Энтропия и сложность для чайников
Добавлено: 21 сен 2019, 16:01
Эту тему хотелось бы посвятить развенчанию распространенных мифов, связанных с понятиями энтропии, сложности, упорядоченности и вторым началом термодинамики. Эти мифы бытуют в основном в среде дарвинистов, поскольку необходимы им для оправдания возможности самопроизвольной эволюции живых организмов. Вот некоторые наиболее одиозные мифы:
Ученые всегда и во всем сомневаются, это их работа, и это нормально. Они даже иногда оспаривают теорию относительности Эйнштейна и закон сохранения энергии. Но второе начало термодинамики просто чемпион по нападкам. Этому есть лишь одно объяснение - идеологическая мотивированность.
Действительно, если дарвинист согласится признать второе начало термодинамики без оговорок и надуманных ограничений, то ему придется признавать и существование Творца, создавшего живые организмы в обход разрушительного действия энтропии, и снабдившего их защищающими от деградации антиэнтропийными механизмами.
Первый миф наиболее распространен. Это первое, с чего начинают оправдываться дарвинисты на любых дискуссионных площадках. И именно этот пункт как нельзя более красноречиво показывает степень невежества этой категории граждан.
Закон сохранения энергии в большинстве своих частных форм, так же как и второе начало термодинамики, сформулирован для изолированных систем, но действует он в любых системах. Оба закона аддитивны, и в этом плане они ничем друг от друга не отличаются. Поэтому говорить о том, что второе начало где-то не действует, абсурдно, и равносильно тому, что якобы и закон сохранения энергии где-то не действует.
Негэнтропия, свободная энергия, также как и просто энергия, не могут вдруг взять и появиться ниоткуда. Следовательно и сложность не может появиться ниоткуда. Ее можно только перенести откуда-то из другого места (как и энергию). Общее же количество свободной энергии и общая сложность в природе могут только снижаться (за счет потерь).
В общем виде второе начало термодинамики для открытых систем сформулировал И.Пригожин:
,
где deS - изменение энтропии за счет внешних процессов, diS - изменение энтропии за счет процессов, протекающих внутри системы,
Второй миф также продиктован исключительно желанием во что бы то ни стало обойти второе начало термодинамики в угоду идеологическим догмам. На самом же деле второе начало нисколько не сложнее, чем остальные законы физики, а может быть и намного проще их.
Третий миф, как и первый, связан с элементарной безграмотностью.
Первый член в уравнении deS позволяет привносить в систему негэнтропию (отрицательную энтропию, свободную энергию, сложность). Это может осуществляться только с веществом, богатым свободной энергией, и больше никак. То есть, чтобы привнести в систему отрицательную энтропию, надо где-то взять вещество, обогащенное свободной энергией (сложное), и переместить его внутрь системы. Обычная энергия без вещества лишь поднимет температуру системы, увеличит тепловую энергию и уменьшит свободную энергию. А значит сложность снизится.
Энергия способна лишь разрушать. Кент Ховинд ярко и образно доносит эту мысль до публики (смотрим с 1:29:25):
Хорошей иллюстрацией этой мысли также могут служить холодильники и кондиционеры. Холодильник не может охладить помещение, в котором он работает. Несмотря на то, что температура в холодильной камере снижается, общая температура в комнате растет. Энергия, потребляемая из розетки, идет на нагрев помещения. Кондиционеры, в отличие от холодильников, справляются с задачей охлаждения помещения, но лишь за счет того, что имеют наружный блок или выхлоп, которые нагревают окружающую среду за окном.
Есть еще один хороший пример, с демоном Максвелла. Его тоже зачастую приводят особо продвинутые "деятели" всяческих наук, которые при этом не потрудились даже заглянуть в Википедию.
Суть эксперимента состоит в том, что если снабжать демона энергией, то частицы можно разделить на холодные и горячие, и таким образом добиться снижения энтропии. Однако сам демон при этом нагреется и сведет все усилия к нулю. Энтропия всей системы, включая демона, вырастет. Расчеты прилагаются. Батарейка считается внешним элементом, поскольку в расчетах не учитывается.
Энтропия в системе, конечно, может снижаться и за счет простого отвода тепла от объекта. В этом случае свободная энергия системы может увеличиваться, а сложность соответственно расти. Последнее лишь предположение, но можно пока допустить подобный сценарий.
Видим, что во-первых, общая свободная энергия и сложность все равно уменьшаются за счет неизбежного рассеяния части свободной энергии при нагреве-охлаждении. Во-вторых, если брать планету Земля в целом, то температура на ней отнюдь не снижается, что не способствует росту сложности. В живых организмах температура также постоянна, и зачастую даже выше, чем в окружающей среде. И если даже в каком-то отдельном организме температура понизится временно, то при очередном повышении все гипотетические приобретения сведутся на нет.
Но в принципе, роста свободной энергии, а значит и сложности, в чайнике может и вовсе не происходить. Действительно, откуда в чайнике при охлаждении возьмется дополнительная свободная энергия? Взяться ей неоткуда.
Согласно формулам, рост свободной энергии в чайнике совершенно неочевиден:
F = U - TS,
U = Q - A,
где F- свободная энергия, U - внутренняя энергия, T - температура, S - энтропия, Q - теплота, A - работа.
Работу в нашем случае можно принять за ноль. Получаем:
F = Q - TS.
Все три параметра теплота Q, температура T и энтропия S в чайнике убывают, следовательно со свободной энергией может происходить все, что угодно. Вполне вероятно, что она также убывает. Следовательно, поводов говорить о самоусложнении термодинамических (живых) систем вовсе не остается.
Таким образом, мы видим, что миф номер четыре оказывается полностью несостоятельным.
Хотелось бы попутно разоблачить еще один миф, который часто муссируют дарвинисты в связи с фактом поддержания в живых системах пониженного уровня энтропии по сравнению с окружающей средой. Они объясняют это тем, что негэнтропия поступает в организм с едой. Но этот аргумент смехотворен. Во-первых, неизвестно, откуда в пище, допустим, растительной, вообще возьмется сложность. Солнечная энергия может лишь увеличивать энтропию. А во-вторых, любая сложность полностью разрушается в пищеварительной системе. Белки разрушаются в желудке и кишечнике до аминокислот, а ДНК деградирует до отдельных нуклеотидов. Все эти жалкие остатки былой роскоши по уровню свободной энергии и сложности не могут сравниться с полноценными белками и ДНК организма. Следовательно, для создания всего этого богатства организму требуется черпать негэнтропию из других источников, но никак не из пищи.
Пятый пункт. Понятие сложности часто пытаются заменить понятием упорядоченности, порядка. Объясняют это непонятностью и неопределенностью термина сложность и наглядностью термина упорядоченность. Однако в реальности дело обстоит с точностью до наоборот. У термина упорядоченность не существует научного определения, это бытовой термин. Порядок может рассматриваться лишь как аналог или синоним регулярности, периодичности, повторов, закономерностей.
Сложность же, напротив, имеет строгое формальное определение. Это описательная или Колмогоровская сложность. Она представляет собой длину описания какой-либо строки, последовательности. В нашем случае это описание термодинамической системы. Чем описание длиннее, тем сложность выше.
Самой большой сложностью обладают неупорядоченные системы, а самой маленькой - упорядоченные, имеющие множество повторов, регулярностей, закономерностй, позволяющих сжать исходное описание до минимальных размеров. Отсюда видно, что сложность и упорядоченность - это противоположные понятия.
Дарвинистов обычно повергает в недоумение тот факт, что энтропия растет с увеличением хаотичности системы, и противоположная величина - негэнтропия (свободная энергия, сложность) тоже растет по мере возрастания хаотичности. Но ничего странного в этом на самом деле нет, наоборот, всё ясно и логично. Энтропия связана с описанием тех структур и взаимосвязей системы, которые отвечают за тепловую энергию. Соответственно, негэнтропия - это описание тех структур и взаимосвязей, которые отвечают за свободную энергию системы. Ясно, что с ростом хаотичности системы оба описания - и энтропийное, и негэнтропийное растут. А длина описаний - это и есть сложность. Можно сказать, что есть две сложности - тепловая энтропийная сложность, и негэнтропийная сложность. Но тепловая сложность нас не интересует, поэтому этот термин на практике не используется. А негэнтропийная сложность имеет прямое отношение к живым организмам, она нас интересует. Её мы и используем на практике, когда говорим об усложнении или упрощении термодинамической (живой) системы. Усложнение означает, что живая система содержит большее количество свободной энергии, живые структуры и взаимосвязи содержат большее количество информации, их описание более длинное.
Например, более длинная ДНК при прочих равных всегда более сложная чем короткая ДНК, поскольку её описание длиннее. ДНК с хаотичным содержимым всегда сложнее, чем упорядоченная ДНК, потому что описание упорядоченной ДНК за счет частых повторов и регулярностей хорошо сжимается, и в итоге такое описание оказывается радикально более коротким чем описание неупорядоченной ДНК.
С этих позиций становится понятно, почему у нобелевского лауреата Ильи Пригожина не получилось объяснить возникновение и существование живых организмов. Его усилия были направлены не туда. Он изучал процессы самоорганизации, понимая под этим упорядочивание. Ясно, что упорядочивание - это побочное явление, не связанное с самоусложнением, и даже противоположное ему. Можно открыть какие-то механизмы самоупорядочивания, но механизмы усложнения таким образом не найти. В рамках термодинамики это принципиально невозможно сделать. Механизмы противодействия энтропии следует искать в новых, еще не открытых, законах природы, присущих лишь живым системам.
Об этом писал академик Струминский Владимир Васильевич. Антиэнтропийные законы для живых систем пытался сформулировать профессор Кобозев Николай Иванович.
Физик Сергей Вертьянов специально изучал синергетику, неравновесную термодинамику Пригожина, но был разочарован, так как узнал, что ни Илье Пригожину, ни его коллегам не удалось приблизиться к решению проблемы возникновения жизни (с 5 мин 20 сек):
- Второе начало термодинамики не применимо к живым системам, поскольку оно сформулировано для закрытых систем, а живые системы открытые
- Второе начало термодинамики сложное для понимания и неоднозначное в трактовке
- Поступление энергии способно привести к усложнению системы
- Энтропия на Земле и в живых системах может снижаться, а сложность возрастать. Второе начало термодинамики допускает самоусложнение термодинамических (живых) систем
- Понятие сложности неоднозначно и расплывчато, плохо согласуется со вторым началом термодинамики, плохо описывает живые системы, и лучше использовать вместо него более определенное понятие упорядоченности
- Синергетика описывает механизмы самоусложнения, а возможность самоусложнения доказана Ильей Пригожиным
Ученые всегда и во всем сомневаются, это их работа, и это нормально. Они даже иногда оспаривают теорию относительности Эйнштейна и закон сохранения энергии. Но второе начало термодинамики просто чемпион по нападкам. Этому есть лишь одно объяснение - идеологическая мотивированность.
Действительно, если дарвинист согласится признать второе начало термодинамики без оговорок и надуманных ограничений, то ему придется признавать и существование Творца, создавшего живые организмы в обход разрушительного действия энтропии, и снабдившего их защищающими от деградации антиэнтропийными механизмами.
Первый миф наиболее распространен. Это первое, с чего начинают оправдываться дарвинисты на любых дискуссионных площадках. И именно этот пункт как нельзя более красноречиво показывает степень невежества этой категории граждан.
Закон сохранения энергии в большинстве своих частных форм, так же как и второе начало термодинамики, сформулирован для изолированных систем, но действует он в любых системах. Оба закона аддитивны, и в этом плане они ничем друг от друга не отличаются. Поэтому говорить о том, что второе начало где-то не действует, абсурдно, и равносильно тому, что якобы и закон сохранения энергии где-то не действует.
Негэнтропия, свободная энергия, также как и просто энергия, не могут вдруг взять и появиться ниоткуда. Следовательно и сложность не может появиться ниоткуда. Ее можно только перенести откуда-то из другого места (как и энергию). Общее же количество свободной энергии и общая сложность в природе могут только снижаться (за счет потерь).
В общем виде второе начало термодинамики для открытых систем сформулировал И.Пригожин:
,
где deS - изменение энтропии за счет внешних процессов, diS - изменение энтропии за счет процессов, протекающих внутри системы,
Формулировка второго начала для открытых систем. Продукция и поток энтропии
Пригожин предложил такую формулировку второго начала термодинамики для открытых систем (в том числе, для живых организмов):
В открытой системе изменение внутренней энергии за счёт процессов внутри системы всегда отрицательно, а изменение энтропии за счёт процессов внутри системы всегда положительно.
Подход Пригожина позволил разрешить все противоречия и спорные вопросы, которые накопились за столетие. Формулировка Пригожина сейчас принята всеми; не известно ни одного случая нарушения установленных им закономерностей.
Эту формулу тоже можно считать выражением 2 начала термодинамики для открытых систем.
Второй миф также продиктован исключительно желанием во что бы то ни стало обойти второе начало термодинамики в угоду идеологическим догмам. На самом же деле второе начало нисколько не сложнее, чем остальные законы физики, а может быть и намного проще их.
Третий миф, как и первый, связан с элементарной безграмотностью.
Первый член в уравнении deS позволяет привносить в систему негэнтропию (отрицательную энтропию, свободную энергию, сложность). Это может осуществляться только с веществом, богатым свободной энергией, и больше никак. То есть, чтобы привнести в систему отрицательную энтропию, надо где-то взять вещество, обогащенное свободной энергией (сложное), и переместить его внутрь системы. Обычная энергия без вещества лишь поднимет температуру системы, увеличит тепловую энергию и уменьшит свободную энергию. А значит сложность снизится.
Энергия способна лишь разрушать. Кент Ховинд ярко и образно доносит эту мысль до публики (смотрим с 1:29:25):
Хорошей иллюстрацией этой мысли также могут служить холодильники и кондиционеры. Холодильник не может охладить помещение, в котором он работает. Несмотря на то, что температура в холодильной камере снижается, общая температура в комнате растет. Энергия, потребляемая из розетки, идет на нагрев помещения. Кондиционеры, в отличие от холодильников, справляются с задачей охлаждения помещения, но лишь за счет того, что имеют наружный блок или выхлоп, которые нагревают окружающую среду за окном.
Есть еще один хороший пример, с демоном Максвелла. Его тоже зачастую приводят особо продвинутые "деятели" всяческих наук, которые при этом не потрудились даже заглянуть в Википедию.
Суть эксперимента состоит в том, что если снабжать демона энергией, то частицы можно разделить на холодные и горячие, и таким образом добиться снижения энтропии. Однако сам демон при этом нагреется и сведет все усилия к нулю. Энтропия всей системы, включая демона, вырастет. Расчеты прилагаются. Батарейка считается внешним элементом, поскольку в расчетах не учитывается.
Энтропия в системе, конечно, может снижаться и за счет простого отвода тепла от объекта. В этом случае свободная энергия системы может увеличиваться, а сложность соответственно расти. Последнее лишь предположение, но можно пока допустить подобный сценарий.
Видим, что во-первых, общая свободная энергия и сложность все равно уменьшаются за счет неизбежного рассеяния части свободной энергии при нагреве-охлаждении. Во-вторых, если брать планету Земля в целом, то температура на ней отнюдь не снижается, что не способствует росту сложности. В живых организмах температура также постоянна, и зачастую даже выше, чем в окружающей среде. И если даже в каком-то отдельном организме температура понизится временно, то при очередном повышении все гипотетические приобретения сведутся на нет.
Но в принципе, роста свободной энергии, а значит и сложности, в чайнике может и вовсе не происходить. Действительно, откуда в чайнике при охлаждении возьмется дополнительная свободная энергия? Взяться ей неоткуда.
Согласно формулам, рост свободной энергии в чайнике совершенно неочевиден:
F = U - TS,
U = Q - A,
где F- свободная энергия, U - внутренняя энергия, T - температура, S - энтропия, Q - теплота, A - работа.
Работу в нашем случае можно принять за ноль. Получаем:
F = Q - TS.
Все три параметра теплота Q, температура T и энтропия S в чайнике убывают, следовательно со свободной энергией может происходить все, что угодно. Вполне вероятно, что она также убывает. Следовательно, поводов говорить о самоусложнении термодинамических (живых) систем вовсе не остается.
Таким образом, мы видим, что миф номер четыре оказывается полностью несостоятельным.
Хотелось бы попутно разоблачить еще один миф, который часто муссируют дарвинисты в связи с фактом поддержания в живых системах пониженного уровня энтропии по сравнению с окружающей средой. Они объясняют это тем, что негэнтропия поступает в организм с едой. Но этот аргумент смехотворен. Во-первых, неизвестно, откуда в пище, допустим, растительной, вообще возьмется сложность. Солнечная энергия может лишь увеличивать энтропию. А во-вторых, любая сложность полностью разрушается в пищеварительной системе. Белки разрушаются в желудке и кишечнике до аминокислот, а ДНК деградирует до отдельных нуклеотидов. Все эти жалкие остатки былой роскоши по уровню свободной энергии и сложности не могут сравниться с полноценными белками и ДНК организма. Следовательно, для создания всего этого богатства организму требуется черпать негэнтропию из других источников, но никак не из пищи.
Пятый пункт. Понятие сложности часто пытаются заменить понятием упорядоченности, порядка. Объясняют это непонятностью и неопределенностью термина сложность и наглядностью термина упорядоченность. Однако в реальности дело обстоит с точностью до наоборот. У термина упорядоченность не существует научного определения, это бытовой термин. Порядок может рассматриваться лишь как аналог или синоним регулярности, периодичности, повторов, закономерностей.
Сложность же, напротив, имеет строгое формальное определение. Это описательная или Колмогоровская сложность. Она представляет собой длину описания какой-либо строки, последовательности. В нашем случае это описание термодинамической системы. Чем описание длиннее, тем сложность выше.
Самой большой сложностью обладают неупорядоченные системы, а самой маленькой - упорядоченные, имеющие множество повторов, регулярностей, закономерностй, позволяющих сжать исходное описание до минимальных размеров. Отсюда видно, что сложность и упорядоченность - это противоположные понятия.
Дарвинистов обычно повергает в недоумение тот факт, что энтропия растет с увеличением хаотичности системы, и противоположная величина - негэнтропия (свободная энергия, сложность) тоже растет по мере возрастания хаотичности. Но ничего странного в этом на самом деле нет, наоборот, всё ясно и логично. Энтропия связана с описанием тех структур и взаимосвязей системы, которые отвечают за тепловую энергию. Соответственно, негэнтропия - это описание тех структур и взаимосвязей, которые отвечают за свободную энергию системы. Ясно, что с ростом хаотичности системы оба описания - и энтропийное, и негэнтропийное растут. А длина описаний - это и есть сложность. Можно сказать, что есть две сложности - тепловая энтропийная сложность, и негэнтропийная сложность. Но тепловая сложность нас не интересует, поэтому этот термин на практике не используется. А негэнтропийная сложность имеет прямое отношение к живым организмам, она нас интересует. Её мы и используем на практике, когда говорим об усложнении или упрощении термодинамической (живой) системы. Усложнение означает, что живая система содержит большее количество свободной энергии, живые структуры и взаимосвязи содержат большее количество информации, их описание более длинное.
Например, более длинная ДНК при прочих равных всегда более сложная чем короткая ДНК, поскольку её описание длиннее. ДНК с хаотичным содержимым всегда сложнее, чем упорядоченная ДНК, потому что описание упорядоченной ДНК за счет частых повторов и регулярностей хорошо сжимается, и в итоге такое описание оказывается радикально более коротким чем описание неупорядоченной ДНК.
С этих позиций становится понятно, почему у нобелевского лауреата Ильи Пригожина не получилось объяснить возникновение и существование живых организмов. Его усилия были направлены не туда. Он изучал процессы самоорганизации, понимая под этим упорядочивание. Ясно, что упорядочивание - это побочное явление, не связанное с самоусложнением, и даже противоположное ему. Можно открыть какие-то механизмы самоупорядочивания, но механизмы усложнения таким образом не найти. В рамках термодинамики это принципиально невозможно сделать. Механизмы противодействия энтропии следует искать в новых, еще не открытых, законах природы, присущих лишь живым системам.
Об этом писал академик Струминский Владимир Васильевич. Антиэнтропийные законы для живых систем пытался сформулировать профессор Кобозев Николай Иванович.
Как и зачем возникла жизнь на Земле и других планетах космоса
Струминский Владимир Васильевич, академик РАН
О физике мышления. Об информации как факторе биологическом
Кобозев Николай Иванович, физико-химик, профессор химического факультета МГУ
Физик Сергей Вертьянов специально изучал синергетику, неравновесную термодинамику Пригожина, но был разочарован, так как узнал, что ни Илье Пригожину, ни его коллегам не удалось приблизиться к решению проблемы возникновения жизни (с 5 мин 20 сек):