Потрясающая связь между энтропией, временем и информацией | Наука, стоящая за принципом

Перейдите по ссылке https://brilliant.org/ArvinAsh/
, чтобы зарегистрироваться бесплатно. Первые 200 человек получат скидку 20% на годовую премиум-подписку. Распространённое толкование энтропии заключается в том, что она является мерой беспорядка во Вселенной. Вселенная движется к всё большему беспорядку. Именно поэтому считается, что время течёт вперёд. Является ли энтропия фундаментальным свойством природы? Или есть что-то более глубокое? Наука о энтропии. Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл придумал мысленный эксперимент, названный «демоном Максвелла», который показал механизм, позволяющий обратить энтропию вспять. Это нарушило бы второй закон термодинамики. Никто не мог разрешить его более 100 лет. Но когда исследователи из IBM разрешили этот парадокс, они показали, что энтропия связана с чем-то ещё более фундаментальным — информацией. По всей видимости, все физические законы обратимы во времени. Единственный закон физики, который, по-видимому, необратим во времени, — это закон возрастания энтропии — второй закон термодинамики. Возьмём контейнер с газом, изолированный с одной стороны перегородкой. Если убрать перегородку, газ расширится, заняв весь объём контейнера. Мы просто увеличили энтропию газа. Причина большего беспорядка в том, что в большем объёме больше мест, где могут находиться отдельные молекулы газа. Это большее количество возможных расположений лучше описывает энтропию. Что, если мы уменьшим объём газа до половины? Не уменьшит ли это энтропию до прежнего значения? Нет, потому что сжатие газа требует приложения работы к системе. Это повысит температуру газа. Он нагреется, и энтропия увеличится, компенсируя уменьшение энтропии, вызванное уменьшением объёма. Может ли газ самопроизвольно упорядочиться так, чтобы заполнить только половину объёма? Да, и это нарушило бы Второй закон, но законы физики не препятствуют этому, за исключением того, что это крайне маловероятно. Вероятность того, что все триллионы молекул газа смогут расположиться в одной стороне сосуда, составляет примерно один к 10^150 000 000 000 000 000 000 000. Это число настолько велико, что статистически невозможно. Демон Максвелла: камера с разделителем в центре. Мы начинаем с газа в одной камере, этот газ равномерно распределяется между двумя камерами. Мы устанавливаем между двумя камерами дверцу, которой управляет маленький демон. Дверь не имеет трения, поэтому не добавляет энергии в замкнутую систему. Демон управляет дверцей таким образом, что позволяет молекулам двигаться только в одном направлении. Этот демон делает так, что весь газ собирается в левой камере, так что в правой не остается ни одной молекулы. Энтропия уменьшается. Похоже, это нарушает Второй закон. Рольф Ландаур и Чарльз Беннетт показали, что для того, чтобы демон уменьшил энтропию, ему необходимо собрать информацию о движении различных молекул. Он создаёт запись в памяти. Демон увеличивает объём информации в системе. Это увеличение информации приводит к увеличению энтропии. Уменьшение энтропии из-за уменьшения объёма точно уравновешивается увеличением информации в мозгу демона. Второй закон не нарушается. Они также показали, что стирание информации не бесплатно. Оно производит тепло, увеличивающее энтропию. Таким образом, энтропия — это, по сути, мера информации, необходимой для выражения состояния системы. Система с более высокой энтропией требует больше информации для описания своих микросостояний. Как время связано с энтропией и информацией? Все известные нам законы физики, по-видимому, симметричны относительно времени, за исключением того, что энтропия асимметрична. Она течёт только в одном направлении — вверх. Это вдохновило британского учёного Артура Эддингтона на утверждение, что именно увеличение энтропии отвечает за течение времени. Эта теория неверна, поскольку она предсказывает, что время должно течь вспять при уменьшении энтропии. Внутренность вашего холодильника — это место, где энтропия уменьшается. Ваша еда остывает, но время в нём не течёт вспять. Считается, что начало Вселенной с низкой энтропией является основной причиной того, что время течёт вперёд. Но почему энтропия была такой низкой в ​​начале? Учитывая все возможные конфигурации, почему именно самая низкая? Никто точно не знает. #энтропия Возможно, это просто факт. Другая идея принадлежит физикам, таким как Алан Гут и Шон Кэрролл: если у энтропии нет верхнего предела, то независимо от того, где возникла Вселенная, она находилась бы в состоянии с самой низкой энтропией. Ей некуда двигаться, кроме как в состояние с более высокой энтропией. Если Время течёт вперёд по мере роста энтропии, то мы являемся следствием возрастающей энтропии Вселенной. Если бы Вселенная находилась в тепловом равновесии, нас бы не существовало. Причина существования причинно-следственных связей, эволюции, биологических процессов, мыслей, воспоминаний и даже сознания — энтропия.