Беспорядок может только расти. Поэтому время не умеет идти назад

Чашка кофе на столе остывает, и никто не ждёт, что однажды она сама нагреется, забрав тепло у воздуха. Физики XIX века обнаружили, что за этой скучной картиной стоит один из самых строгих законов природы: беспорядок во Вселенной может только расти. Из него следует, почему невозможен вечный двигатель. А ещё — почему мы помним вчерашний день и не помним завтрашний.

Паровые машины работали, но никто не понимал почему

В начале XIX века паровые машины уже качали воду из шахт и крутили станки, но теория за ними отставала. Тепло считали невидимой жидкостью — теплородом, который перетекает из горячего тела в холодное. Инженеры улучшали машины на ощупь и не знали, есть ли у мощности предел.

В 1824 году молодой французский инженер Сади Карно выпустил тонкую книгу «Размышления о движущей силе огня». Он сравнил тепло с водой на мельнице: колесо крутится, только пока вода падает сверху вниз. Так и тепловая машина даёт работу, лишь когда тепло переходит от горячего к холодному.

Отсюда Карно вывел неожиданное: даже идеальная машина без трения не превратит всё тепло в работу. Часть неизбежно уходит в холод. Книгу почти не заметили, а сам Карно умер от холеры в 36 лет. Его мысль ждала того, кто увидит в ней закон всей природы.

Клаузиус дал неизбежной потере имя

Им стал немецкий физик Рудольф Клаузиус. В 1850 году он сформулировал то, что теперь называют вторым началом термодинамики: тепло само по себе не переходит от холодного тела к горячему. Годом позже британец Уильям Томсон, будущий лорд Кельвин, сказал то же иначе: нельзя построить машину, которая только охлаждает одно тело и целиком превращает это тепло в работу.

В 1865 году Клаузиус ввёл величину, которая измеряет эту необратимость, и назвал её энтропией — от греческого слова «превращение». В замкнутой системе энтропия либо остаётся прежней, либо растёт, но никогда не убывает. Первое начало говорит, что энергия сохраняется. Второе добавляет жёсткую поправку: энергия не исчезает, но всё время обесценивается, растекаясь теплом.

Вечный двигатель стал невозможен в принципе, а не из-за нехватки таланта у изобретателей. Парижская академия наук перестала рассматривать такие проекты ещё в 1775 году, но лишь теперь стало ясно, почему они обречены. Оставалось понять, что такое энтропия на самом деле.

Закон оказался не запретом, а игрой вероятностей

Ответ в 1870-х годах дал австриец Людвиг Больцман. Он предложил смотреть на газ как на огромную толпу молекул. Энтропия, по Больцману, считает, сколькими способами молекулы могут расположиться так, что снаружи мы не заметим разницы. Порядок — редкое расположение, хаос — подавляющее большинство всех возможных.

Представьте новую колоду карт, разложенную по мастям. Перетасуйте её — и получите беспорядок. Тасуйте хоть всю жизнь, колода почти наверняка не вернётся к исходному виду: упорядоченный вариант один, а всех возможных — число из шестидесяти восьми цифр. Никакой закон не запрещает картам сложиться обратно. Это просто невероятно до абсурда.

Вот самое поразительное в этой истории: второе начало — не железный запрет, а статистика. Кофе может сам нагреться, но для этого триллионы триллионов молекул должны случайно действовать заодно, и ждать пришлось бы несравнимо дольше, чем существует Вселенная. Формула Больцмана S = k log W высечена на его надгробии в Вене. И из неё следует нечто ещё более странное.

Время течёт вперёд, потому что беспорядок растёт

Законы механики для отдельной молекулы не различают прошлое и будущее: фильм о столкновении двух бильярдных шаров, пущенный задом наперёд, выглядит правдоподобно. Но разбитое яйцо, которое собирается обратно, мы распознаем мгновенно. Разницу создаёт только рост энтропии. В 1927 году британский астроном Артур Эддингтон назвал это «стрелой времени».

Стрела объясняет даже память. Чтобы что-то запомнить, мозг или жёсткий диск оставляют след, и запись сопровождается выделением тепла. Поэтому мы помним прошлое — то направление, где беспорядка было меньше.

Честная оговорка: закон надёжен для огромного числа частиц, а для горстки молекул он лишь вероятен. Главная загадка до сих пор открыта — почему в начале Вселенная находилась в состоянии с поразительно низкой энтропией. Зато точно известно, где закон работает каждый день.

Читайте также: Горы растут со скоростью ногтя. Так люди открыли глубокое время

Энтропия правит холодильником, клеткой и нейросетью

Холодильник не нарушает второе начало: он наводит холод внутри, выбрасывая ещё больше тепла через решётку сзади. Так же устроена жизнь. В 1944 году Эрвин Шрёдингер в книге «Что такое жизнь?» описал организм как систему, которая держит внутренний порядок, увеличивая беспорядок вокруг.

В 1948 году Клод Шеннон назвал энтропией меру неопределённости сообщения, и формула вышла почти той же, что у Больцмана. В 1961 году Рольф Ландауэр из IBM показал: стирание одного бита неизбежно выделяет тепло, и это физический предел для любых компьютеров. А нейросети учатся, уменьшая «перекрёстную энтропию» — меру расхождения их догадок с правильными ответами.

Каждая живая клетка, каждый процессор и каждая остывающая чашка — маленькие мельницы Карно на одном и том же потоке, текущем от порядка к беспорядку. Повернуть этот поток вспять нельзя. Но, поняв его, человечество научилось ставить на нём колёса. Другие истории об идеях, изменивших мир, — в наших статьях.

Ещё в «Высоких технологиях»

Болото дубит кожу, как кожевник, но забирает у тела скелетГоды ускоряются не из-за часов. Их задним числом сжимает памятьСоздатели ИИ боятся своей работы. Главная угроза — в петле самоулучшения

Все материалы раздела →