Може да ја намали ентропијата; Змејови живеат тука
Фактот дека ентропијата никогаш не може да се намали е еден од најважните закони на физиката, познат како „втор закон за термодинамика“. (Не грижи се, ако не знаеш што е ентропија, ќе го разјасниме тоа за момент). Оваа реченица е толку фундаментална што Артур Едингтон рече за тоа (во еден од моите омилени цитати):
Ако некој ви укаже дека теоријата на вашето домашно милениче за универзумот не се согласува со равенките на Максвел - тогаш многу полошо за
Равенки на Максвел. Ако се утврди дека тоа е противречено од набудување - добро, овие експерименталисти прават работи
понекогаш. Но, ако се утврди дека вашата теорија е спротивна на вториот закон за термодинамика, не можам да ви дадам надеж; нема ништо за тоа освен да
колапс во најдлабоко понижување.
[Во случај некој да ви покаже дека вашата омилена теорија за универзумот не одговара на равенките на Максвел - лоша среќа за нив
Равенки на Максвел. Ако набудувањата contrad противречат, добро, овие експериментатори понекогаш се заебаваат. Но, ако вашата теорија не се согласува со вториот закон за термодинамика, тогаш не можам да ви дадам надеж; таа нема друг избор освен да пропадне во длабок срам.]
На кратко, вториот закон за термодинамика е доста фундаментален. Дотолку повеќе зачудувачки што тоа всушност не важи, или барем не секогаш ако погледнете внимателно - и тоа е она што го правиме денес. Да биде кратко. Да, ентропијата исто така може да се намали. Сепак, тоа е многу, многу малку веројатно.
Модел на играчки
Како што често се случува во физиката, работите најдобро се разбираат со едноставен пример, модел на играчка. Замислуваме кутија исполнета со некаков вид на молекули на гас или атоми (ако се двоумите, само помислете на просторијата во која седите, но помислете на гравитацијата, тоа едноставно ги прави работите непотребно комплицирани). Во физиката, температурата е мерка за брзината на атомите на гасот, сè додека температурата не е еднаква на нула, па затоа атомите на гасот се движат наоколу во кутијата.
Замислете дека атомите на гасот се на еден агол на почетокот (можеби таму има шише со гас што ќе го вклучите) додека остатокот од кутијата е празен - вакуум. Атомите на гас во шишето брзаат низ областа, летаат тука и таму, и порано или подоцна некој лета надвор од шишето и влегува во големата кутија. Веројатноста дека повторно ќе лета во шишето преку вратот на шишето е секако мала. Значи, по некое време, гасот е рамномерно распореден во кутијата, насекаде има приближно ист број на атоми. (Дури и во шишето, ако атомите на гас се рамномерно распоредени, тогаш во просек за секој атом што лета надвор низ вратот на шишето, еден исто така лета во шишето.)
Значи, сега имаме кутија во која густината на честичките (а исто така и притисокот на честичките итн.) Е иста насекаде, нашиот систем е во она што е познато како „термодинамичка рамнотежа“. Исто така, гледате дека нема ништо посебно или мистериозно во тоа; тоа е само прашање на случајност и статистика.
Микро и макро
Да бидеме малку попрецизни, мора да направиме разлика помеѓу два различни начина на опишување на системот: микро и макро поглед. Во микро приказот, претпоставуваме дека знаеме сè за системот, некако како Фејсбук погледот на бензинот. Знаеме точно каде е секој атом, која брзина е итн. Значи, знаеме каде е атомот на гас број 1 во моментов, или бројот 12345678, итн.
Другото гледиште е макро погледот, каде што не гледаме премногу внимателно. Не се прашуваме што прави секој поединечен атом на гас, туку само што прават сите во просек. Ова е, така да се каже, политичко гледиште на нештата - на партиите не им е грижа дали ќе бидат избрани од Лиешен Милер или Ото Мејер, на крајот се важни само процентите. Во нашиот гас, нè интересираат само променливи што можеме да ги измериме макроскопски, на пример густината или притисокот во гасот. Ова е исто така ставот што го имаме во секојдневниот живот - кога земам здив, важно е само да има атом на гас (или молекула на кислород) за да дишам, но навистина не ми е грижа дали дишам во број 1 или број 12345678.
Ајде ментално да ја поделиме кутијата на половина. Сега можеме да се запрашаме: Дали не може да се случи случајно една од двете половини да биде целосно празна затоа што сите атоми на гас се собрани во другата половина? На крајот на краиштата, сите тие случајно паѓаат наоколу во областа (ако сакате да бидете прецизни, можете да зборувате за „детерминистички хаос“). Во секој случај, да имаше само еден атом на гас, тогаш половина од кутијата секогаш ќе беше празна; со два атома на гас имаме 50% шанси една од двете половини да биде празна (атомите можат да бидат лево или десно, така што имаме LL, LR, RL, RR како опции). Но, колку повеќе атоми на гас има, толку е помала веројатноста да стане.
Ајде да прашаме конкретно колку е веројатно левата страна на контејнерот да е празна. Со еден атом на гас вредноста е 50%, со двајца само 25%, со три само 12,5%, итн. 000000000000000000000000000001 (ако не згрешив со нулите), и со реални броеви на атоми на гас (по редослед од 10 23) веројатноста тогаш е неверојатно мала.
Важно е секогаш да се има предвид дека тоа не е затоа што некако е малку веројатно еден атом да биде на едната или на другата страна, тоа е само прашање на статистика. (Исто како што може да има 30% шанса за кое било лице да гласа за партијата XY; но затоа сите луѓе гласаат за XY е неверојатно веројатно.)
ентропија
Ентропијата сега е точно со големината што требаше да го фати овој статистички ефект. Во него се вели колку можности има да се комбинира одредена макроскопска состојба преку микро-држави. (Математички, земате логаритам, така што бројките да не станат толку огромни, но тоа на почетокот не е важно.) На нашиот пример има неверојатен број начини за дистрибуција на атомите на гасот, така што да има точно ист број лево и десно, но значително помалку, каде што има двојно повеќе лево отколку што се наоѓаат десно, и само многу малку, каде што сите атоми на гас се лево. Ова е едноставно прашање на статистика, но бидејќи имаме работа со голем број гасови атоми, веројатноста да се добие значително отстапување од статистичкото предвидување е исклучително мала.
Така што ентропијата секогаш се зголемува е едноставно прашање на статистика: бројот на начини на кои атомите на гасот можат рамномерно да се распределат е неверојатно многу поголем од бројот на начини на кои атомите на гасот се наоѓаат на едната страна од кутијата статистиката едноставно гарантира дека добивате една состојба (скоро) секогаш, а другата (скоро) никогаш.
Досега добро. Но, ако обрнавте големо внимание, забележавте дека мојата дефиниција за ентропија (или макростатијата, на која се однесува) е малку нејасна: Што ако не ја разделам кутијата ментално на два дела, туку на четири? Ги менува броевите малку, но сепак е проклето тешко дека некој од четирите парчиња ќе биде целосно празен. Но, ако земам 8? 16? Милион? Еден билион? Најдоцна кога ќе ја поделам кутијата на повеќе делови отколку што имам атоми во кутијата, еден од деловите исто така ќе биде празен.
Секако може да се тврди дека тие навистина не се веќе макро состојби. Правилно Но, каде точно е границата помеѓу макро и микро? Колку делови од кутијата сè уште се сметаат за макростат, кога е микродржава?
Ако размислите вака, ќе откриете дека дефиницијата за ентропија е малку непрецизна. За практични цели, тоа навистина не е важно - сè додека не ги правите парчињата премногу ситни, не е важно колку точно ја делите кутијата. Меѓутоа, во областа на нано, ова е веќе важно - луѓето кои се занимаваат со проток на гас низ мембрани со големина на порите во опсег од неколку стотици нанометри, на пример, забележуваат дека вообичаените правила на механиката на течности и термодинамиката веќе не важат веќе нема толку многу атоми насекаде што просекот секогаш работи добро.