Comments 67
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?
Вы почти что придумали Антропный принцип. :)
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.
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.
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.
Понятно, что затруднительно подсчитать количество благоприятных и неблагоприятных вариантов для разбитого яйца чтобы подсчитать вероятность его восстановления. Но можно же упростить задачу. Взять некую ситуацию, где мы можем пересчитать и оценить все варианты конфигурации системы. И посмотреть, сводится ли всё к тому, что нужные нам состояния составляют меньшую часть от возможных, или всё же есть некий дополнительный фактор, когда система стремиться упроститься и выбрать макросостояние, которому соответствует наибольшее количество микросостояний. Если этот дополнительный фактор есть, то мы получим, что вероятность нужных нам состояний оказывается меньше, чем вычисленная теоретически. Если же вычисленная вероятность появления "хороших" состояний совпадёт с определённой экспериментально, значит дополнительный фактор обнаружен не был.
Я понял вашу мысль. Второе начало термодинамики является следствием (или другой формой) Закона больших чисел. Вот это, действительно, похоже на правду. Скорее всего, никакого "дополнительного фактора" нет. Кроме того, это устанавливает реальный мостик во-первых, между физикой и математикой. ЗБЧ становится законом природы, а не только математики. С другой стороны, между микро- и макро-физикой. Оказывается, наш ньютоновский мир тоже управляется вероятностями, как и квантовый мир. За исключением идеализированных случаев.
Два газа в одном объеме смешиваются, а не разделяются.
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
Тогда время - это статистическая метрика. Собственно атомные часы так же на статистическом периоде состояний работают.
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.
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
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.
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.
Еще один философский вопрос про определение живое и неживое не буду сейчас беспокоить.
Жизнь [в известном нам виде] — процесс репликации полимеров нуклииновых кислот 🙃
В следующий раз когда мама, жена, подруга (нужное подчеркнуть) будет требовать навести порядок в своих вещах - давайте им ссылку на эту статью. Обстоятельства непреодолимой силы.
Энтропия может уменьшаться за счёт внешних источников энергии. Так что следует аккуратнее следовать совету, подруга может уменьшить вашу личную энтропия посредством леща
Порядок 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".
Не 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.
А так-то да — любая система, чьё поведение удовлетворяет три закона термодинамики может и будет описываться термодинамикой. Ну просто по определению.
Правильно — 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).
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…
В 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".
Правильно — 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.
Есть 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.
Почему, «склонность атомов к структуризации увеличивает энтропию», когда буквально в следующем предложении «в разбитом яйце вариантов размещения молекул больше, чем в целом»?
Могу 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))
Но это же перевод, а плашки нет.
Вселенная 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.
Объективно 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.
Что-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.
Читал 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...
Демон 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 ?
А про хранение всего массива в памяти — действительно, зачем бы это могло понадобиться
Для 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?
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.
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.html
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.
реальному демону нужно провести реальный процесс измерения и оценки каждой молекулы, уже для одного этого нужны ресурсы, в т.ч. и памяти
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.
Вселенная настолько сложная, что люди принимают то, что видят, за хаос )))
А 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.
Все просто. Энтропия - это сила, направленная на разрушение замысла творца. Мир был сотворен из хаоса, а теперь творение разрушается, стремясь вернуться к первоначальному состоянию. )
А нельзя ли свести энтропию к закономерностям переходов энергии систем? А то как-то порядок, беспорядок, как-то не очень понятно.
Стоит 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?
Для начала расшифруйте, что за стрела такая.
Фундаментальное 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.
Что-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.
Не, 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.
Что 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?
Есть занятный научпоп за авторством Тора Норретрандеса "Иллюзия пользователя: урезание сознания в размерах". Там вопрос энтропии неплохо освещается в первой же главе.
Неправильно поставлен вопрос: не "почему", а ЗАЧЕМ? :))
Термодинамика 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.
Второй 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.
Вот 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.
шикарная статья. спасибо
Вселенная стремится к беспорядку — но никто не знает, почему