Entropija

Što to znači za kocke leda, vrijeme i svemir

Jedan od mojih najdražih predmeta kada sam studirao fiziku bio je koncept entropije i kako se on odnosi na gotovo sve, od kockica leda do cijelog Svemira. No krenimo na početku:

Što je entropija?

Entropija se može smatrati količinom slučajnosti ili ekvivalentno nepostojanjem informacija. Fizički je entropija količina koja je proporcionalna broju "mikroskopskih konfiguracija" koje su u skladu s promatranim "makroskopskim stanjem". Jednostavno rečeno, to znači da entropija mjeri broj kombinacija u kojima možete preurediti atome i molekule neke stvari, tako da promatrate istu strukturu te stvari.

Sandcastle je sustav s niskom entropijom. Evo jedne koja je u procesu sve veće entropije. (izvor)

Evo primjera: razmotrite kocku leda u čaši vode. Kocka leda će se rastopiti, sve dok preostaje voda u čaši. Čitav fizički "sustav" (koji se sastoji od vode i leda) ima ograničen broj molekula. Postoji određeni broj kombinacija molekula koje odgovaraju početnoj konfiguraciji sustava (voda plus led). Međutim, postoji puno veći broj kombinacija molekula koje odgovaraju konačnoj konfiguraciji sustava (sva voda). To je ekvivalentno kazivanju da krajnje stanje ima veću entropiju od početnog.

Drugi način razmišljanja o entropiji je u smislu vjerojatnosti ili vjerojatnosti. Razmislite o tome da čašu vode s kockom leda ostavite u sobi, a zatim provjerite na nasumično izabrano vrijeme između sada i, recimo, godine od sada. Vjerojatnost da ćete pronaći čašu vode s ledom koji se nije otopio u to slučajno vrijeme je izuzetno mala. Ovo je način da se razmisli o entropiji: stanje s vodom plus ledom je stanje najniže entropije jer je takva malo vjerojatna konfiguracija u ukupnoj vremenskoj traci.

Jedan od temeljnih uvida iz fizike jest da se ono što se događa sa sustavom ledena kocka / voda zapravo događa svakom fizičkom sustavu - entropija će se uvijek povećavati. To je poznato kao Drugi zakon termodinamike.

Entropija i vrijeme

Entropija je tako važna količina jer definira strelicu vremena. Razmotrite dva videozapisa, jedan u kojem se kocka leda polako topi u čaši vode, a drugi u kojem se događa obrnuto, kocka leda koja se polako materijalizira u čaši vode. Znamo, zato što živimo u Svemiru u kojem se drži Drugi zakon termodinamike, da samo prvi video odgovara stvarnom svijetu. Drugim riječima, entropija nam omogućava način razlikovanja prošlosti od budućnosti.

Usporedite ovo svojstvo vremena s naše tri prostorne dimenzije: naše prostorne dimenzije nemaju strelicu koja je povezana s njima. Možete hodati u jednom smjeru, a možete se vratiti natrag. S druge strane, teško je zamisliti svemir u kojem vrijeme ide u oba smjera: prošlost i sadašnjost, rođenje i smrt bili bi zamjenjivi. U takvom svemiru ne bismo mogli razlikovati video zapis kocke leda koji se reproducirao prema naprijed i natrag, a ne bi postojao Drugi zakon termodinamike.

Entropija i svemir

Evo kratkog predavanja o povijesti Svemira. Ubrzo nakon Velikog praska (prije oko 14 milijardi godina), Svemir je bio u konfiguraciji koja je svugdje izgledala potpuno isto, konfiguracija koju nazivamo homogenom. "Gotovo" u ovom slučaju znači da je došlo do malih fluktuacija u raspodjeli materije, što je na kraju dovelo do toga da se tvar skupi (zbog gravitacije) i formira strukturu kakvu danas vidimo, od planeta do zvijezda i galaksija. Mi ovu bebu-Univerzum nazivamo i iskonskim Univerzumom. Svemir je danas s druge strane vrlo nehomogen: Biti na površini zemlje uvelike je drugačije iskustvo u usporedbi s boravkom u svemiru, na sunčevoj površini ili u blizini crne rupe.

Naša galaksija Mliječni Put, kao što se vidi sa Zemlje. Srećom, daleko smo od stanja maksimalne entropije u Svemiru. (izvor)

Evo sada zanimljivosti: Prvobitni Svemir je konfiguracija Svemira s najnižom ukupnom entropijom. Zašto je to? Razmislite ponovo o primjeru kocke voda / led. Gravitacijski grudvi. Ako odaberete slučajno vrijeme za promatranje Univerzuma, daleko je vjerojatnije da ćete ga naći s nekim nasumično formiranim nakupinama, nego u stanju u kojem je sve raspoređeno homogeno. Pronaći Svemir u stanju gotovo savršene homogenosti je poput pronalaska olovke savršeno izbalansirane na vrhu. Nestabilan je.

Što je s entropijom svemira u vrlo dalekoj budućnosti? Na vremenskoj skali koja je mnogo duža od trenutnog doba Svemira, sve će zvijezde napokon izgorjeti, sve planete će napustiti svoje orbite i proždirit će ih veća tijela, a galaksije će prestati postojati. Na još dužim vremenskim razmjerima, sve crne rupe, koje će upiti većinu materije, potpuno će ispariti. Nakon toga, Svemir će dostići takozvanu termodinamičku ravnotežu, stabilnu konfiguraciju bez ikakvih novih formiranja zvijezda ili planeta, konfiguraciju koja je poznata i kao toplinska smrt Svemira. Ovo je stanje maksimalne entropije, a procjenjuje se da će se dogoditi nakon najmanje jedne godine googola.

Dakle, sljedeći put kada vam je ledena voda razmislite o ovome: najvjerojatnije je stanje svemira, na vremenskoj skali od googola, stanje maksimalne entropije, toplotne smrti. Mi, naš planet, naš sunčev sustav, naša Galaksija, samo smo anomalija na putu svemira od minimalne do maksimalne entropije.

Zaključak: Entropija i život

Stol u stanju maksimalne entropije. (izvor)

Dopustite mi da zaključim s analogijom između koncepta entropije i života: prema našem zadatku sve u našem životu postaje nered ili stanje visoke entropije, osim ako u to ne uložimo energiju i pažnju. U određenom smislu, neuredni stol iznad rezultat je Drugog zakona termodinamike. Moglo bi se zaključiti da su stvari koje životu daju najviše smisla i svrhe upravo one stvari koje lokalno smanjuju entropiju i stoga idu u suprotnost s prirodnom tendencijom Univerzuma prema neredu.