Добавь сайт в закладки! Инструкция по ссылке.
Вы когда-нибудь задумывались, что на самом деле получает Земля от Солнца? Если ваш ответ был «энергия», вы не одиноки, но упускаете что-то важное.
Когда задают этот вопрос, большинство людей отвечают: тепло, свет и даже витамин D ну или просто «энергия». Но парадокс в том, что Земля получает энергию от Солнца и излучает почти столько же энергии обратно в космос. Так что мы на самом деле получаем?
Ответ кроется в одной из самых фундаментальных, но неправильно понимаемых концепций физики — энтропии.
Чтобы понять энтропию, нам нужно вернуться во Францию 19 века. Паровые двигатели тогда могли преобразовать всего лишь 3% тепловой энергии в полезную механическую работу. Известный вам Сади Карно провел три года, изучая тепловые двигатели, что привело к фундаментальным знаниям о том, как преобразуется энергия.
Его ключевая реализация включала в себя идеальный тепловой двигатель без трения или потерь окружающей среды. В этом теоретическом двигателе камера с воздухом находится между горячим металлическим стержнем и холодным металлическим стержнем. Когда воздух расширяется от тепла, он толкает поршень, соединенный с маховиком. Через цикл расширения и сжатия воздуха при попеременном контакте с горячими и холодными стержнями тепло от горячего стержня преобразуется в энергию маховика.
Интересно, что идеальный двигатель Карно полностью обратим — вы можете запустить его в обратном направлении и вернуть все в исходное состояние без дополнительной энергии. Но, несмотря на эту идеальную обратимость, он все равно не может преобразовать 100% тепла в работу. Почему? Потому что часть тепла всегда должна уходить в холодную сторону, чтобы завершить цикл.
Это раскрывает фундаментальную истину. Даже идеальный тепловой двигатель не может быть на 100% эффективным. Его эффективность зависит не от конструкции, а от разницы температур между горячей и холодной сторонами. Чтобы достичь 100% эффективности, вам понадобится либо бесконечная температура на горячей стороне, либо абсолютный ноль на холодной стороне — оба варианта невозможны.
Немецкий физик Рудольф Клаузиус изучил работу Карно и разработал способ измерения того, насколько рассеянной становится энергия. Он назвал эту величину энтропией. Когда энергия концентрируется в горячем стержне, это низкая энтропия. По мере того, как энергия распространяется в окружающую среду, энтропия увеличивается. Энергия все еще там, но в этой рассеянной форме она менее доступна для выполнения полезной работы.
В 1865 году Клаузиус обобщил первые два закона термодинамики:
- Энергия Вселенной постоянна
- Энтропия Вселенной стремится к максимуму
Другими словами, энергия естественным образом распространяется со временем. Это объясняет, почему горячие вещи остывают, почему газ расширяется, заполняя контейнеры, и почему вечные двигатели невозможны — количество полезной энергии в замкнутой системе всегда уменьшается.
Хотя энтропию часто описывают как «беспорядок», возможно, лучше всего ее рассматривать как тенденцию энергии к распространению.
Большинство физических законов работают одинаково и вперед, и назад во времени, так откуда же берется эта четкая зависимость от времени? Людвиг Больцман дал ответ — тепло, перетекающее от холода к горячему, не невозможно, а крайне маловероятно.
Представьте себе два небольших металлических бруска, один горячий с большим количеством энергетических пакетов, другой холодный с меньшим. Когда эти бруски соприкасаются, энергетические пакеты могут случайным образом перескакивать между ними. Хотя теоретически возможно, что больше энергии окажется в горячем бруске (уменьшая энтропию), статистическая вероятность в значительной степени благоприятствует равномерному распределению энергии между ними.
При наличии всего нескольких атомов и энергетических пакетов вероятность того, что тепло потечет «обратно», может составлять около 10%. Но реальные объекты содержат триллионы и триллионы атомов, что делает такие события настолько астрономически маловероятными, что мы никогда не наблюдаем их в повседневной жизни.
Это как решенный кубик Рубика, который поворачивается случайным образом. Есть только одно решенное состояние, но квинтиллионы перемешанных состояний, поэтому случайное поворот неизбежно приведет от маловероятно решенного состояния к вероятно перемешанному.
Если энтропия всегда увеличивается, а энергия всегда распространяется, как могут существовать организованные структуры, такие как жизнь? Ответ в том, что Земля не является закрытой системой — у нас есть Солнце.
Солнце на самом деле дает нам не энергию (поскольку мы излучаем обратно столько же), а энергию с низкой энтропией — концентрированную, сжатую энергию, которая более полезна, чем рассеянная энергия, которую мы возвращаем в космос.
На каждый высокоэнергетический фотон, который Земля получает от Солнца, мы излучаем обратно в космос около 20 низкоэнергетических фотонов.
Растения поглощают эту концентрированную солнечную энергию для роста и создания сахаров. Животные едят растения, более крупные животные едят более мелкие, и на каждом этапе энергия становится более рассеянной. Все на Земле происходит в процессе преобразования меньшего количества высокоэнергетических фотонов во множество более низкоэнергетических.
Без этого постоянного потока энергии с низкой энтропией и способа отбрасывать энергию с высокой энтропией жизнь была бы невозможна. Некоторые ученые, такие как Джереми Ингланд, даже предположили, что сама жизнь может быть следствием второго закона термодинамики.
Если Солнце обеспечивает Землю низкой энтропией, откуда Солнце получило свою низкую энтропию? Из самой Вселенной. Поскольку энтропия Вселенной увеличивается со временем, она должна была быть ниже вчера, еще ниже позавчера и самой низкой сразу после Большого взрыва — концепция, известная как «гипотеза прошлого». Но ранняя Вселенная была горячей, плотной и почти однородной — так откуда же взялась эта низкая энтропия?
Недостающим фактором является гравитация, которая имеет тенденцию склеивать материю. Принимая во внимание гравитацию, равномерное распределение материи является крайне маловероятным состоянием, отсюда и низкая энтропия. По мере расширения Вселенной и склеивания материи под действием гравитации формировались звезды, планеты, галактики и, в конечном итоге, жизнь, что все время увеличивало энтропию.
Это увеличение энтропии объясняет, почему время имеет четкое направление. Мы никогда не видим, чтобы астероиды «разбивались» или планетарные системы разделялись на свои первоначальные пылевые облака, потому что это были бы переходы от вероятных состояний к крайне маловероятным.
В конце концов, в невообразимо далеком будущем после того как испарится последняя черная дыра, Вселенная достигнет максимальной энтропии — состояния полного рассеивания энергии, часто называемого «тепловой смертью». В этот момент различие между прошлым и будущим исчезнет.