Законы энтропии что такое
Энтропия? Это просто!
Этот пост является вольным переводом ответа, который Mark Eichenlaub дал на вопрос What’s an intuitive way to understand entropy?, заданный на сайте Quora
Энтропия. Пожалуй, это одно из самых сложных для понимания понятий, с которым вы можете встретиться в курсе физики, по крайней мере если говорить о физике классической. Мало кто из выпускников физических факультетов может объяснить, что это такое. Большинство проблем с пониманием энтропии, однако, можно снять, если понять одну вещь. Энтропия качественно отличается от других термодинамических величин: таких как давление, объём или внутренняя энергия, потому что является свойством не системы, а того, как мы эту систему рассматриваем. К сожалению в курсе термодинамики её обычно рассматривают наравне с другими термодинамическими функциями, что усугубляет непонимание. 
Так что же такое энтропия?
Энтропия — это то, как много информации вам не известно о системе
Например, если вы спросите меня, где я живу, и я отвечу: в России, то моя энтропия для вас будет высока, всё-таки Россия большая страна. Если же я назову вам свой почтовый индекс: 603081, то моя энтропия для вас понизится, поскольку вы получите больше информации.
Почтовый индекс содержит шесть цифр, то есть я дал вам шесть символов информации. Энтропия вашего знания обо мне понизилась приблизительно на 6 символов. (На самом деле, не совсем, потому что некоторые индексы отвечают большему количеству адресов, а некоторые — меньшему, но мы этим пренебрежём). 
Или рассмотрим другой пример. Пусть у меня есть десять игральных костей (шестигранных), и выбросив их, я вам сообщаю, что их сумма равна 30. Зная только это, вы не можете сказать, какие конкретно цифры на каждой из костей — вам не хватает информации. Эти конкретные цифры на костях в статистической физике называют микросостояниями, а общую сумму (30 в нашем случае) — макросостоянием. Существует 2 930 455 микросостояний, которые отвечают сумме равной 30. Так что энтропия этого макросостояния равна приблизительно 6,5 символам (половинка появляется из-за того, что при нумерации микросостояний по порядку в седьмом разряде вам доступны не все цифры, а только 0, 1 и 2).
А что если бы я вам сказал, что сумма равна 59? Для этого макросостояния существует всего 10 возможных микросостояний, так что его энтропия равна всего лишь одному символу. Как видите, разные макросостояния имеют разные энтропии.
Пусть теперь я вам скажу, что сумма первых пяти костей 13, а сумма остальных пяти — 17, так что общая сумма снова 30. У вас, однако, в этом случае имеется больше информации, поэтому энтропия системы для вас должна упасть. И, действительно, 13 на пяти костях можно получить 420-ю разными способами, а 17 — 780-ю, то есть полное число микросостояний составит всего лишь 420х780 = 327 600. Энтропия такой системы приблизительно на один символ меньше, чем в первом примере.
Мы измеряем энтропию как количество символов, необходимых для записи числа микросостояний. Математически это количество определяется как логарифм, поэтому обозначив энтропию символом S, а число микросостояний символом Ω, мы можем записать:
Это есть ничто иное как формула Больцмана (с точностью до множителя k, который зависит от выбранных единиц измерения) для энтропии. Если макросостоянию отвечают одно микросостояние, его энтропия по этой формуле равна нулю. Если у вас есть две системы, то полная энтропия равна сумме энтропий каждой из этих систем, потому что log(AB) = log A + log B. 
Из приведённого выше описания становится понятно, почему не следует думать об энтропии как о собственном свойстве системы. У системы есть опеделённые внутренняя энергия, импульс, заряд, но у неё нет определённой энтропии: энтропия десяти костей зависит от того, известна вам только их полная сумма, или также и частные суммы пятёрок костей.
Другими словами, энтропия — это то, как мы описываем систему. И это делает её сильно отличной от других величин, с которыми принято работать в физике.
Физический пример: газ под поршнем
Классической системой, которую рассматривают в физике, является газ, находящийся в сосуде под поршнем. Микросостояние газа — это положение и импульс (скорость) каждой его молекулы. Это эквивалентно тому, что вы знаете значение, выпавшее на каждой кости в рассмотренном раньше примере. Макросостояние газа описывается такими величинами как давление, плотность, объём, химический состав. Это как сумма значений, выпавших на костях.
Величины, описывающие макросостояние, могут быть связаны друг с другом через так называемое «уравнение состояния». Именно наличие этой связи позволяет, не зная микросостояний, предсказывать, что будет с нашей системой, если начать её нагревать или перемещать поршень. Для идеального газа уравнение состояния имеет простой вид:
Величины типа давления, температуры и плотности называются усреднёнными, поскольку являются усреднённым проявлением постоянно сменяющих друг друга микросостояний, отвечающих данному макросостоянию (или, вернее, близким к нему макросостояниям). Чтобы узнать в каком микросостоянии находится система, нам надо очень много информации — мы должны знать положение и скорость каждой частицы. Количество этой информации и называется энтропией.
Как меняется энтропия с изменением макросостояния? Это легко понять. Например, если мы немного нагреем газ, то скорость его частиц возрастёт, следовательно, возрастёт и степень нашего незнания об этой скорости, то есть энтропия вырастет. Или, если мы увеличим объём газа, отведя поршень, увеличится степень нашего незнания положения частиц, и энтропия также вырастет.
Твёрдые тела и потенциальная энергия
Если мы рассмотрим вместо газа какое-нибудь твёрдое тело, особенно с упорядоченной структурой, как в кристаллах, например, кусок металла, то его энтропия будет невелика. Почему? Потому что зная положение одного атома в такой структуре, вы знаете и положение всех остальных (они же выстроены в правильную кристаллическую структуру), скорости же атомов невелики, потому что они не могут улететь далеко от своего положения и лишь немного колеблются вокруг положения равновесия. 
Если кусок металла находится в поле тяготения (например, поднят над поверхностью Земли), то потенциальная энергия каждого атома в металле приблизительно равна потенциальной энергии других атомов, и связанная с этой энергией энтропия низка. Это отличает потенциальную энергию от кинетической, которая для теплового движения может сильно меняться от атома к атому.
Если кусок металла, поднятый на некоторую высоту, отпустить, то его потенциальная энергия будет переходить в кинетическую энергию, но энтропия возрастать практически не будет, потому что все атомы будут двигаться приблизительно одинаково. Но когда кусок упадёт на землю, во время удара атомы металла получат случайное направление движения, и энтропия резко увеличится. Кинетическая энергия направленного движения перейдёт в кинетическую энергию теплового движения. Перед ударом мы приблизительно знали, как движется каждый атом, теперь мы эту информацию потеряли.
Понимаем второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия (замкнутой системы) никогда не уменьшается. Мы теперь можем понять, почему: потому что невозможно внезапно получить больше информации о микросостояниях. Как только вы потеряли некую информацию о микросостоянии (как во время удара куска металла об землю), вы не можете вернуть её назад. 
Давайте вернёмся обратно к игральным костям. Вспомним, что макросостояние с суммой 59 имеет очень низкую энтропию, но и получить его не так-то просто. Если бросать кости раз за разом, то будут выпадать те суммы (макросостояния), которым отвечает большее количество микросостояний, то есть будут реализовываться макросостояния с большой энтропией. Самой большой энтропией обладает сумма 35, и именно она и будет выпадать чаще других. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики. Любое случайное (неконтролируемое) взаимодействие приводит к росту энтропии, по крайней мере до тех пор, пока она не достигнет своего максимума.
Перемешивание газов
И ещё один пример, чтобы закрепить сказанное. Пусть у нас имеется контейнер, в котором находятся два газа, разделённых расположенной посередине контейнера перегородкой. Назовём молекулы одного газа синими, а другого — красными.
Если открыть перегородку, газы начнут перемешиваться, потому что число микросостояний, в которых газы перемешаны, намного больше, чем микросостояний, в которых они разделены, и все микросостояния, естественно, равновероятны. Когда мы открыли перегородку, для каждой молекулы мы потеряли информацию о том, с какой стороны перегородки она теперь находится. Если молекул было N, то утеряно N бит информации (биты и символы, в данном контексте, это, фактически, одно и тоже, и отличаются только неким постоянным множителем).
Разбираемся с демоном Максвелла
Ну и напоследок рассмотрим решение в рамках нашей парадигмы знаменитого парадокса демона Максвелла. Напомню, что он заключается в следующем. Пусть у нас есть перемешанные газы из синих и красных молекул. Поставим обратно перегородку, проделав в ней небольшое отверстие, в которое посадим воображаемого демона. Его задача — пропускать слева направо только красных, и справа налево только синих. Очевидно, что через некоторое время газы снова будут разделены: все синие молекулы окажутся слева от перегородки, а все красные — справа.
Получается, что наш демон понизил энтропию системы. С демоном ничего не случилось, то есть его энтропия не изменилась, а система у нас была закрытой. Получается, что мы нашли пример, когда второй закон термодинамики не выполняется! Как такое оказалось возможно?
Решается этот парадокс, однако, очень просто. Ведь энтропия — это свойство не системы, а нашего знания об этой системе. Мы с вами знаем о системе мало, поэтому нам и кажется, что её энтропия уменьшается. Но наш демон знает о системе очень много — чтобы разделять молекулы, он должен знать положение и скорость каждой из них (по крайней мере на подлёте к нему). Если он знает о молекулах всё, то с его точки зрения энтропия системы, фактически, равна нулю — у него просто нет недостающей информации о ней. В этом случае энтропия системы как была равна нулю, так и осталась равной нулю, и второй закон термодинамики нигде не нарушился.
Но даже если демон не знает всей информации о микросостоянии системы, ему, как минимум, надо знать цвет подлетающей к нему молекулы, чтобы понять, пропускать её или нет. И если общее число молекул равно N, то демон должен обладать N бит информации о системе — но именно столько информации мы и потеряли, когда открыли перегородку. То есть количество потерянной информации в точности равно количеству информации, которую необходимо получить о системе, чтобы вернуть её в исходное состояние — и это звучит вполне логично, и опять же не противоречит второму закону термодинамики.
Глава 7. 2 Закон энтропии
В восьмом принципе мы рассмотрим механизм уничтожения систем, неспособных эволюционировать. Этот механизм основан на возрастании энтропии вокруг развивающихся систем. Для того чтобы разобраться с действием этого механизма, необходимо отметить, что рассматривать его следует только в совместном взаимодействии системы и надсистемы, в терминах “внутренняя среда и окружающая среда”. Понятие внутренней среды системы вряд ли нуждается в какой-то конкретизации. А вот понятию окружающей среды нужно дать следующее определение. Под окружающей средой будем понимать совокупность всех взаимодействующих систем, входящих в надсистему. Поскольку система является частью будущей надсистемы, и занимает пространство, принадлежащее ей, то окружающая среда является внутренней средой самой надсистемы. Поэтому то, что происходит вокруг системы, совсем не безразлично для надсистемы, т.к. имеет непосредственное к ней отношение.
Интеграция системы адекватна понятию самоорганизации. Объединение системы со своим противоположным свойством переводит ее из неравновесного состояния в равновесное или из непроявленного состояния в проявленное.
Главной особенностью, которая отличает полученные холономные системы, является низкая энтропия внутренней среды. Понятие энтропии вводится только на эволюционном пути развития систем. По определению эволюционных процессов интеграция противоположностей в исходное целое сопровождается упорядочиванием внутренней структуры.
Мы уже установили, что для обеспечения энергетической стабильности в конструктивных процессах им сопутствуют некоторые дезорганизационные процессы. Поэтому проявленная необходимость обеспечения организации системы некой дезорганизацией и обусловлена в восьмом принципе. В принципе, тезис о том, что любое созидание оплачивается разрушением, отнюдь не нов. Но он станет более понятным, если сформулировать его в следующем виде: организация внутренней структуры системы сопровождается дезорганизацией внутренней структуры надсистемы, т.е. разрушением окружающей среды. Этот тезис подразумевает, что созидание первично и является причиной разрушения окружающей среды. Таким образом, причиной повышения энтропии окружающей среды является необратимость эволюционных процессов самоорганизации, которые сопровождаются понижением энтропии внутренней среды системы.
О том, что энтропия в природе все время возрастает, было установлено еще в 19 веке в виде знаменитого второго начала термодинамики. Чаще всего второе начало термодинамики звучит так: всякое изменение состояния системы самопроизвольно может происходить лишь в сторону увеличения энтропии. Открытие второго начала термодинамики привнесло в физическую науку представление об эволюции как о движении от абсолютной организованности к полному хаосу или полному рассеянию энергии во Вселенной.
Однажды в одной очень умной книге я прочитала, что американские студенты-физики, чтобы лучше помнить законы термодинамики, заучивают следующую фразу: «Если первый закон утверждает, что вы не можете выиграть, то второй закон говорит, что у вас даже нет шанса остаться при своих».
Но ведь мы на Земле и в космосе повсеместно наблюдаем обратную тенденцию, в биологических и социальных системах наблюдается именно преобразование хаоса в упорядоченные структуры.
Почему современная физика указывает только на фундаментальные законы, объясняющие причины деградационных или дезорганизационных процессов? Почему до сих пор не найден сравнимый по фундаментальности контрфактор, который позволил бы последовательно объяснить конструктивные феномены? Парадокс между биологическим эволюционизмом и термодинамической необратимостью остается до сих пор нерешенным, хотя ушли уже в историю попытки опровержения второго начала на чисто физической основе. Но все же большие трудности, которые возникают в области термодинамики и, особенно, в наиболее важных случаях открытых систем, включающих живое вещество, служит поводом к ограничению второго начала.
Причем фактические противоречия между реальными процессами самоорганизации систем и законом возрастания энтропии во внешней среде отсутствуют. Не обнаруживается нарушений термодинамических законов и в связи с активностью живых организмов, поскольку энтропия отходов всегда превышает энтропию поступающих веществ. Это свидетельствует в пользу того, что конструктивные феномены, определяющие внутреннюю самоорганизацию систем, опосредуются процессами рассеяния энергии в окружающей среде. Объяснить возникший парадокс между восходящими тенденциями эволюционного развития в биологии, обществоведении и нисходящим направлением эволюции, обусловленным вторым началом термодинамики, не возможно вне единства системы и надсистемы. Даже в самых простых формулировках, дающих определение понятию необратимых процессов, можно увидеть явное указание на этот факт: “необратимыми называются такие процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении; в обратном направлении они могут протекать только как одно из звеньев более сложного процесса”. Этот более сложный процесс, как правило, и связан с функциональными действиями надсистемы.
Таким образом, законы количественного изменения энтропии нужно рассматривать только на уровне взаимодействий системы и надсистемы. Если до сих пор наши основные принципы описывали иерархичность взаимоотношений, при которых только изменения в надсистеме вызывали соответствующие изменения в системе, то теперь появляется обратная связь, и изменения в системе также вызывают ответные реакции в надсистеме. Теперь любые процессы, происходящие в системе, будут иметь определенный отклик в надсистеме, что в основном объясняется нелокальностью интегральной структуры и целевой детерминацией внутренних процессов системы. Как видим, в этом случае еще лишний раз подтверждается, что сама интегральная структура мироздания играет в процессах эволюции главенствующую роль. И никакими другими факторами вы не сможете объяснить парадокс между восходящими тенденциями эволюционного развития в биологии, обществоведении и нисходящим направлением эволюции, обусловленным вторым началом термодинамики.
В этом случае второе начало можно рассматривать, как частный случай более общего закона, который гласит: процессы понижения энтропии внутренней среды и повышения энтропии окружающей среды, которые сопровождают самоорганизацию системы, взаимно дополняют, определяют и обусловливают друг друга. Этот закон в дальнейшем будем называть законом сохранения энтропии. Поскольку насколько уменьшится энтропия системы, настолько увеличится энтропия в надсистеме.
Другими словами закон энтропии можно сформулировать и так: понижение энтропии внутри системы при ее самоорганизации сопровождается повышением энтропии в окружающей среде. Обратное утверждение не верно, т.е. повышение энтропии в окружающей среде не ведет к понижению энтропии внутренней среды. В этом случае закон энтропии устанавливает прямую однозначную зависимость между причиной – самоорганизацией системы и следствием – изменением энтропии внутри и снаружи неравновесной системы. Вследствие необратимости эволюционных процессов из этого закона можно сделать еще один вывод: целенаправленное разрушение окружающей среды сопровождается разрушением внутренней структуры системы, вызвавшей это разрушение.
Механизм действия закона энтропии в данном случае сводится к следующему. Если система производит в окружающей среде какие-либо разрушительные действия, то со стороны надсистемы возникает ответная реакция, направленная на восстановление причиненного ущерба. Процесс восстановления, сопровождаемый теперь понижением энтропии в окружающей среде, должен быть оплачен принудительным повышением энтропии в системе, которая произвела эти разрушения. Поскольку здесь затронуты интересы надсистемы, предусматривающие сохранения ее целостности, то в самой системе через интегральную структуру включается механизм действия обратных связей в подсистеме, регулирующей функции контроля. Потому что именно здесь на этом уровне и происходит накопление той самой энтропии, которую произвела система. Причем как видно, количество ее будет удвоено за счет возвращения произведенной энтропии из внешней среды и за счет самого процесса возврата, который тоже самопроизвольно происходить не может, а только с повышение энтропии внутри системы. Управление включением подобного механизма обусловлено детерминизмом интегральной структуры и опосредствовано функцией целеполагания, которая в данном случае защищает интересы надсистемы.
Конструктивные феномены, определяющие внутреннюю самоорганизацию систем, описаны в 7 принципе. Каждая системная функция представляет собой антиэнтропийный фактор, который участвует в процессах самоорганизации систем.
Принято считать, что действие антиэнтропийных факторов заключается в том, чтобы только противостоять разрушающему влиянию окружающей среды. На самом деле структурообразующие функции, которые отвечают за внутреннюю организацию системы, являются основной причиной повышения энтропии в системе. А действие управляющих функций не только приспосабливает окружающую среду к собственным нуждам, но в основном направлено на уменьшение энтропии на своем контролирующем уровне. Поскольку большое количество накопленной энтропии здесь может привести систему к самоуничтожению. Такие процессы будут успешными только в том случае, если система постоянно способна уменьшать энтропию вокруг себя.
Таким образом, из закона энтропии можно сделать еще один вывод. Система будет уничтожена в любом случае, если она не способна к самоорганизации, к эволюционным преобразованиям с соблюдением основных ее критериев. Поэтому для системы есть единственный путь – эволюционный, это значит, что в этом мире невозможно выжить, если не двигаешься вверх, даже простая остановка в развитии может привести к уничтожению.
Рис.23. Усилитель отбора
Механизм действия такого способа достижения цели близок по описанию «усилителю отбора», предложенному У. Эшби еще в 50-х годах. Он назвал его усилителем мыслительных способностей. Схема показана на рисунке 23. Генератор шума поставляет «сырье» в первую ступень усилителя. Преобразователь шума 2 создает разные случайные варианты объектов отбора. В блоке 3 происходит отбор в соответствии с заложенными в устройство критериями отбора. Если результат отбора удовлетворяет критерию, срабатывает блок управления 4, открывая клапан 5 и пропуская отработанную информацию в преобразователь следующей ступени усилителя. Можно представить, что в первой ступени усилителя, куда поступают случайные буквы, происходит отбор отдельных случайно возникших слов или характерных слогов. Во второй ступени происходит отбор сочетаний слов, в третьей – отбор фраз и т.д. В процессе случайного поиска возникает как раз та информации, которая нужна системе для перевода ее в новое состояние. Этот процесс назван отбором информации из шума.
В эволюционном «усилителе отбора» роль «генератора шума», который поставляет «сырье» играет интегральная схема мироздания. Она устроена таким образом, что способна порождать бесконечно большое количество структурных форм в виде различных развивающихся систем. Роль усилителей первой, второй и т.д. ступеней играют системные функции седьмого принципа. Восьмой принцип в «усилителе отбора» не описан, но его принцип понять не сложно. В блоке 3 усилителя, в котором происходит отбор, только часть систем проходят в преобразователь следующей ступени. Большинство же систем остаются в блоке. Наступает момент, когда блок переполняется и требуется основательная его очистка. Вот тут и вступает в действие восьмой принцип, и все оставшиеся системы в блоке 3 уничтожаются.
Таким образом, первым условием 9 принципа является закон необходимого разнообразия, дающий возможность создания достаточно большого количества вариантов.
Второе условие 9 принципа – фактор самообучения систем. Основные эволюционные критерии для развивающихся систем не известны, но чтобы сократить время на поиск необходимой информации из шума, каждая ступень разбивается на ряд дополнительных уровней, на которых происходит закрепление полученных признаков. При этом каждое удачное случайно образованное сочетание поощряется, каждое неудачное наказывается.
Такой механизм можно обыграть на следующем примере. Стрелок стреляет по невидимой мишени, и где она находится ему не известно. Но каждый раз, когда попадает предельно близко к цели, он получает определенный положительный знак, но зато после этого, стреляя не в ту сторону, он получает отрицательные знаки. Поэтому третьим условием, хотя его можно назвать и вместо второго, это возможность пройти одну и туже ступень с нескольких попыток. Фактически давая возможность нашему стрелку сделать несколько выстрелов, мы тем самым значительно выигрываем во времени. В противном случае нам приходилось бы заменять каждый раз стрелка на нового, и его единственный случайный выстрел мог бы очень долгое время не давать никого результата.
49 ступеней развития планеты
Прогрессивная эволюция материи характеризуется тем, что в развитии планеты постепенно снизу вверх проявляются семь созидающих сил. Одну из этих сил, которая фактически сформировала окружающую физическую Вселенную в том виде, в каком мы ее знаем, мы уже рассмотрели. Эта сила, прообразом которой был исходный D-признак, завершив процесс холономной интеграции, полностью вошла всеми своими исходными компонентами в единую целостность, называемую Вселенной. Как было показано ранее, в этом процессе участвуют производные четвертого и более высоких порядков. Интеграция с субъектным свойством, определяемым как Природа, создало материальную Вселенную со всеми действующими в ней физическими законами, Солнечную систему, нашу планету, которая стала первым объектом, участвующим в дальнейшей эволюции. Можно считать, что Природа, как один из аспектов субъективной реальности, устанавливает созидающие силы, определяющие образование, развитие и длительное существование физической материи. Завершение интеграции на уровне производных четвертого порядка определило существование корпускулярной материи, которая продолжила дальнейший путь интеграции на уровне третьих производных.
Каждый из семи уровней творения, благодаря 8 и 9 принципу делятся еще на 7 подуровней, которые мы теперь будем называть ступенями. В результате этого, в процессе эволюции можно выделить 49 ступеней. Эволюционирующие системы, последовательно проходя все эти ступени, осваивают определенный набор функций, который присущ каждой из них. Поэтому, рассматривая ход эволюции Земли, мы будем последовательно разбирать процессы, происходящие на каждой из них.
Дальше мы рассмотрим подробно интеграцию с каждым из семи функциональных свойств, которые обусловили определенные происходящие события в ходе эволюции планеты.