Что же это такое?
Энтропия — это фундаментальное понятие, которое изначально появилось в термодинамике как мера необратимого рассеяния энергии (так называемая энтропия Клаузиуса). Если говорить проще, она описывает, как энергия теряет способность совершать полезную работу.
В статистической физике энтропия, по Больцману, становится мерой вероятности того или иного макроскопического состояния изолированной системы. Чем более вероятно состояние, тем выше его энтропия.
В теории информации, благодаря Шеннону, энтропия превратилась в меру неопределенности исхода какого-либо события или эксперимента. Она показывает, сколько информации мы в среднем получаем, узнавая результат.
А в теории динамических систем существует энтропия Колмогорова, которая помогает оценить степень хаотичности и неустойчивости системы, то, насколько быстро траектории её движения расходятся.
Признаюсь, это одно из самых сложных и многогранных понятий, с которым можно столкнуться в физике, особенно на начальном этапе её изучения. Оно связывает воедино, казалось бы, разные области знания.
Суть простыми словами
Если отбросить сложные формулировки, то энтропию можно понимать как меру нашего незнания о детальном состоянии системы. Это количество информации, которое нам неизвестно.
При чём здесь путешествия во времени?
Для нас время всегда течёт в одном направлении — из прошлого в будущее. Однако, когда я смотрю на фундаментальные законы физики — от механики Ньютона до квантовой теории, — они выглядят удивительно симметричными. Уравнения, управляющие миром, в большинстве своём не делают различий между движением времени вперёд или назад. Теоретически, их решения должны работать одинаково хорошо в обоих направлениях.
Но наш повседневный опыт говорит об обратном: мы помним прошлое, но не будущее; кофе смешивается с молоком, но никогда сам не разделяется обратно. Откуда берётся эта «стрела времени»?
Многие учёные видят ключ к разгадке именно в энтропии. Часто её упрощённо называют «мерой беспорядка», но это не совсем точно. Гораздо лучше думать об энтропии как о мере той тепловой энергии, которую уже невозможно превратить в полезную работу.
Здесь на сцену выходит Второе начало термодинамики — один из немногих законов, который задаёт направление. Оно утверждает, что энтропия изолированной системы никогда не уменьшается, она либо остаётся постоянной, либо растёт. Применительно ко Вселенной это означает, что её общая энтропия со временем только увеличивается. Это, возможно, и есть та самая физическая причина, по которой мы ощущаем однонаправленное течение времени.
Энтропия прекрасно объясняет, почему многие процессы необратимы: почему аромат духов рассеивается по комнате, а не собирается обратно во флакон, или почему мы стареем. Все эти системы эволюционируют из состояний с низкой энтропией (и большим запасом «полезной» энергии) в состояния с высокой энтропией.
Имбирь по цене красной икры. Не понимаю, почему такой ажиотаж.
Но означает ли это полную необратимость? Не совсем. Важно помнить, что Второе начало работает для закрытых систем. Ещё в 1870 году Джеймс Клерк Максвелл предложил мысленный эксперимент с гипотетическим «демоном», который, сортируя быстрые и медленные молекулы, мог бы локально уменьшать энтропию, используя информацию о системе. Это показывает, что при внешнем вмешателье процессы, кажущиеся необратимыми, в принципе можно обратить вспять.
Существуют и другие интересные гипотезы. Например, идея Мюллера, которая связывает течение времени с расширением самого пространства-времени. Согласно ей, путешествия во времени невозможны, потому что для перемещения в прошлое потребовалось бы «сжать» Вселенную, а для прыжка в будущее — ускорить её расширение.
С этим мог бы поспорить Артур Эддингтон, который ещё в 1927 году прямо связал «стрелу времени» с ростом энтропии. Его взгляд, где время течёт в сторону увеличения беспорядка, несколько противоречит некоторым современным интерпретациям, например, тем, где разумный наблюдатель, наоборот, создаёт локальные островки порядка, уменьшая энтропию.
Неожиданный поворот
Изучив множество теорий, физик Макконе предложил элегантное и нестандартное решение парадокса. Согласно его идее, события с обратным течением времени могут и происходить где-то во Вселенной. Однако фундаментальное информационное устройство реальности таково, что никаких следов или данных об этих событиях не сохраняется и не может быть записано. Таким образом, они становятся абсолютно неотличимыми от событий, которые никогда не случались. Для нас, наблюдателей, их просто не существует.
Для формализации этой почти философской идеи Макконе использовал аппарат квантовой механики. В ней существует аналог термодинамической энтропии — энтропия Неймана, которая измеряет хаотичность информации в квантовой системе. Это позволяет по-новому взглянуть на проблему.
Пока эта теория не стала общепринятой, но её внутренняя красота и логичность заставляют задуматься. Очень хочется верить, что такие смелые идеи получат дальнейшее развитие и, возможно, приведут нас к новому пониманию природы времени.
Больше интересных статей здесь: Путешествия.
Источник статьи: Энтропия, или Почему путешествия во времени невозможны?.