтропией, концепцией, которая может быть интуитивно сложной для понимания, и без пива здесь не разобраться. Энтропия описывает уровень беспорядка или случайности в системе, и это довольно абстрактное понятие. В отличие от других физических концепций, таких как сила или энергия, которые можно наблюдать и измерять более непосредственно, энтропия не имеет прямого и очевидного визуального представления.
Кроме того, второй закон термодинамики вводит идею о необратимости процессов в природе. Он утверждает, что в изолированных системах энтропия не уменьшается, что означает, что некоторые процессы необратимы на фундаментальном уровне. Это контрастирует с многими другими физическими законами, которые кажутся более "симметричными" и обратимыми, что делает второй закон уникальным и иногда контринтуитивным.
Также второй закон связан с понятием времени и его направленностью. Понятие о том, что время движется только в одном направлении и связано с увеличением энтропии, заставляет людей задуматься о фундаментальных аспектах реальности, что может быть сложно усвоить.
Все эти аспекты в совокупности делают второй закон термодинамики особенно трудным для понимания, особенно на интуитивном уровне, в отличие от более "наглядных" законов физики.
Итак, то же самое что произошло с нашим наполовину расплесканным пивом происходит и в нашей Вселенной. Энергия и материя сохраняются, но постепенно распределяются таким образом, что становятся менее полезными для выполнения работы или создания порядка. Это одна из причин, почему вечный двигатель невозможен: энтропия всегда увеличивается, делая полную реализацию энергии всё более и более сложной.
В философии и в более широком культурном контексте энтропия иногда используется метафорически для обозначения беспорядка, хаоса, неопределенности и неизбежности упадка или разложения. Такое применение энтропии выходит за рамки строго научного определения и переходит в область философского размышления о природе Вселенной, времени и существования. Важно помнить, что в научном контексте энтропия - это точно определенный термин, используемый для описания свойств изолированных систем. В реальном мире полностью изолированные системы практически невозможны, поэтому применение термодинамической энтропии к сложным, открытым и динамическим системам, таким как общества, экономики или даже целые цивилизации, может быть некорректным и вводить в заблуждение.
Такое расширенное использование энтропии в философии и культуре, хотя и может быть полезным для стимулирования дискуссий и размышлений о широком спектре тем, не должно путаться с её строгим научным значением и использованием. Это хороший пример того, как научные концепции могут быть адаптированы и неверно интерпретированы вне своей первоначальной области применения, и такие адаптации требуют осторожности, чтобы не искажать научные принципы, и уж тем более не делать на основе неверно истолкованных физических понятий далеко идущие философские выводы.
Очень важно понимать, что помощью различных теорий мы только отчасти постигаем Вселенную с разных сторон, но до сих пор не можем получить гармоничную, непротиворечивую и согласованную общую картину, и это отражает фундаментальную проблему современной физики. Наука развивается через постепенное накопление знаний, и часто различные области исследования раскрывают разные аспекты реальности. Это может приводить к временным несоответствиям и противоречиям, пока не будет найден более полный синтез нестыкующихся теорий.
Слово "энтропия" происходит от древнегреческих слов. Оно состоит из двух частей: приставки "эн", что значит "внутри" или "в", и слова "тропи", означающего "поворот", "обращение" или "превращение". Таким образом, буквально "энтропия" можно перевести как "внутреннее превращение" или "внутренний поворот".
Это слово было введено в научный обиход Рудольфом Клаузиусом в середине 19 века для описания меры превращения энергии в термодинамических системах. В контексте термодинамики, энтропия изначально использовалась для описания того, какая часть энергии в системе не может быть использована для выполнения работы, то есть она указывает на степень "неиспользуемости" энергии.
Законы термодинамики были сформулированы благодаря усилиям многих ученых в том же девятнадцатом веке.
Первый закон термодинамики, который является законом сохранения энергии, был разработан в результате работ Джоуля, который проводил эксперименты по измерению эквивалентности работы и тепла, и фон Майера, который также сформулировал принцип сохранения энергии. Их работы показали, что энергия не создается и не уничтожается, а только преобразуется из одной формы в другую.
Второй закон термодинамики, который описывает направление тепловых процессов и введение понятия энтропии, был разработан в основном благодаря работам Клаузиуса и Томсона, более известного как лорд Кельвин. Этот закон объясняет, почему некоторые процессы происходят естественно, а другие нет, и вводит понятие энтропии как меры необратимости процессов.
Третий закон термодинамики, который утверждает, что абсолютный ноль недостижим, был сформулирован Вальтером Нернстом. Этот закон помогает понять поведение веществ при очень низких температурах и имеет ключевое значение в криогенике.
Концепция "теплорода", устаревшая теория о невесомом "тепловом флюиде", которую использовали в начале развития термодинамики, была впоследствии опровергнута благодаря развитию понимания природы тепла и работы, особенно с открытием закона сохранения энергии. Теплород считался носителем тепла, но научное сообщество позже пришло к пониманию, что тепло - это форма энергии, а не отдельное вещество.
В духе прошедших времен, хотя сама теория теплорода была неверна, исследования, основанные на этой идее, оказали значительное влияние на развитие науки и понимание физических явлений. Это яркий пример того, как в научном поиске даже ошибочные теории могут служить ступенькой к новым знаниям и открытиям.
Энтропия считается абстрактной концепцией по нескольким причинам. Во-первых, она не является непосредственно наблюдаемой или интуитивно понятной, в отличие от таких величин, как длина, масса или время. Энтропия описывает степень неупорядоченности или хаоса в системе, но эти качества не всегда ясны на практике.
Чтобы измерить энтропию, обычно используются косвенные методы, основанные на понимании физических свойств системы. Например, в химии и термодинамике энтропию можно измерить, исходя из изменений теплоты и температуры во время химических реакций или физических процессов. Энтропия часто определяется через количество теплоты, переданной системе, поделенное на температуру, при которой передача происходит.
Кроме того, в статистической физике энтропия определяется через количество возможных микросостояний, которые может принимать система. Этот подход еще более абстрактен, поскольку он связан с вероятностными и статистическими расчетами, а не с прямыми физическими измерениями.
В целом, абстрактность энтропии проистекает из ее концептуальной природы и способа, которым она связывает макроскопические наблюдения (такие как тепло и температура) с микроскопическими состояниями системы. Это делает ее фундаментальной, но сложной для наглядного представления величиной в физике.
Расчет энтропии системы в термодинамике осуществляется через анализ изменений, происходящих в системе, и основывается на термодинамических принципах. Одним из основных методов является рассмотрение количества теплоты, передаваемой системе, и температуры, при которой это происходит. При этом важно учитывать, что энтропия - это мера неупорядоченности или случайности в системе, и она может изменяться по-разному в зависимости от типа процесса.
В случае обратимых процессов изменение энтропии можно определить, разделив количество теплоты, переданное системе, на температуру, при которой произошел процесс. Важно отметить, что в реальных условиях большинство процессов являются необратимыми, и для их анализа требуется более сложный подход.
Если процесс в системе происходит при постоянной температуре, изменение энтропии можно приблизительно рассчитать, разделив переданную системе теплоту на эту температуру. Однако в процессах, где температура не остается постоянной, необходимо учитывать изменения температуры на протяжении всего процесса.
Для более сложных систем, таких как химические реакции или изменения состояния вещества, расчет энтропии включает анализ изменений в молекулярной структуре и связанных с ними энергетических процессов. В этих случаях используются специализированные таблицы и уравнения состояния, которые предоставляют информацию о стандартных значениях энтропии для различных веществ и условий.
Таким образом, для расчета энтропии системы необходимо учитывать множество факторов, включая тип процесса, изменения температуры и характеристики самой системы. Этот процесс требует глубокого понимания термодинамики и часто включает использование сложных математических и физических расчетов.
Для обозначения энтропии используется символ S. Единицей энтропии является джоуль на кельвин (Дж/К). Эта единица измерения указывает на количество тепловой энергии (в джоулях), которое добавлено или убрано из системы, поделенное на температуру (в кельвинах), при которой это изменение происходило.
Так что не такое уж это и абстрактное понятие... Тем более, что заменить понятие энтропии чем-то менее абстрактным в термодинамике и других областях физики было бы довольно сложно, так как оно охватывает уникальные и фундаментальные аспекты природы процессов и систем.
С присущей нам с тобой мудростью, дорогой мой читатель, рассудим, что энтропия уникальна тем, что она описывает внутреннюю "неупорядоченность" или "разброс" в системе на молекулярном уровне, что невозможно адекватно представить более простыми или менее абстрактными понятиями.
К слову сказать, с течением времени понятие энтропии расширилось и стало использоваться в различных областях науки, включая физику, информатику и математику, но первоначальное значение, связанное с превращением и внутренними процессами, остается ключевым во всех его интерпретациях.
Если гипотетически представить, что у инопланетян есть своя наука и они исследуют законы физики, то они могли бы вполне прийти к понятию, аналогичному энтропии, если бы исследовали такие же физические явления, как и мы.
Тем не менее, они могли бы подходить к этим вопросам совершенно по-другому, исходя из своих уникальных опыта, культуры и языка. Они могли бы использовать совершенно иные теоретические конструкции или математические модели для описания этих явлений. Так что, пока это остается в области гипотетических предположений. Однако очевидно, что энтропия как научное понятие является продуктом человеческого мышления и попыткой организовать и понять сложные физические процессы в мире вокруг нас.
Научные концепции, включая энтропию, формируются на основе наблюдений, экспериментов и теоретических рассуждений. Они являются способом, с помощью которого мы пытаемся внести порядок в наше восприятие и понимание окружающего мира. В этом смысле энтропия - как и любая другая научная теория или концепция -является конструктом, созданным сознанием для объяснения определенных аспектов реальности.
Тем не менее, это не умаляет ее ценности или точности в рамках научной модели. Энтропия оказалась чрезвычайно полезной для описания и предсказания реальных физических явлений, от термодинамических процессов до информационных теорий. Это означает, что, даже будучи конструктом человеческого сознания, она предоставляет важные и проверяемые способы понимания физической реальности.
С беспечной честностью, признаем, что интеграция различных областей науки, таких как квантовая механика, теория относительности, термодинамика и космология, в единую непротиворечивую теорию - это одна из величайших задач современной физики. Такие усилия включают поиск теории квантовой гравитации, которая могла бы объединить принципы квантовой механики с гравитацией в масштабах всей Вселенной.
Энтропия как физическое понятие и её философские интерпретации отражают разные способы понимания мира. Научное понимание Вселенной продолжает развиваться, и хотя мы еще не имеем полностью согласованной картины всего, каждое новое открытие помогает нам приблизиться к более глубокому и полному пониманию реальности.
Вот ещё несколько простых примеров энтропии в повседневной жизни:
Представь, ты роняешь сахар или специи на кухне. Вначале все крупицы или зёрнышки были аккуратно упакованы в банке - это низкая энтропия. Но как только они рассыпаются по полу, создается беспорядок - это высокая энтропия. Собрать их обратно в таком же порядке практически невозможно.
Как ни странно, когда ребенок играет и разбрасывает игрушки по всей комнате, это тоже увеличивает энтропию. В начале игрушки могут быть аккуратно сложены на полке (низкая энтропия), но потом они разлетаются по разным углам комнаты (высокая энтропия).
Когда ты наливаешь горячий чай или кофе в кружку, он сначала очень горячий. Но со временем тепло распределяется - чай остывает, а комната чуть-чуть нагревается. Энтропия увеличивается, так как тепловая энергия распределяется более равномерно.
Дом, который не ремонтируется, со временем начинает разрушаться. Вначале все элементы находятся в порядке, но с течением времени природные процессы и износ приводят к увеличению беспорядка, то есть к увеличению энтропии.
Эти примеры показывают, как энтропия проявляется в повседневной жизни. Она связана с распределением энергии и материи таким образом, что порядок уменьшается и система становится более хаотичной и менее упорядоченной.
Выходит, поломать легче сем починить?
Да, ты абсолютно прав. Поломать что-то действительно гораздо легче, чем починить. Это напрямую связано с концепцией энтропии в термодинамике.
Создать беспорядок всегда проще, чем восстановить порядок. Например, если разбить стакан, то стекло распадется на множество кусочков, увеличивая энтропию. Собрать эти кусочки обратно в целый стакан - задача невероятно сложная, если вообще возможная.
То же самое касается и других вещей. Порвать бумагу легко, но склеить её обратно так, чтобы она выглядела как новая, почти невозможно. Разрушение требует меньше энергии и усилий, чем восстановление или возвращение к первоначальному состоянию.
Это принцип применим и в более широком контексте. Например, разрушить отношения легче, чем строить их. Построить доверие может занять годы, а разрушить его можно за секунды. Таким образом, энтропия объясняет, почему в мире легче найти хаос, чем порядок.
Хотя не стоит применять физические принципы, такие как энтропия, напрямую к психологии или социальным явлениям, даже при видимом сходстве, это нередко вводит в заблуждение.
Теперь, представь, что у тебя есть робот, который создан для того, чтобы приносить тебе печенье из кухни. Это его единственная задача. Так называемый коэффициент полезного действия (КПД) этого робота - это мера того, насколько эффективно он выполняет свою задачу.
В идеальном мире, если ты пошлешь робота за печеньем, он вернется с целой тарелкой печенья. Это будет 100% КПД - все печенье доставлено без потерь. Но давайте добавим немного энтропии.
Теперь представь, что по пути обратно роботу встречаются различные препятствия: кот, который играет с роботом, ухабистый пол, радиопомехи, магнитные поля и так далее. Из-за всех этих препятствий робот теряет часть печенья. Когда он возвращается, на тарелке остается только половина печенья. Это означает, что КПД робота снижается, потому что он не смог доставить всё печенье целым и невредимым.
Эти потери печенья - это проявление энтропии. В начале был порядок (целая тарелка печенья), но по пути возник хаос (печенье теряется), и конечный результат менее упорядочен, чем начальный. Таким образом, чем больше энтропии (беспорядка и непредвиденных событий) на пути робота, тем ниже его КПД.
Этот пример, конечно, упрощен, но он наглядно показывает, как КПД и энтропия могут работать вместе, даже если это робот, теряющий печенье из-за кота и ухабов на полу!
Что характерно, энтропия и коэффициент полезного действия (КПД) - это два ключевых понятия в физике, особенно в термодинамике, и они взаимосвязаны через принципы энергетической эффективности и необратимости процессов.
С неподдельным восхищением этим миром надо отметить, что коэффициент полезного действия (КПД) - это мера эффективности, с которой система преобразует входящую энергию в полезную работу. Он определяется как отношение полезной работы к общему количеству потребленной энергии. В идеальной, полностью эффективной системе, этот коэффициент равен 1 или 100%, но на практике всегда меньше 1 из-за неизбежных потерь энергии, например, в виде тепла.
Взаимосвязь между энтропией и КПД проявляется, например, в тепловых машинах, таких как двигатели внутреннего сгорания или паровые турбины, часть энергии всегда теряется в виде тепла из-за необратимых процессов, что увеличивает энтропию. Эти потери тепла ограничивают максимально возможный КПД тепловых машин. Например, в цикле Карно, который является идеализированной моделью тепловой машины, максимальный КПД зависит от температур горячего и холодного теплообменников.
Понимание связи между энтропией и КПД имеет большое практическое значение. Оно позволяет инженерам и ученым оптимизировать процессы и оборудование для уменьшения потерь энергии, повышения эффективности и минимизации влияния на окружающую среду.
Между прочим, когда мы говорим об энтропии в контексте образования льда, кажется, что возникает противоречие. Образование льда - это процесс замерзания воды, при котором молекулы воды, переходя из жидкого состояния в твердое, упорядочиваются. Это приводит к мысли, что энтропия должна уменьшаться, так как упорядоченность увеличивается. Однако с точки зрения термодинамики, образование льда сопровождается выделением тепла в окружающую среду. Этот процесс увеличивает общую энтропию системы, включающей в себя и лед, и окружающую среду.
Поэтому, несмотря на кажущееся противоречие, образование льда на самом деле соответствует второму закону термодинамики, который гласит, что общая энтропия замкнутой системы не уменьшается. Это означает, что в масштабах всей системы энтропия либо увеличивается, либо остается неизменной. В случае замерзания воды уменьшение энтропии в результате формирования более упорядоченной структуры льда компенсируется увеличением энтропии окружающей среды из-за выделения тепла. Таким образом, общий баланс энтропии сохраняется или увеличивается, что полностью соответствует основным законам термодинамики.
Как мы сказали, энтропия является ключевым понятием в термодинамике, отражающим степень беспорядка или случайности в изолированной замкнутой системе. Однако, идеально изолированных систем в природе не существует. Все системы в той или иной степени взаимодействуют с окружающей средой, и это влияет на их энтропию.
Неожиданно для всех, в контексте Вселенной, вопрос о том, является ли она замкнутой системой, остается предметом научных дискуссий. Если вселенная является замкнутой системой, то в соответствии с вторым законом термодинамики ее общая энтропия будет увеличиваться со временем, что приведет к состоянию термодинамического равновесия, называемому тепловой смертью вселенной. Однако современные космологические теории, включая теорию Большого взрыва и теорию инфляции, предполагают, что вселенная продолжает расширяться, что усложняет понимание ее термодинамического будущего.
Кроме того, вакуум космического пространства не является пустым. Он наполнен различными полями и виртуальными частицами, которые могут возникать и исчезать, нарушая классическое понимание энтропии. Также современная физика показывает, что на квантовом уровне поведение систем может отличаться от классических ожиданий.
Становится весьма очевидно, что применение второго закона термодинамики к реальным системам и Вселенной в целом требует учета множества факторов и условий. Это делает вопрос о неизменном нарастании энтропии не столь однозначным и открывает простор для дальнейших исследований и обсуждений в научном сообществе.
Абсолютно замкнутая система действительно больше похожа на идеализированное понятие. В физике мы говорим о замкнутых системах как о системах, не обменивающихся энергией или веществом с окружающей средой. Но на практике полностью изолировать систему от внешних воздействий крайне сложно. Всегда есть какие-то минимальные взаимодействия
И действительно, замкнутая система - это идеализированная концепция, которая предполагает полное отсутствие обмена энергией или веществом с внешней средой. Эта модель используется для упрощения изучения физических процессов, позволяя фокусироваться на внутренних взаимодействиях системы, не учитывая влияние внешних факторов.
На практике действительно сложно, а может и невозможно, создать абсолютно замкнутую систему. Даже в самых изолированных системах, таких как вакуумные камеры или криогенные системы, всегда существует некоторый уровень взаимодействия с окружающей средой. Это может происходить в форме теплового излучения, квантовых эффектов или даже гравитационного влияния.
С внутренним смирением признаем, что создание абсолютно замкнутой системы в строгом смысле этого термина фактически невозможно, даже с использованием магнитных ловушек. Магнитные ловушки, чаще всего используемые в исследованиях управляемого термоядерного синтеза, действительно могут изолировать заряженные частицы, такие как плазму, от прямого контакта с материальными стенками контейнера. Однако полная изоляция системы от внешнего мира невозможна
Кто бы мог подумать, но квантовое туннелирование - это еще одно явление, добавляющее сложности в понимание замкнутых систем на квантовом уровне. В классической физике частица не может преодолеть барьер, если у неё недостаточно энергии. Но в квантовой физике существует вероятность, что частица "протуннелирует" через барьер, даже если теоретически это кажется невозможным.
Это явление основывается на волновой природе частиц и принципе неопределенности Гейзенберга. Квантовое туннелирование играет ключевую роль во многих явлениях, включая ядерные реакции в звездах и некоторые типы радиоактивного распада. Также оно имеет практическое применение в квантовых компьютерах и туннельных микроскопах.
С оттенком ностальгии представим себе вечеринку, куда приглашен фокусник, который утверждает, что может пройти сквозь стену. Сначала он становится перед стеной и делает вид, что сосредотачивается. Затем, он начинает медленно двигаться вперед, как будто пытается проникнуть сквозь стену. Конечно, в реальности он не может пройти сквозь стену, так как это нарушает законы физики.
Однако, если бы мы применили к этой ситуации принципы квантовой физики, то на квантовом уровне у частиц, составляющих тело фокусника, была бы небольшая вероятность проникнуть через барьер стены благодаря квантовому туннелированию. Но на макроскопическом уровне, где действуют законы классической физики, такое кажется абсолютно невозможным.
В знак бесконечного уважения к искусству иллюзионистов, отметим, что фокусники, создающие иллюзию прохождения сквозь стены, используют разнообразные трюки и техники, но они не нарушают законы физики. Основной принцип их работы - это мастерство в области иллюзии и обмана восприятия. Один из популярных методов - использование скрытых проходов. Это может быть тайная дверь или другой механизм, который незаметно для зрителей помогает фокуснику переместиться из одной точки в другую. Иногда фокусники используют двойников, которые появляются в определенный момент трюка, создавая впечатление, что фокусник прошел сквозь стену.
Так что, если бы фокусник на вечеринке действительно смог пройти сквозь стену, это было бы не менее чудесно, чем квантовое туннелирование на микроскопическом уровне. Это хорошая аналогия, чтобы показать, как квантовые явления, такие как туннелирование, кажутся невероятными и непостижимыми на уровне нашего повседневного опыта.
Как известно, атомы в основном состоят из пустоты, но это не означает, что мы можем проходить сквозь стены. Основная причина заключается в электрических силах, действующих между атомами. Атом состоит из положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженными электронами. Большая часть объема атома действительно пуста, но электроны создают вокруг ядра своего рода облако.
Когда мы пытаемся прикоснуться к стене, на самом деле наши атомы никогда не соприкасаются с атомами стены. Вместо этого, когда электронные облака атомов в наших руках приближаются к электронным облакам атомов в стене, возникают отталкивающие электрические силы. Эти силы действуют на очень коротких расстояниях, но они чрезвычайно мощные. Они препятствуют тому, чтобы атомы двух разных объектов вошли в прямой контакт друг с другом.
Поэтому, когда мы касаемся стены, мы на самом деле ощущаем силу отталкивания между электронами нашей руки и электронами стены. Эта сила настолько сильна, что не позволяет атомам нашего тела проникнуть сквозь атомы стены, несмотря на то, что оба состоят в основном из пустоты. Это явление является фундаментальным свойством материи и объясняется законами квантовой физики и электромагнетизма.
Если бы мы состояли из нейтрино, ситуация была бы совершенно иной. Нейтрино - это элементарные частицы, которые почти не взаимодействуют с обычным веществом. Они обладают крайне малой массой и почти не реагируют на силы, которые удерживают вместе атомы и молекулы. Это значит, что если бы наше тело состояло из нейтрино, мы действительно могли бы проходить сквозь стены и другие объекты, поскольку нейтрино легко проникают сквозь материю.
По правде говоря, нейтрино постоянно проходят сквозь нашу планету и нас, не оставляя почти никаких следов. Их слабое взаимодействие с веществом объясняется тем, что они не вступают в сильное и электромагнитное взаимодействие, которое доминирует в мире атомов. Они взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия и гравитации, которые оба намного слабее.
Однако, если бы мы состояли из нейтрино, у нас бы не было возможности образовывать стабильные структуры, необходимые для жизни, как мы ее знаем. Мы не смогли бы взаимодействовать с окружающим миром обычным образом: видеть, слышать, ощущать. Все наше восприятие и взаимодействие с миром основано на электромагнитных силах, которые управляют атомами и молекулами. Без этих взаимодействий мы были бы скорее тенями, проходящими сквозь реальный мир, не способными оказывать на него никакого влияния.
Один атом может туннелировать сквозь барьер, включая стену, но это явление - квантовое туннелирование - крайне редкое и происходит только в очень специфических условиях.
С благородной отстраненностью отметим, что в классической физике, если у частицы недостаточно энергии для преодоления барьера, она просто отскакивает обратно. Но в квантовой механике частицы описываются не как точечные объекты, а как волновые функции, которые могут распространяться и в области пространства за барьером. Если волновая функция частицы частично проникает через барьер и достигает другой стороны, существует ненулевая вероятность того, что частица "туннелирует" через барьер.
Стоит отметить, этот процесс чрезвычайно редок для больших объектов, таких как атомы, из-за их относительно большой массы по сравнению с элементарными частицами, но он становится более вероятным на микроскопическом уровне, например, для электронов. Квантовое туннелирование имеет решающее значение во многих явлениях, включая ядерные реакции в звездах и рабочие процессы в некоторых типах полупроводниковых устройств, как туннельные диоды.
В обычных условиях, таких как стена и атомы, составляющие человеческое тело, вероятность туннелирования настолько мала, что ее практически можно исключить. Это явление значительно более реально на микроскопическом уровне, в особенности в квантово-механических системах.
Интересно, что в отличие от твердых тел, где атомы и молекулы расположены близко друг к другу и связаны между собой, в газах атомы и молекулы находятся на значительном расстоянии друг от друга и движутся свободно.
Когда мы перемещаемся сквозь газ, например, воздух, мы не встречаем значительного сопротивления, потому что молекулы газа легко перемещаются и уступают место нашим телам. Это связано с тем, что газы имеют низкую плотность и высокую сжимаемость. Молекулы газа распределены на большом пространстве и когда мы проходим через этот газ, молекулы просто сдвигаются, позволяя нам проходить.
В твердых телах атомы удерживаются на своих местах в кристаллической решетке, и преодолеть электростатические силы, которые удерживают их вместе, невозможно без значительного внешнего воздействия. Напротив, в газах такой структуры нет, поэтому мы можем свободно перемещаться сквозь газовую среду.
Скажем так, в квантовом мире границы того, что возможно и что невозможно, становятся размытыми, и это одна из причин, почему квантовая физика так увлекательна и загадочна. В контексте космологии рассмотрение вселенной как замкнутой системы также имеет свои ограничения и вызывает дополнительные вопросы. Например, при расширении вселенной и появлении новых областей пространства, понятие замкнутости становится еще более абстрактным.
Следовательно, хотя концепция замкнутой системы является важным инструментом в физике, ее применение на практике всегда связано с некоторыми оговорками и ограничениями. Это подчеркивает важность учета возможных внешних воздействий и взаимодействий при изучении физических систем.
Первый закон термодинамики, также известный как закон сохранения энергии, гласит, что энергия не создается и не уничтожается, она только переходит из одной формы в другую.
С бликом веселья в глазах представь себе бутылку холодного пива, которую ты вынимаешь из холодильника. Пиво в бутылке обладает определенным количеством внутренней энергии, которая в основном представлена в виде тепловой энергии. Когда ты оставляешь бутылку на столе в более теплой комнате, энергия из окружающей среды передается пиву. То есть, тепловая энергия из воздуха комнаты переходит в пиво, увеличивая его температуру.
В комнате, где температура выше, молекулы воздуха движутся быстрее из-за их более высокой кинетической энергии. Это Броуновское движение, случайное и хаотичное, приводит к тому, что молекулы воздуха сталкиваются с поверхностью бутылки с пивом. При каждом столкновении происходит передача части их энергии стеклу бутылки, что является процессом теплообмена.
По сути, стекло бутылки, обладая определенной теплопроводностью, принимает эту энергию и передает ее дальше, внутрь к пиву. Теплопроводность стекла определяет, насколько эффективно оно передает тепло. Хотя стекло и не самый лучший проводник тепла, оно все же достаточно эффективно для того, чтобы передать тепло от внешней среды к содержимому бутылки.
Внутри бутылки молекулы пива также находятся в постоянном движении, которое усиливается по мере увеличения их температуры. По мере того как тепло передается от стекла к пиву, энергия молекул пива увеличивается, что приводит к ускорению их движения. Это ускоренное движение молекул пива и есть признак повышения его температуры.
Таким образом, Броуновское движение молекул воздуха, теплопроводность стекла бутылки и Броуновское движение молекул пива вместе способствуют процессу теплообмена, в результате которого пиво нагревается до температуры окружающей среды.
В свою очередь молекулы воздуха, которые движутся быстро из-за более высокой температуры, сталкиваются с более холодной поверхностью бутылки. При каждом таком столкновении часть кинетической энергии молекул воздуха передается бутылке. Это уменьшает среднюю кинетическую энергию молекул воздуха, что, согласно определению температуры на молекулярном уровне, означает снижение температуры воздуха.
То есть, когда энергия передается от теплого воздуха к холодной бутылке, воздух теряет часть своей энергии, что ведет к его охлаждению. Хотя это изменение температуры воздуха может быть незначительным и неощутимым в большой комнате, на микроскопическом уровне происходит реальный перенос энергии.
С тайным ожиданием неоспоримых выводов, важно понимать, что этот процесс теплообмена ведет к попытке достижения термодинамического равновесия. Воздух отдает тепло бутылке до тех пор, пока температуры не выравняются, что в идеальной ситуации приводит к одинаковой температуре воздуха и пива. Однако, в реальности, постоянное взаимодействие с окружающей средой и другими факторами, такими как тепловые потери, делает достижение идеального теплового равновесия сложным.
Вот тут и проявляется первый закон термодинамики: общее количество энергии (в данном случае тепловой) в системе (пиво плюс окружающая среда) остается постоянным. Энергия просто переходит от более теплой среды к более холодному пиву, пока температуры не уравновесятся.
Когда ты в вихре эмоций, морщась пьёшь теплое пиво, которое раньше было холодным, ты наблюдаешь первый закон термодинамики в действии: энергия из комнаты перешла в пиво, но общее количество энергии осталось неизменным.
Второй закон термодинамики наиболее точно применим к абсолютно замкнутым системам, но его важность и значимость выходят за рамки этих идеализированных условий. Этот закон утверждает, что общая энтропия изолированной системы не уменьшается со временем, что часто интерпретируется как увеличение беспорядка или случайности.
Хотя в реальном мире абсолютно замкнутых систем не существует, второй закон термодинамики все равно остается чрезвычайно полезным для понимания поведения реальных систем. Он позволяет предсказывать направление термодинамических процессов и оценивать эффективность тепловых машин и других систем.
В прикладной термодинамике и инженерии этот закон применяется даже в условиях, когда системы не являются полностью изолированными. Например, в химической реакции в закрытом реакторе или в тепловом двигателе. Хотя эти системы обмениваются энергией с окружающей средой, они могут быть приближенно рассмотрены как замкнутые для анализа их термодинамических свойств.
Таким образом, второй закон термодинамики не ограничивается только абсолютно замкнутыми системами, хотя в таких условиях его следствия проявляются наиболее ясно. Он остается фундаментальным принципом, который помогает понимать и предсказывать поведение широкого спектра физических систем.
Очень важно осознать, что увеличение энтропии не равносильно уменьшению энергии. Это два разных, хотя и взаимосвязанных аспекта термодинамики. Энтропия относится к распределению энергии в системе, а не к её общему количеству. Когда энтропия системы увеличивается, это означает, что энергия распределяется более равномерно по системе.
В волшебном предвкушении развязки, стоит признать, что это размазывание энергии может привести к ситуации, когда энергия становится менее доступной для выполнения работы. Например, в тепловом двигателе высокая энтропия означает, что часть энергии топлива преобразуется не в полезную работу, а в тепло, которое рассеивается в окружающую среду. Таким образом, хотя общее количество энергии в системе остается постоянным (согласно первому закону термодинамики), ее способность выполнять работу уменьшается из-за увеличения энтропии.
В более широком смысле это явление объясняет, почему в изолированных системах со временем устанавливается термодинамическое равновесие: энергия распределяется таким образом, что становится максимально равномерной по всей системе, и нет больше возможности для осуществления спонтанных процессов, требующих переноса энергии.
В легком замешательстве, признаем, что понимание отличия между энергией и энтропией является ключевым для осознания многих фундаментальных принципов термодинамики и для правильного интерпретирования термодинамических процессов в природе и технологиях.
Итак, в термодинамике, энтропия показывает, насколько хорошо или плохо мы можем использовать энергию в системе для выполнения работы. Если энергия рассеивается или теряется, например, в виде тепла, то энтропия увеличивается, и мы не можем использовать всю эту энергию эффективно.
Также энтропия есть в статистической физике. Здесь она помогает понять, насколько вероятно найти систему в определенном состоянии. Это как подбросить кучу монет - сколько будет орлов и решек? Энтропия поможет понять, насколько вероятно получить разные комбинации.
В информатике и теории информации энтропия - это способ измерения неопределенности или "неожиданности" информации. Например, если у тебя есть сообщение, где каждая буква появляется с одинаковой вероятностью, то энтропия этого сообщения будет высокая, потому что предсказать следующую букву сложно.