Небольшие песчаные замки, медленно стирающиеся в пустыне ветром, наглядно демонстрируют связь между распадом, случайностью и понятием энтропии или мерой беспорядка, хаоса.
Понятие энтропии в термодинамике — мера рассеяния энергии, в физике вероятность осуществления чего-либо огромного, в математике — мера неопределенности какой-либо системы.
Характеристика состояния
Песчаный замок состоит из множества мелких песчинок, из которых складывается специфическая форма — форма замка. Скажем, в нашем маленьком замке миллион песчинок. Мы можем взять этот миллион песчинок и вместо того, чтобы тщательно упорядочить их в замке, просто положить их на землю. Так они образуют кучу песка. Мы бы, по меньшей мере, удивились, если бы наши песчинки, упав на землю, собрались в замок. Но почему этого не произошло? В чем разница между кучей песка и песчаным замком? Они состоят из одинакового количества песчинок, и обе фигуры, очевидно, представляют собой определенным образом сложенные песчинки. Это не стохастические фракталы представляющие переплетение структур.
Определение энтропии Больцмана — по существу математическое описание разницы между песчаным замком и кучей песка. Оно говорит, что понятие энтропии — это количество способов, которыми вы можете переупорядочить составные части чего бы то ни было и при этом не заметить, что именно вы сделали.
Для создания песчаного замка способов, которыми вы можете организовать песчинки и сохранить его высоко упорядоченную форму, довольно мало, и, следовательно, он имеет низкую энтропию. С другой стороны, что бы вы ни делали, куча песка все равно останется кучей песка в пустыне, неотличимой от любой другой кучи песка. Куча песка, следовательно, имеет более высокую энтропию, чем песчаный замок, просто потому, что есть еще много разных способов организации песчинок в куче песка, намного больше, чем для постройки замка.
Нет такого закона природы, который остановил бы ветер, сдувающий песчинку с одной из башен нашего замка, а затем поднял бы другую песчинку из пустыни и бросил ее обратно на то же самое место башни, оставляя наш замок совершенно неизменным. Ничто не может заставить ветер так поступить, кроме чистой случайности. Гораздо более вероятно, что песчинки, сдуваемые с замка, не заменятся другими песчинками из пустыни, и поэтому наш замок постепенно распадется, то есть превратится в бесформенную кучу песка. Вот глубокая причина того, что энтропия всегда возрастает: это просто более вероятно! Обратите внимание, что нет никакого закона природы, препятствующего ее снижению. Вполне возможно, что ветер тоже может строить песчаные замки, но, скорее всего, из этого ничего не выйдет. Методы прогнозирования также это подтверждают.
Статистическое определение энтропии Больцмана — это ключ к пониманию направленности от прошлого к будущему.
Есть миллионы различных способов организации горсти песчинок, 999 999 и более способов сформируют неупорядоченные груды песка, но только 1 способ сформирует красиво упорядоченный замок. Если вы продолжаете бросать песчинки в воздух, они, как правило, приземляются в форме неупорядоченной кучи. Таким образом, с течением времени, если существует такая сила, как ветер, которая переорганизует предметы, все станет менее упорядоченным просто потому, что способов создания неупорядоченных структур гораздо больше, чем упорядоченных.
Это означает, что есть разница между прошлым и будущим: прошлое более упорядочено, а будущее будет менее упорядоченным, потому что это наиболее вероятный путь развития событий.
Это то, что будущее более случайно, чем прошлое. И именно поэтому понятие энтропии подразумевает что она возрастает.
Энтропия Вселенной
Но откуда взялся весь порядок во Вселенной?
И как попала сюда Земля? Она тоже очень упорядочена.
И как появился Млечный Путь, если он состоит из миллиардов упорядоченных миров, вращающихся вокруг миллиардов упорядоченных звезд? Должна же быть причина тому, почему Вселенная началась с такого высоко упорядоченного состояния, что она может, например, постепенно распадаться на куски, утрачивая свою первоначальную упорядоченность.
Ответ таков: мы не знаем, почему Вселенная началась с достаточно стройного и строгого порядка, позволившего появиться планетам, звездам и галактикам. Понятно, как гравитация может создавать локальный порядок в виде солнечных систем и звезд, но это должно происходить за счет создания большого беспорядка в другом месте. Должно же было быть очень много порядка, чтобы было, с чего начать.
Другими словами, Вселенная родилась в очень упорядоченном состоянии, и тому должна быть какая-то причина. Вряд ли это было случайностью, поскольку, по определению, весьма упорядоченное состояние с меньшей вероятностью выльется в не менее упорядоченное существование: песчаный замок имеет меньше шансов быть сформированным ветрами пустыни, чем куча песка. Так как же так случилось, что Вселенная сейчас гораздо менее упорядочена, чем 13,75 миллиарда лет назад?
Это означает, что гораздо более вероятно, что наша Вселенная возникла за миллиардную долю секунды, полностью сформировав планеты, звезды, галактики и людей, чем то, что Вселенная выскочила из Большого Взрыва в крайне упорядоченном состоянии. Есть явно что-то такое увлекательное в энтропии ранней Вселенной, чего мы до сих пор не понимаем.
