В истории мироздания огромную роль играет практически постоянно и повсеместно действующая энтропия. Образно говоря, - это своеобразная госпожа Вселенной, ее бич и напасть, универсальная всеобщая разрушительная сила, действующая исподтишка. Так что же это такое?

Энтропия (от греч. entropia - поворот, превращение) - одно из фундаментальных и всеохватывающих свойств материи. Ее учет абсолютно необходим для физического и мировоззренческого понимания свойств Вселенной.

К сожалению, в строгом научном изложении это понятие достаточно сложное и многогранное, рассматриваемое с разных позиций, требующее (даже для ее изложения) применения далеко не школьной физики и элементов высшей математики. Как правило, это делает понимание данного понятия лицами с гуманитарным складом ума практически невозможным.

	Наверх
.Энтропия - языком физиков

Сначала - относительно строго и сложно. Согласно БЭКМ (в сокращенном изложении):

Энтропия - функция [интеграл] состояния термодинамической системы, изменение которой в равновесном процессе равно отношению количества теплоты, сообщенного системе (или отведенного от нее), к термодинамической температуре системы.

В несколько упрощенной математической записи: dS = dQ / T

То есть, грубо говоря, физическое явление, определяющее связь количества тепла при его перераспределении в условиях данной системы, и температуры.

Взяв интеграл от обеих частей уравнения, получают собственно энтропию - величину изменения (потери) энергии S.

Статистическая физика рассматривает энтропию как меру вероятности пребывания системы в данном состоянии (принцип Больцмана).

Это, кстати, еще один пример иного, нового толкования ранее введенного кем-то определения, в пределах своей научной темы и ее теории. Демонстрирующий допустимость такого подхода.
На данном сайте подобное наиболее выразительно проведено в отношении определений разума и духовности.

Все представленные выше "определения", конечно, мало способствуют их восприятию обычными людьми.

	Наверх
.Об энтропии - проще

Ближе к нормальной человеческой речи и сути дела следующее заявление (там же, в БЭКМ):

Энтропия - мера необратимого рассеяния энергии

Фактически, это тот же интегральный вид определения, выраженный обычными словами (но все равно не очень понятными обычному обывателю, и, вообще говоря, не нужными ему).

Однако, для мировоззренческих целей более важна не сама эта величина ("мера"), рассчитанная по какой-то там формуле, а то, что в этом определении по умолчанию подразумевается общее свойство материи - постоянно рассеивать любую избыточную энергию и приходить в состояние наиболее устойчивого равновесия. (Доказательством этого как раз и является принцип Больцмана).

В связи нехваткой важных упущенных слов, хотелось бы иметь другое, понятное, и, вместе с тем, более четкое определение понятия. Пригодное в быту и для философии.

Попробуем подступиться к этой проблеме с совсем простых, житейских позиций.

Вначале рассмотрим ряд примеров: камень катится с горы в пропасть; отключенный или снятый с огня горячий чайник остывает до комнатной температуры; заряженный электрический конденсатор после отключения от источника питания разряжается; топливо, сгорая, приносит тепло в жилище, которое затем безвозвратно рассеивается; звезда непрерывно излучает энергию в окружающее пространство
и т.п.

Во всех этих и аналогичных случаях совершенно очевидно присутствует необратимое рассеяние энергии. Очевидно также и то, что энергия, содержащаяся в одном объекте системы в избыточном количестве, передается остальным ее объектам (в общем случае - просто в окружающую среду), у которых энергия (или, например, такой ее параметр, как температура) более низкая.

Приведенные примеры и видимые невооруженным глазом их последствия подсказывают нам, что так бывает всегда (хотя ниже приводятся и уточнения по данному поводу). Это позволяет сделать следующее заявление:

Энтропия - общее свойство выравнивания энергетических параметров в отдельно взятых (изолированных) материальных системах

Выглядит это определение несколько более громоздким, чем предыдущее, зато оно гораздо более широкое и значимое. Оно совсем не исключает предыдущее, а только дополняет его в общефилософском смысле (за счет рассмотрения энтропии в аспекте свойство).

Слово общее в вышеприведенном определении говорит о том, что в подавляющем большинстве случаев события в системах развиваются по наиболее вероятному сценарию: объекты системы переходят из состояния менее устойчивого равновесия в состояние более устойчивого. (Это и есть суть вышеупомянутого принципа Больцмана. Укладывается это и в обычную логику здравого смысла).

Вместе с тем, существенно, что в определении отсутствует слово любых. И то, что данное свойство общее, а не всеобщее. Это очень важно. В общем и целом - выравнивание энергий происходит практически почти во всех системах. Оно наиболее вероятно. Но...

	Наверх
.Флуктуации

Однако, бывают и исключения, т.н. флуктуации.

Флуктуации - маловероятные, но эпизодически реально существующие переходы систем из состояния более устойчивого равновесия в состояние менее устойчивого

По своей сути флуктуации диаметрально противоположны энтропии. Из-за своей незначительной вероятности они происходят сравнительно редко и на общую картину мира влияют только локально и временно.

Тем не менее, своей жизнью в виде вещества Вселенная обязана именно флуктуациям среди квантов энергии в период первичного образования элементарных частиц. Благодаря им же из первичного газа Вселенной образовались звездные системы и галактики. Так что роль этих, на первый взгляд, кажущихся незначительными событий в эволюции Вселенной, исключительно велика и важна.

Флуктуации - неслучайные проявления случайного (вероятностного) поведения частиц в микромире за счет их квантовых свойств и принципа неопределенности (на данном сайте не рассматривается). При крайне редкой благоприятной статистике флуктуаций они становятся заметными и в макромире - мире, в котором все мы живем.

Флуктуации - главный созидающий фактор мироздания.

	Наверх
.Неравная борьба?

Вся история Вселенной - это эпизодические проявления флуктуаций на фоне всеобщей и всепоглощающей энтропии.

Процессы энтропии обрекают практически все ныне существующие во Вселенной объекты на неизбежную гибель. Но в общефилософском смысле это никого не должно беспокоить. За счет тех же флуктуаций все еще возможно формирование новых зведных систем, а то и галактик. С другой стороны, неизбежна и общая гибель нашей Вселенной за счет других процессов, описанных в статье "Большой взрыв". Но это может случиться (если таки случится) только через несколько десятков или сотен миллиардов лет (а то и позже). Так что волноваться на этот счет пока не стоит.

	Наверх
."Загадочная" экспонента

Процессы рассеивания, при рассмотрении их во времени, идут по кривой, именуемой экспонентой. Ее форма почему-то не всем понятна (а некоторым - и не известна).

Проведем следующий упрощенный анализ (см. нижепредставленный график).

Пусть в начальный момент времени в окружающую среду с температурой Тос (и, к тому же, с большой массой и высокой теплопроводностью, чтобы можно было пренебречь ее возможным разогревом) вносится небольшое (чтобы теплообмен в нем самом происходил достаточно быстро) ТЕЛО с температурой То. Разница их теператур обозначена алым (красным) цветом на вертикальной оси координат.

Через какое-то время t1 температура этого тела понизится до значения Т1. Новым красным отрезком в точке t1 (на графике - над этой точкой) обозначена остающаяся на этот момент времени разница температур между телом и средой, а отрезок розово-фиолетового цвета показывает потерю температуры телом на этот момент.

Для наглядности и отрезки времени, и потеря температуры показаны очень большими.

Аналогично, через еще один такой же период времени, в момент t2, температура тела снизится уже до Т2.

Одним из свойств природы явяется то, за равные промежутки времени скорость процессов обмена энергией по относительной величине является неизменной (это может быть легко проверено и экспериментальным путем).

На данном графике, для примера и наглядности, принято, что от первоначальной (в момент времени 0) разности температур То-Тос ее остаток в момент t1 составляет 30%, а потеря - 70%. Эти цифры являются относительными и сохраняют свою неизменность в ходе всего дальнейшего процесса.

Поэтому в момент t2 новый остаток разности температур (красный отрезочек) опять составляет 30% от своего предыдущего значения (слева по графику), а сиреневый (потеря температуры за время t2-t1) - 70% от прежнего остатка Т1-Тос

Точно так же процесс протекает и в дальнейшем.

Заметим, что по абсолютной величине изменения температуры (измеренной в градусах) скорость процесса все время замедляется. Оно и понятно: в первые моменты времени причина, своеобразная движущая сила обмена энергией - разность температур, очень велика, что и приводит к большой плотности потока перетекающей энергии. По мере выравнивания температур причина (разность температур) все ослабевает, а за нею - и абсолютная скорость всего процесса.

Если отрезки времени взять очень маленькими (в теоретическом идеале - стремящимися к нулю), то и все отрезки, соединяющие Т1-Т2-Т3-Т4 ... станут очень коротенькими, а полученная ломанная линия фактически сольется с некоторой логарифмической (или, что одно и то же, показательной) кривой. (Только при таком ее характере и возможно упомянутое выше постоянство относительных изменений).

Как показывают дальнейшие исследования, это и есть та самая "загадочная" кривая, которую называют экспонентой.

[Для любителей точности здесь можно порекомендовать сразу перейти к следующему подзаголовку "Удивительное" число е, а уж потом продолжить чтение текста, набранного красным цветом]

Примеры. При включении любого электронного устройства входящие в его состав конденсаторы заряжаются, по возрастающим экспонентам. Раскаленный меч или топор, погружаемый кузнецом в воду для закаливания, быстро охлаждается, а вода при этом нагревается. Если пренебречь скоростью теплообмена в воде и частичным ее выкипанием, то она нагревается тоже по нарастающей экспоненте. И т.д.

Изменения, протекающие по экспонентам, называются переходными процессами.

	Наверх
."Удивительное" число е

Вернемся к упомянутым выше очень маленькими (в теоретическом идеале - стремящимися к нулю) отрезкам времени, на которые надо было бы разбить процесс для точного наблюдения за его ходом. Самих же таких отрезков надо было бы взять очень много (теоретически - бесконечное количество)

Для упрощения понимания обозначим это огромное количество отрезков времени буквой n. А для возможности осуществления последующих расчетов без методов высшей математики, все-таки, возмем его конечным, например 10 миллионов штук. (Почему именно столько? Потому что мы пройдем по следам выдающегося шотландского математика Джона Непера, а он брал их ровно столько).

Нашу исходную разницу параметров (температур) То-Тос условно, для обеспечения простоты последующих расчетов, примем за единицу.

За n отрезков времени эта разница температур тоже разобьеся на такое же количество отрезков (Не равных по абсолютной величине, но зато равноубывающих по величине относительной. Без этого, как указано выше, никакой логарифмической кривой у нас не получилось бы. А только такая кривая подтверждается результатами любых экспериментов в области переходных процессов).

За каждый принятый в данных рассуждениях отрезок времени наша исходная единицаразницы температур уменьшиться на очень маленькую величину, примерно равную 1/n (вначале "кусочки" будут заметно больше этой дроби, а в конце - заметно меньше; реально они находятся в среднегеометрическом отношении, а не равны среднеарифметическому значению).

К концу первого отрезка времени от величины исходного параметра (в данном случае - нашей условной температурной "единицы") останеться примерно (1 - 1/n).

Через n отрезков времени условный "остаток" (здесь допущено сознательное упрощение, введенное для сохранения логики рассуждений) составит (1 - 1/n) в степени n.

Подставив вместо n его значение 10000000, получим число, равное: 0,9999999 в степени 10000000. Современный калькулятор или компьютер мгновенно выдает результат такой арифметической операции (раньше люди вычисляли это вручную, годами!):

0,367879422777469496607866929103151

На самом деле это никакой не остаток, а величина, в логарифмическом масштабе характеризующая скорость убывания исследуемого параметра.

Величина, обратная этому числу (1 / х), и равная 2,71828196437314911710545225840654 и есть приблизительное значение того, что принято именовать Неперовым числом или числом e (являющееся основанием т.н. натурального логарифма).

Такое свое обозначение число е берет от первой буквы латинской записи слова экспонента (exponenta).

Если бы мы имели дело с нарастающей экспонентой, то после "приращения" ничтожно малого кусочка имели бы величину (1 + 1/n), а после возведения ее в степень n получили бы:

1,0000001 в степени 10000000, что равно 2,71828169254496627119855022577777

Это и есть число e, полученное как бы "с другой стороны" кривой. Как видно, числа, полученные разными способами, различаются, начиная с 7-го знака после запятой.

Чем на большее количество отрезков был бы разбит рассматриваемый процесс, тем более точное значение числа е мы получали бы (но оно всегда оставалось бы иррациональным и трасцендентным, см. математику).

Приведенная выше логика рассуждений дает представление о том, почему в природе все переходные процессы протекают примерно в этом темпе, по логарифмической кривой с основанием e, и почему соответствующие логарифмы названы натуральными, то есть, природными.

Привычная нам 10-ричная система исчисления исходит лишь из наличия 10 пальцев на двух руках человека. (Но во многих языках мира исходный ряд числообразования продолжается до 12, и только с числа 13 начинаются лингвистические построения по формуле 10 + х).

А для природы наиболее естественным является именно число e.