Три кита
В древности люди полагали, что земля покоится на трех китах. На самом деле три кита, на которых держится вселенная – это энергия, информация и, увы, энтропия. Рассмотрим, в каких отношениях эти три категории между собой находятся.
Отметим, что работа может совершаться только при наличии разности потенциалов, то есть когда энергия имеет возможность перетекать с одного уровня (высокого) на другой (низкий). Но наличие различных уровней предполагает уже какой-то порядок, описываемый определенным количеством информации. Энтропия же по своей сути означает не что иное, как выравнивание потенциалов. При максимальной энтропии и нулевой упорядоченности никакой работы производиться не может.
Казалось бы, всё просто. Энергия должна быть прямо пропорциональна информации (упорядоченности) и обратно пропорциональна энтропии.
Однако на самом деле зависимость между этими тремя величинами более сложная.
Говоря об информации, мы различаем абсолютную информацию и распределенную информацию (которая может возрастать при неизменной величине абсолютной информации). Говоря об энергии, тоже следует различать свободную энергию (готовую совершить работу) и связанную энергию, которая в связанном состоянии не может совершать работу, но может совершить её при определенных условиях (при условии «высвобождения»). Поэтому связанную энергию еще называют потенциальной.
Различие между связанной и свободной энергией демонстрирует стоячая вода в пруду и вода, низвергающаяся в водопаде. Вода одна и та же, но вторая может совершать полезную работу, скажем, вращать турбины гидроэлектростанции, а первая – не может. Другой пример: перепад атмосферного давления порождает ветер, способный толкать вперед парусное судно. Если давление выравнивается, ветер стихает, наступает штиль – и парусник останавливается: нет энергии, способной совершать работу!
Для того чтобы заставить судно двигаться в условиях штиля, нужно установить на него паровой или дизельный двигатель и сжигать топливо. Для того чтобы заставить стоячую воду совершать работу, надо прокопать канал к более низкому уровню поверхности или нагнетать её насосом на более высокий уровень. Можно высвободить ядерную энергию, заточенную внутри вещества, если создать необходимые условия для протекания ядерной реакции. Но для того, чтобы перевести связанную энергию в свободное состояние в любом случае требуется приложить какие-то усилия, затратить какую-то энергию.
Заметим: различие между свободной и связанной энергией состоит в том, что свободная энергия всегда самостоятельно стремится перейти в связанное состояние (совершаемая ею работа приводит к выравниванию потенциалов), а связанная энергия самостоятельно не переходит в свободное состояние: для этого требуется оказать на нее внешнее воздействие, и затратить какое-то количество свободной энергии.
Что же получается? Получается, что с ростом упорядоченности системы (с ростом количества информации) возрастает не всё количество энергии, а только её свободная часть. А с ростом энтропии убывает только свободная энергия, а количество связанной возрастает. А что при этом происходит с общим количеством энергии в системе? Оно уменьшается или убывает? При таком раскладе это уже не выглядит столь очевидным.
Чтобы разобраться с этим, необходимо рассмотреть некоторые фундаментальные законы мироздания. Без этого никак не обойтись. Знание этих законов позволит выяснить весьма важные вещи. Но, поскольку мы собираемся применить эти законы к Вселенной, прежде нужно разобраться с такими понятиями, как Вселенная и материя.