Энтропия Вселенной постоянно растёт. Почему — никто не знает, и в этом ролике ответа тоже не будет. Зато Дерек Маллер с канала Veritasium расскажет, что такое энтропия и как во Вселенной, где всё стремится к беспорядку, могла появиться столь сложная штука, как жизнь.
Расшифровка видео
0:00
[музыка]
0:07
здесь это видео посвящено одному из
0:10
важнейших понятий физики которая
0:13
понимает Хуже всего это явление
0:16
управляет всем от столкновения молекул
0:18
до жутких бурь зарождением Вселенной её
0:23
эволюцией и неизбежной гибели возможно
0:28
оно определяет направление времени и
0:31
служит причиной по которой существует
0:33
сама Жизнь чтобы понять почему в этом
0:36
так сложно разобраться надо задать всего
0:38
один простой вопрос что Земля получает
0:41
от Солнца
0:43
что Земля получает от Солнца
0:45
наверное Солнечные лучи что мы получаем
0:49
от солнца тепло тепло
0:51
свет
0:53
витамин D мы получаем витамин D
0:55
благодаря ультрафиолетовым лучам
0:57
получаем витамин D скажем много энергии
0:59
что получает земля энергию Да энергию
1:02
энергию именно каждый день Земля
1:06
получает от Солнца определенное
1:08
количество энергии А сколько энергии
1:10
нашей планеты излучает в космос Если
1:13
сравнивать с полученное от солнца Мне
1:16
кажется отдает поменьше сомневаюсь что
1:18
вся энергия уходит в космос небольшую
1:21
часть
1:22
соглашусь меньше я бы сказал процентов
1:27
20
1:29
мы тратим энергию мы много потребляем Но
1:33
ведь мы знаем что энергия не исчезает её
1:35
по сути нельзя израсходовать
1:38
Сколько пришло столько ушло
1:45
большую часть своего существования Земля
1:48
вероятно получала от Солнца
2:05
Хороший вопрос
2:07
тогда приятный загар приятный загар
2:10
Отличный ответ солнце дает нам нечто
2:13
особенное не знаю что это если не
2:15
энергия но все об этом молчат чтобы
2:17
найти ответ нам придется вспомнить
2:20
открытие совершенное два Столетия назад
2:23
зимой 1813 года во Францию вошли армии
2:27
Австрии Пруссии и России 29 декабря
2:30
садик Арно 17-летний сын одного из
2:34
генералов написал наполеону письмо с
2:36
просьбой отправить его воевать
2:39
Наполеон занятый битвой не ответил
2:44
Но через несколько месяцев желание
2:46
исполнилось сражение начались в Париже
2:49
студенты с ними и сын Генерала Встали на
2:52
защиту поместья к востоку от столицы но
2:54
против армии
2:55
Париж захватили за один вынужденное
2:58
отступление
3:03
через 7 лет он отправился навестить отца
3:06
который после краха Наполеона бежал в
3:09
пруссию старший корно не только служил
3:11
генералом но и занимался физикой он
3:14
написал эссе об эффективной передаче
3:16
энергии в механических системах Когда в
3:20
пруссию приехал его сын а немного
3:21
говорили о революционном изобретении тех
3:24
времен паровом двигателе ему уже нашли
3:27
применение в судоходстве добыче руды и
3:30
других индустрий очевидно что
3:32
промышленные военная мощь вскоре будет
3:35
определяться тем есть ли у страны лучшие
3:38
паровые двигатели
3:40
Франция в этом отношении отставала от
3:43
Великобритании других государств Почему
3:52
в то время даже лучшие паровые двигатели
3:54
преобразовывали в полезную работу всего
3:57
около трех процентов энергии тепла
3:59
увеличив этот
4:02
процентным преимуществом и помочь ей
4:05
восстановить Былое положение
4:07
следующие три года он провел за
4:09
изучением тепловых двигателей Одним из
4:11
важнейших достижений стало теоретическая
4:14
модель идеального теплового двигателя
4:23
2 металлических бруска больших размеров
4:26
так называемый нагреватели холодильник
4:29
сам двигатель представляет собой камеру
4:31
с воздухом тепло может проникать внутрь
4:34
или наружу только через дно внутри
4:36
находится поршень соединенный с
4:39
маховиком воздух в цилиндре должен быть
4:41
нагреть до температуры чуть ниже
4:43
горячего бруска на который мы помещаем
4:45
нашу установку теплый воздух расширяется
4:49
раскручиваем маховик при этом благодаря
4:51
притоку тепла от нагревателя его
4:54
температура не меняется
4:56
убираем нагреватель приток тепла в
4:59
камеру прекращается но нагретый воздух
5:01
еще какое-то время расширяется в идеале
5:04
до тех пор пока его температура не
5:06
упадет до температуры холодильники затем
5:10
ставим цилиндр на холодный брусок
5:14
сжимается при этом тепло отводится в
5:17
холодный металл
5:18
убираем холодильник движение маховика
5:21
продолжает сжимать воздух который теперь
5:23
нагревается до температуры чуть ниже
5:26
нагревателя
5:30
таким образом
5:37
что интересно идеальный двигатель корну
5:40
можно заставить работать в обратном
5:42
направлении если запустить цикл наоборот
5:45
сначала воздух будет расширяться из-за
5:48
чего упадет температура когда мы
5:50
поставим поршень на холодный брусок
5:52
воздух продолжит расширение забирая
5:54
тепло у металла после этого воздух
5:58
сжимается От чего растет температура
5:59
помещаем камеру на горячий брусок и с
6:03
помощью энергии маховика тепло
6:04
возвращается в нагреватель
6:07
сколько бы циклов мы не запустили в
6:10
одном направлении столько же Можно
6:12
повторить и в обратном В итоге Все
6:15
вернется к изначальному состоянию и
6:18
никакой новой энергии системе не
6:20
понадобится то есть при работе такого
6:23
идеального двигателя по сути не
6:25
происходит никаких изменений всё
6:27
сделанное можно повернуть вспять но
6:30
Какова же эффективность такого двигателя
6:32
если его работа полностью обратима
6:34
хочется предположить что ответ сто
6:37
процентов
6:57
входящее тепло От горячей стороны равно
7:00
работе которую совершает газ когда
7:02
выталкивает поршень Она всегда будет
7:04
больше чем работа которую совершает
7:06
поршень при давлении на воздух сверху
7:09
которая будет равна тепло на выходе
7:11
нагретый газ всегда оказывает более
7:13
сильное давление на поршень чем тот же
7:16
газ но холодный
7:18
чтобы сделать двигатель эффективнее
7:21
Можно либо повысить температуру
7:23
нагревателя либо понизить температуру
7:25
холодильника либо И то и другое
7:29
Узнав об идеальном тепловом двигателе
7:31
Лорд Кельвин понял что на его основе
7:34
можно разработать абсолютную шкалу
7:36
температуры Представьте что в
7:38
определенных условиях газ расширяется до
7:40
невероятного объема и остывает настолько
7:43
сильно что все его частицы по сути
7:45
встают на месте Теперь они больше не
7:48
давят на поршень чтобы сжать этот газ на
7:51
холодном бруске не потребуется Никакой
7:53
работы и мы не потеряем тепло Это и
7:57
будет Абсолютный ноль в таких условиях
8:00
эффективность двигателя будет сто
8:02
процентов
8:03
используя абсолютно шкалу температуры
8:06
можно заменить количество входящего и
8:10
выходящего тепла температуры в нагретой
8:12
и холодной части соответственно потому
8:14
что они прямо пропорциональны то есть мы
8:17
можем выразить производительность в
8:19
таком виде
8:23
промежуточный итог производительность
8:25
идеального теплового двигателя зависит
8:27
не от материалов или определенной
8:29
конструкции а температуры в нагревателе
8:31
и холодильнике Чтобы достичь
8:34
стопроцентной производительности нужно
8:37
бесконечно высокая температура нагрева
8:39
или Абсолютный ноль для охлаждения ни то
8:43
ни другое на практике не достижимо то
8:45
есть даже при нулевом трении без утечек
8:47
тепловой двигатель с производительностью
8:49
сто процентов невозможен потому что для
8:51
того чтобы вернуть поршень в изначальное
8:53
положение нужно перегнать тепло в
8:55
холодный брусок то есть на маховике
8:57
сохраняется не вся энергия во времена
9:00
Карно температура в паровых двигателях с
9:02
высоким давлением поднималась не выше
9:04
160 градусов Цельсия в теории их
9:07
производительность максимально
9:08
составляла 32 процента А на практике
9:11
скорее всего три Дело в том что в
9:14
реальных двигателях есть трение тепло
9:16
рассеивается в окружающее пространство и
9:19
передается при непостоянной температуре
9:22
поэтому на маховик поступает меньше
9:24
энергии чем подается тепла и его
9:27
значительная часть поглощает со стенками
9:29
цилиндра уходит в ось маховика и
9:32
рассеивается в среду
9:34
когда энергия распространяется таким
9:36
образом собрать её заново невозможно и
9:39
весь этот процесс необратим общее
9:43
количество энергии не изменилось но
9:45
пустить ее в работу гораздо сложнее
9:47
удобнее использовать концентрированную
9:50
энергию а не рассеянную в пространстве
9:56
несколько десятилетий спустя немецкий
9:58
физик Рудольф клаудиус изучив труды
10:01
керну придумал как измерить насколько
10:03
рассеивается энергия а меру рассеивания
10:07
он назвал энтропией
10:09
когда вся энергия собрана в Горячем
10:12
бруске энтропия низкая но когда она
10:16
рассеивается в пространстве нагревает
10:18
стенки камеры и ось энтропия растет
10:22
Это значит что энергии у нас столько же
10:25
но в разредоточенном виде её сложнее
10:28
пустить в работу
10:30
в 1865 году клаудиус сформулировал
10:34
первые два закона термодинамики
10:36
следующим образом
10:50
[музыка]
10:52
второй закон лежит в основе множества
10:55
явлений из-за него горячая остывает
10:58
холодная нагревается газ заполняет
11:01
Свободное пространство из-за него же
11:03
невозможен вечный двигатель количество
11:06
полезной энергии в замкнутой системе
11:08
постоянно уменьшается
11:11
чаще всего энтропия описывают как
11:14
беспорядок это не лишено смысла обычно у
11:18
людей она ассоциируется с разрушением
11:20
упорядоченной картины но мне кажется
11:23
лучше говорить об энтропии как о
11:25
стремлении энергии рассеиваться Но
11:28
почему это происходит
11:30
большая часть закона физики работает
11:32
одинаково что вперед что Назад во
11:35
времени Так почему энергия с течением
11:37
времени рассеивается
11:42
возьмем два небольших металлических
11:44
брусочка горячей и холодный рассмотрим
11:47
очень простую модель в каждом бруске
11:49
Всего восемь атомов атомы вибрируют в
11:52
зависимости от количества неких юнитов
11:54
энергии Чем больше тем сильнее вибрации
11:57
начнем с семи энергетических юнитов в
12:00
левом бруске и трех правом количество
12:02
энергии в брусках назовем состояние
12:06
сначала займемся левым бруском в нем 7
12:10
юнитов энергии которые свободно
12:11
перемещаются по решетке они не
12:14
переставая В случайном порядке
12:15
перепрыгивают От одного атома к другому
12:18
создавая разное распределение энергии Но
12:21
количество ее никак не меняется
12:23
пора вспомнить про холодный брусок в
12:26
котором энергии меньше приложим бруски
12:29
друг другу теперь юниты могут скакать по
12:31
атомам обоих брусков и образовывать
12:33
разные конфигурации при этом все
12:36
уникальные комбинации равновероятны А
12:39
если мы сделаем снимок в какой-нибудь
12:40
момент времени попробуем определить
12:42
распределение юнитов энергии и стоп
12:46
Давайте посмотрим в левом бруске их
12:49
собралось 9 А в правом всего один тепло
12:54
переместилось из Холодного бруска в
12:56
горячей Разве такое возможно ведь тогда
12:59
энтропия падает
13:01
пора вспомнить что об этом говорил
13:03
Людвиг больцман
13:05
перенос тепла от холодного горячему
13:07
возможен просто не очень вероятен всего
13:13
существует
13:14
91520 комбинаций с девятью юнитами
13:17
энергии в левом бруске и
13:20
627264 с пятью юнитами в каждом
13:24
то есть равное распределение энергии
13:27
между двух брусков примерно в 6 раз
13:29
более вероятно Если учесть все
13:31
комбинации окажется что с вероятностью
13:34
10,5 % в левом бруске Соберется больше
13:38
юнитов энергии чем было изначально Но
13:41
почему тогда мы ничего такого не
13:42
наблюдаем
13:43
смотрите Что случится если мы увеличим
13:46
число атомов брусках до 80 а юнитов
13:50
энергии станет 100 70 в левом и 30 в
13:53
правом всего пять сотых процента что
13:56
левый брусок станет горячее чем был в
13:58
начале и вероятность упадет еще больше
14:01
если мы продолжим увеличивать число
14:03
атомов в реальных твердых телах сотни
14:06
триллионов атомов и еще более
14:08
внушительное количество юнитов энергии
14:10
вероятность того что тепло перетечет из
14:13
Холодного объекта в горячей настолько
14:15
мала что этого не происходит
14:17
попробуй объяснить на примере кубика
14:20
рубика вот полностью собранный кубик Я
14:23
закрою глаза и начну его разбирать чем
14:25
больше движений тем дальше кубик от
14:28
собранного состояния
14:29
но Откуда мне знать что я его разбираю а
14:33
не наоборот Дело в том что есть только
14:36
один вариант когда он собран несколько
14:38
когда он почти собран и квинтилионы
14:41
комбинации которые по сути будут
14:43
случайным бесцельно направленных усилий
14:46
каждое вращение отдаляет кубик от
14:49
маловероятного то есть собранного
14:51
состояния и приближает к более
14:53
вероятному случайному
14:57
Но если Энергия и все вокруг стремятся к
15:01
беспорядку то как тогда работают
15:04
кондиционеры
15:06
Ведь они остужают и без того прохладные
15:09
помещения при этом нагревая и так теплый
15:11
воздух на улице
15:14
энергия перемещается из холода в Тепло
15:16
снижая энтропию дома
15:19
это возможно только за счет того что в
15:23
другом месте энтропия повышается сильнее
15:27
в случае с кондиционерами на
15:29
электростанции где концентрированная
15:32
химическая энергия угля высвобождается
15:34
нагревая саму станцию турбины
15:36
электрогенераторов и даже провода по
15:39
которым электричество идет дома где
15:42
вентиляторы компрессоры избавляются от
15:44
ненужного тепла снижение энтропии в доме
15:47
с излишком компенсируется ростом
15:49
энтропии в процессе выработки
15:51
электричества
15:55
Но если общая энтропия во Вселенной
15:57
постоянно растет и все что мы делаем ее
16:01
только повышает Почему на Земле есть
16:03
хоть что-то упорядоченное Почему
16:06
раскаленные
16:07
друг от друга Почему существует жизнь
16:12
если бы наша планета была замкнутая
16:15
системой энергия бы и правда рассеялась
16:17
исчезла бы жизнь Все разложилось бы и
16:21
смешалось рано или поздно выровнялась бы
16:24
и температура но к счастью это не так
16:28
и все благодаря солнцу
16:35
так вот ответ солнце дает нам стабильный
16:38
поток низкой энтропии то есть
16:40
концентрированную энергию мы получаем от
16:44
Солнца энергию в более полезном виде чем
16:47
излучений она компактнее
16:50
концентрирование растение поглощает ее
16:53
за счет чего растут и вырабатывают
16:55
сахара этими растениями питаются
16:57
животные а полученная энергия
16:59
поддерживает их организмы дает
17:01
возможность активно жить некоторые звери
17:03
получают энергию поедает других животных
17:05
и так далее на каждом этапе энергия
17:08
рассеивается чуть больше
17:12
ничего себе я об этом не знал вот так в
17:16
конечном итоге вся энергия полученная от
17:18
солнца превращается в тепло и излучается
17:21
землей назад в космос
17:24
Но количество не меняется Я знаю что
17:28
звучит как-то странно у меня степень по
17:30
физике А тогда я Вам доверяю
17:35
рустия энтропии можно судить по
17:37
относительному числу фотонов которые
17:39
Земля получает и который отдает на
17:43
каждый Фотон прилетевший от солнца наша
17:46
планета излучает 20 все что есть на
17:49
земле цветы в полях деревьев в лесу
17:52
стада в саванне ураганы и Торнадо люди
17:56
которые едят 5 дышат всё это превращает
18:00
фотоны с высокой энергией полученные от
18:03
солнца фотоны с меньшей энергией Но их
18:06
20 раз больше
18:08
без источника концентрированной энергии
18:11
и какого-то способа ее России
18:14
жизнь на земле была бы невозможна
18:17
предполагали даже что жизнь сама по себе
18:20
следствие второго закона термодинамики
18:23
если Вселенная стремится к максимальной
18:26
энтропии то жизнь отличный способ этот
18:29
процесс ускорить потому что она
18:31
замечательно справляется с тем чтобы
18:35
высок
18:37
слой воды у поверхности океана например
18:40
энтропия увеличивается на 30 680
18:44
процентов если там есть
18:46
цианобактерии и органические вещества
18:50
Джереми Ингланд выдвинул еще более
18:53
смелое предположение наличие постоянного
18:55
потока концентрированной энергии
18:57
способствует возникновению структур
18:59
которые ее рассеивают в результате со
19:02
временем появляется все более
19:04
эффективные рассеиватели в том числе и
19:07
жизнь или как выразился он сам Если у
19:10
вас есть кучка атомов на которые падает
19:12
свет не стоит удивляться что через
19:15
какое-то время получится растение
19:18
Итак жизнь на земле существует благодаря
19:21
низкой энтропии от солнца но откуда ее
19:24
берет само солнце
19:26
ответ такой из Вселенной мы предполагаем
19:31
что энтропия во Вселенной растет с
19:33
течением времени значит вчера она была
19:36
меньше чем сегодня А позавчера еще
19:38
меньше и так далее до Большого взрыва
19:44
сразу после него энтропия была самой
19:47
низкой в истории Вселенной это так
19:50
называемая гипотеза о прошлом она не
19:53
дает объяснений лишь предполагает что
19:55
так все и было опираясь на эволюцию
19:57
Вселенной Но ведь в начале Вселенная
20:01
была очень плотной горячей и почти
20:03
однородной этакий суп из раскаленной
20:06
материи где разница в температуре не
20:09
превышала одной тысячной процента
20:12
Какая же это низкая энтропия
20:16
мы пока не говорили о гравитации она
20:20
заставляет вещество кучковаться если это
20:23
учитывать то равномерное распределение
20:26
материи очень маловероятное состояние и
20:30
поэтому энтропия будет низкой
20:34
со временем по мере расширения И
20:37
остывания Вселенной начали формироваться
20:39
более плотные области материи в процессе
20:42
огромное количество потенциальной
20:44
энергии преобразовалось в кинетическую и
20:47
эту энергию тоже можно было использовать
20:49
подобно тому как поток воды крутит
20:52
турбины генераторов
20:53
образовавшиеся скопление вещества
20:55
сталкивались друг с другом и часть их
20:58
кинетической энергии выделялась в виде
21:00
тепла количество полезной энергии
21:02
снижалось А значит энтропия росла
21:06
полезная Энергия расходовалась в
21:09
процессе формировались звезды планеты
21:12
Галактики возникла жизнь и энтропия
21:15
росла
21:16
Вселенная родилась энтропия около
21:19
10-88 постоянных бонсмана сейчас на
21:23
звезды обозримой Вселенной приходится
21:25
около 9,5 на 9,8 у межзвездного и
21:30
межгалактического пространства вместе
21:31
энтропия почти в 10 раз больше и всё
21:34
равно это лишь часть того что было сразу
21:37
после возникновения Вселенной гораздо
21:39
больше
21:44
в 1972
21:53
по его мысли энтропии черной дыры должна
21:56
быть пропорциональна площади ее
21:58
поверхности то есть по мере увеличения
22:00
черной дыры растет ее энтропия имеет и
22:04
физики эту идею всерьез не восприняли и
22:06
на ту были причины Согласно классической
22:09
термодинамике если у чёрных дыр есть
22:11
энтропия то должна быть и температура А
22:14
если у них есть температура то должно
22:16
быть излучение Но тогда они не такие уж
22:19
и черные
22:20
доказать ошибочность идеи бикенштейна
22:23
решил Стивен Хокинг Но к его удивлению в
22:27
результате он выяснил что у чёрных дыр
22:29
есть излучение его назвали излучением
22:31
Хокинга и температура тоже есть
22:34
температура черной дыры в центре
22:36
Млечного Пути около 1 103-лионной
22:39
Кельвина а излучение слишком слабое
22:42
чтобы его Засечь Так что она
22:44
довольно-таки чёрная Однако хокингу
22:47
удалось доказать что у черных дыр есть
22:49
энтропия
22:51
Хокинг уточнил его предположение
22:53
высчитал точное значение у
22:56
сверхмассивные черные дыры в центре
22:58
нашей галактики равна примерно
23:05
существования обозримой вселенной и в 10
23:08
раз больше чем у всех остальных частиц
23:10
вместе взятых И это всего одна черная
23:13
дыра
23:15
получится
23:17
четвёртый постоянный
23:20
итак почти вся энтропия Вселенной
23:23
собрана черных дырок А значит энтропия
23:27
молодой Вселенной составляла примерно
23:29
0,003
23:35
% от нынешней
23:38
В общем энтропия была низким и все что
23:42
происходит во Вселенной формирование
23:44
планетных систем слияние галактик
23:46
столкновение астероидов гибель звезд
23:49
процветания жизни стало возможно именно
23:52
благодаря тому что с тех пор энтропия
23:55
постоянно растет процесс идет только в
23:59
одну сторону Мы никогда не видели чтобы
24:02
астероиды расталкивались а планетные
24:04
системы расформировались в Облаке пыли и
24:07
газа между возвращением в прошлое и
24:10
движением будущее Есть очевидная разница
24:13
и причины его в энтропии из-за того что
24:16
все переходит изменение вероятного
24:18
состояния в более вероятное у времени
24:21
есть направление
24:24
предполагается что энтропия будет расти
24:26
пока энергия не рассеется настолько что
24:30
больше никогда не случится ничего
24:32
интересного наступит тепловая смерть
24:35
Вселенной в далеком будущем больше чем
24:39
через 10 в сотой степени лет Когда
24:42
испарится последняя Черная дыра
24:44
Вселенная придет к своему самому
24:46
вероятному состоянию тогда Какой масштаб
24:49
не возьми невозможно будет понять идет
24:52
время вперёд или назад его направление
24:54
вовсе исчезнет
25:00
создается впечатление что энтропия Это
25:03
нечто ужасное ведущее нас к самому
25:05
унылому в мире итогу Но то что
25:08
максимальная энтропия имеет самую
25:10
простую структуру не значит что
25:12
минимально имеет самую сложную Вот
25:15
например чай и молоко когда они в разных
25:18
емкостях ничего интересного но стоит
25:21
налить молоко они смешиваются образуя
25:25
красивые мягкие Вихри появляются они
25:29
моментально и не успеете заметить как от
25:31
них ничего не останется только
25:33
однородная жидкость что высокая что
25:35
низкая почти лишены сложной структуры
25:38
только между этими состояниями
25:50
переведено и озвучено студии vert daydar