В последнее время появилось несколько резонансных исследований, в которых авторы пытались определить вероятность того, что мы живем в симулированной реальности.

Хотя перспектива окончательного получения положительного ответа выглядит не слишком радужной – и в принципе не очень приятно осознавать, что ты персонаж чьей-то «компьютерной игры», и отключить могут в любой момент, особенно, если «персонаж» обо всем догадается – странным образом во всех этих исследования прослеживается неявная попытка подыграть сторонникам теории симуляции. Исследователи как будто специально ищут аргументы для того, чтобы вероятность симуляции получилась выше.

А есть ли какие-нибудь аргументы, которые могут снизить эту вероятность, или вообще обнулить?

И, вероятно, самым очевидным кандидатом на роль аргумента-ниспровержителя является полная беспомощность нашей реальности перед постоянно растущей энтропией.

Энтропия в представлении естественных и точных наук обозначает меру необратимого рассеивания энергии (диссипация энергии – переход части энергии упорядоченных процессов в неупорядоченные и, в конечном итоге в теплоту) в замкнутых системах. Так как энтропия во Вселенной (которая неизбежно является замкнутой системой) всегда только возрастает, то ее часто ассоциируют со стрелой времени – необратимость энтропии и способность времени двигаться только в одном направлении неизбежно приводят к представлению об их взаимной связи.

Например, упрощенно эта связь проиллюстрирована в блокбастере Кристофера Нолана «Довод» - там обладание соответствующей технологией напрямую позволяет объектам и людям с инвертированной энтропией двигаться от следствия к причине, то есть назад во времени.

Но энтропия также имеет связь с информацией. Схематично это связь можно обрисовать примерно так: если реальность нашей Вселенной представить в виде комбинации битов информации, сочетание которых в каждый момент времени описывает состояние материи и протекающие с ней процессы, то любой последующий момент времени добавляет новую информацию, что сопровождается ростом энтропии.

Что же это означает с точки зрения теории моделирования? Вроде бы все классно: информация, биты… Бери и пользуйся, моделируй желаемую реальность.

Но почему из этого должна следовать неизбежность энтропии? Ведь создатель симуляции может не только произвольно манипулировать временем (перематывая симуляцию в любом желаемом направлении), но и заложить в своей модели любые способы протекания процессов, в том числе с инвертированной энтропией.

Если мы все-таки живем в симуляции, то есть два варианта объяснения этой странности:

1. Создатель симуляции имеет возможность смоделировать все по-другому, но просто захотел именно так как есть;

2. Создатель симуляции не имеет возможности избежать роста энтропии в своей симуляции.

Сценарий №1

Первое объяснение описывает случай, когда создатель затратил на симуляцию ограниченное количество имеющихся у него вычислительных ресурсов и может вполне «подкинуть в топку дров», но по какой-то причине этого не делает (возможно, пока не делает). Такой сценарий не позволяет нам окончательно разобраться в вопросе «живем ли мы в симуляции?», потому что:

- у нас нет возможности это подтвердить или опровергнуть;

- вопрос о неизбежности энтропии просто переносится на уровень выше, то есть на уровень «вселенной» создателя симуляции.

Это означает, что мы не сможем отследить возможные манипуляции симулятора, если он что-то подправляет в симуляции, так как он легко может корректировать наше восприятие, перепрограммируя его нужным образом. Мы даже не смогли бы заметить, когда симулятор «отматывает» свои модельные сценарии назад во времени, так мы просто ничего не могли бы вспомнить – согласно информационной теории Шеннона снижение энтропии (отмотка во времени назад, как в «Доводе») должна сопровождаться потерей предыдущей информации.

Но это не объясняет необратимость энтропии во Вселенной, ведь второй закон термодинамики справедлив для замкнутых систем, а сценарий с резервом вычислительных мощностей у создателя симуляции дает нам вариант незамкнутой системы – то есть потенциально он может поделиться с нами дополнительной информацией (энергией). И тогда вопрос просто откладывается: если сам создатель существует в замкнутой системе, то как работает энтропия на его «уровне»? А если он тоже существует в незамкнутой системе и над ним тоже есть «некто», то что происходит на том уровне? И так далее, и так далее…

Сценарий №2

В замкнутую систему мы возвращаемся, если объем вычислительных мощностей, затраченных создателем на симуляцию, соответствует его предельным технологическим возможностям и ни сейчас, ни в будущем увеличен быть не может.

Тогда логично предположить, что любое развертывание событий в симуляции ведет к возрастанию объема информации (накопленной о прошлых событиях и текущем состоянии смоделированной системы). К чему это приведет в представлении этой возможной симуляции?

Можно провести аналогию с обычной компьютерной игрой. Когда вы играете на компьютере, максимальные системные характеристики которого соответствуют предельным требованиям, сформулированным создателями игры, то вам приходится выбирать доступные способы снижения нагрузки на систему (например, упрощая отображения игровых персонажей или окружающего мира). Без этого игра будет тормозиться или вообще не запустится.

Вероятно, тоже самое может осуществляться посредством энтропии – она может быть способом «разгрузить симуляцию», избежать сбоев и зависаний.

Что же получается, возрастание энтропии практически доказывает тезис о том, что мы живем в симуляции?

Вернемся к изначальному вопросу, который исходил из того, что если бы мы жили в симуляции, то энтропия не должна была бы считаться неизбежной. В этом контексте, можно только утверждать, что существование энтропии всего лишь не опровергает вариант нашего существования в симулированной реальности, но и не доказывает обратного.

Но, все-таки, энтропия может в итоге стать ключом к решению гипотезы о симуляции, или, по крайней мере, ограничить возможные сценарии возникновения и перспектив таких симуляций. Но это уже тема, требующая отдельного рассмотрения.

Ну, и в завершение кое-что об энтропии:

Может ли двигатель работать со 100%-ной эффективностью? В 1824 году на этот вопрос попытался ответить ученый по имени Николя Леонар Сади Карно, также известный как «отец термодинамики». В одной из своих теоретических моделей он поместил цилиндр с поршнем между двумя тепловыми резервуарами. Оба резервуара сохраняли постоянную температуру, но температура одного из них была выше, чем у другого.

Идея была в том, чтобы преобразить поток тепла между двумя резервуарами в работу. Именно для этого Карно и поместил цилиндр с поршнем между резервуарами. Однако он понял, что 100%-ной производительности добиться не удастся: часть тепла всегда уходила через цилиндр в холодный резервуар.

Первое начало термодинамики утверждает, что энергия не может быть создана или уничтожена — она может только менять свою форму. Но тут есть некоторые ограничения. Закон не определяет направление, в котором может произойти изменение, и не сообщает об обратимости этого изменения. Если мы сбросим с возвышения объект, потенциальная энергия преображается в кинетическую, и он падает. Однако после столкновения с землей он не отскочит обратно на ту же высоту, с которой упал. Почему так происходит? Чтобы понять это, необходимо рассмотреть важный термин — спонтанный процесс.

Спонтанный процесс

Спонтанным процессом в термодинамике называется процесс, способный произойти без какого-либо вмешательства извне: у него должно быть достаточно времени на это. Капните в стакан с водой чернила — они «спонтанно» распространятся по всему стакану, тогда как сахар необходимо размешать, чтобы он растворился. Когда на улице жарко, комната нагревается «спонтанно», но, чтобы охладить ее, вам потребуется кондиционер.

Спонтанное распространение чернил в воде / © Reddit/BigMurph

Исходя из собственного опыта мы знаем, что некоторые происходящие в наших жизнях события спонтанны. Однако ученым надо было найти способ определения спонтанности любого события. Им был необходим способ определения направления, в котором происходит изменение. Эта самая нужда породила то, что сегодня мы называем вторым началом термодинамики.

Второе начало термодинамики

Законы термодинамики определяют, как работа, тепло и энергия влияют на какую-либо систему. Система — это любая ограниченная область во Вселенной, по которой может передаваться энергия. Все, что находится за пределами этой системы, считается ее окружением.

Второе начало термодинамики утверждает, что в спонтанном процессе общая энтропия Вселенной всегда возрастает. Что же такое энтропия?

Энтропия

Если вы вдруг никогда прежде не сталкивались с этим термином, можете ассоциировать его с «беспорядком». Однако в термодинамике определение энтропии чуть более развернуто.

Прежде всего, чтобы понять, что такое энтропия, надо уяснить, что все энергии квантованы. Когда электроны в атоме получают энергию, они впитывают ее только в целых кратных небольшого количества энергии, называемого «квантом».

Когда капля чернил падает в стакан воды, она распространяется по жидкости. Так же, если у вас на столе лежит кусок горячего металла, его тепло распространяется по всей окружающей его среде. Представьте себе, что у вас есть коробка с пятью молекулами газа, которая стоит рядом с этим куском металла. Металл передаст пять квантов тепла газу. Получит ли каждая молекула газа по одному кванту энергии? Не обязательно.

Вполне возможно, что две молекулы получат по два кванта, а одна — только один, тогда как две другие единицы не получат вообще ничего. Возможно, что одна молекула получит три кванта, другая — два, остальные — ничего.

В этом случае есть целых 126 возможных комбинаций процесса передачи квантов тепла

Эти молекулы газа также могут сталкиваться друг с другом и обмениваться кинетической энергией. Однако общая энергия не может превзойти количество предоставленной системе энергии.

Эксперимент с горячим металлом и коробкой с пятью молекулами газа / © Science ABC

Каждая из этих комбинаций называется микросостоянием. Общий уровень энергии называется макросостоянием. Энтропия — это мера вероятностей распределения энергии между молекулами.

Энтропия — переменная состояния, которая описывает физическое состояние системы — вроде давления, температуры и объема. Энтропию можно объяснить следующей математической формулой: S=kBlnΩ,

где S — энтропия, kB — постоянная Больцмана, Ω — мера вероятности. Постоянная Больцмана — это физическая константа, определяющая среднюю кинетическую энергию частиц газа в соотношении с температурой. Для вычисления энтропии эта константа умножается на натуральный логарифм числа микросостояний (мера вероятности).

Изменение в энтропии также можно вычислить делением полученного тепла на температуру. Полученное тепло повышает кинетическую энергию частиц.

По сути, энтропия — это значение числа способов распределения энергии между молекулами, находящимися в системе.

Энтропия теплового двигателя

Вернемся к двигателю Карно и попробуем выяснить, при каких условиях возможен тепловой двигатель. Предположим, что температура горячего резервуара имеет значение TH, а температура холодного резервуара — TC. Количество тепла QH извлекается из резервуара для выполнения работы.

Таким образом, изменение энтропии в горячем резервуаре можно вычислить по следующей формуле: ΔSH = -QH / TH

Q — отрицательна, так как тепло извлекается из резервуара.

После выполнения работы поршнем в двигателе и его возвращения в изначальное состояние изменение энтропии двигателя (ΔSE) будет иметь значение 0.

Если мы предположим, что для выполнения работы используется вся энергия, а холодный резервуар совсем не получает тепла, то энтропия холодного резервуара (ΔSС) тоже будет иметь значение 0.

Следовательно:

Общая энтропия Вселенной становится отрицательной, а значит, не может быть спонтанной.

Теперь предположим, что холодный резервуар получает количество тепла QC и не используется для выполнения работы. В таком случае энтропия холодного резервуара: (ΔSC) — QC / TC.

Так мы получаем следующее:

Единственный случай, при котором двигатель может работать, — когда энтропия Вселенной (ΔSuniverse) положительна или если положительно значение QC / TC — QH / TH, как и гласит второе начало термодинамики.

Универсальный закон

Второе начало термодинамики движет Вселенной. Нам известно, что Вселенная расширяется. Согласно второму началу термодинамики, энтропия Вселенной также должна возрастать.

Звезды — источник энергии Вселенной. К тому моменту, когда последняя звезда испустит свой последний фотон, уровень энтропии будет невероятно высок. Переживать по этому поводу не стоит: все мы уйдем в небытие задолго до этого. Тогда-то и погибнет Вселенная, так как больше не останется энергии для увеличения ее энтропии.

Источник: Naked Science

Читайте также:

– Как несимметричное порождает симметрию, или Почему все планеты вращаются в одной плоскости;

– Что такое Больцмановский мозг;

– Мечты о Красной планете: почему будет тяжело терраформировать Марс.

В древние времена самым простым, а иногда и единственным способом для достижения чего-либо невозможного человек считал обращение к помощи потусторонних сил.

Позже, вместе с бурным развитием наук появилась надежда, что технологический прогресс поможет устранить необходимость привлечения сверхъестественного для решения насущных проблем.

Но ведь потребности человека фактически не удовлетворимы, а границы желаемого расширяются намного быстрее, пределов достижимого.

Поэтому даже ученые иногда прибегают к помощи демонов, особенно когда им необходимо бросить вызов какому-нибудь фундаментальному научному закону. Например, второму началу термодинамики, неумолимая суровость которого, теоретически когда-нибудь приведет к концу своего существования всю нашу Вселенную.

И вот, примерно полтора века назад, чтобы обойти этот закон Джеймс Клерк Максвелл призвал демона, которого теперь все так и называют - «демон Максвелла».

Правда «демоном» его назвал другой знаменитый ученый - Уильям Томсон, которого в свою очередь королева Виктория в благодарность за заслуги перед короной нарекла «бароном Кельвином», именем, под которым он с тех пор и известен всему миру.

Кстати, Томсон в 1851 году и сформулировал одно из определений второго закона термодинамики, который в его интерпретации звучит следующим образом: невозможен процесс, единственным результатом которого является получение системой теплоты от одного источника (теплового резервуара) и выполнение ею эквивалентного количества работы.

При этом Томсон опирался на исследования Сади Карно, который в 1824 году в своей работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», посвящённой паровым машинам, первым сформулировал идею, заложившую основу для понимания второго начала термодинамики:

при отсутствии разности температур теплота не может быть преобразована в работу; для постоянного производства работы тепловой машине необходимо иметь по крайней мере два тепловых резервуара с различными температурами — нагреватель и холодильник.

Но и здесь, если говорить о названиях, не все просто и однозначно. На самом деле, исторически первая формулировка закона и его определение «вторым началом термодинамики» принадлежат Рудольфу Клаузиусу.

Более того, понятие энтропии, её обозначение и название тоже были введены Клаузиусом в 1865 году.

Хотя, когда речь заходит об энтропии, большинство в первую очередь вспоминает Людвига Больцмана.

Энтропия - степень упорядоченности системы.

И раз речь, наконец, дошла до энтропии, то самое время вернуться к нашему демону.

Итак, «демон» впервые появился в письме, которое Максвелл написал Питеру Гатри Тейту 11 декабря 1867 года в виде описания мысленного эксперимента, гипотетически позволяющего нарушать второй закон термодинамики. Позже он снова появился в письме Джону Уильяму Стратту в 1871 году, и только потом он был окончательно представлен публике в книге Максвелла 1872 года по термодинамике под названием «Теория тепла».

В своих письмах и книгах Максвелл описывал агента, открывающего дверь между комнатами, как «определенное существо» ("finite being"). Как уже упоминалось, Уильям Томсон, он же лорд Кельвин, первым использовавший слово «демон» для концепции Максвелла в журнале Nature в 1874 году, на самом деле имел в виду посредническую, а не злобную коннотацию этого слова.

Согласно описанию Максвелла суть его мысленного эксперимента состоит в следующем:

представим себе герметичный контейнер, разделенный на две одинаковые части A и B газонепроницаемой перегородкой, в которой имеется единственная дверца. В начале опыта обе половины заполнены газом определенной температуры. Как известно температура вещества зависит от средней скорости движения молекул в нем, но при этом отдельные молекулы двигаются с разной скоростью - есть быстрые и медленные молекулы. Задача «демона» состоит в том, чтобы распознавать и отслеживать быстрые и медленные молекулы, и открывать дверцу в нужный момент, чтобы молекулы с высокой кинетической энергией переходили из секции от A в секцию B, а молекулы с низкой кинетической энергией из B в A. Таким образом, он без затрат работы поднимет температуру секции B и понизит температуру секции A, что противоречит второму закону термодинамики.
При этом тепловая машина, работающая между секциями A и B, могла бы извлечь полезную работу из этой разницы температур.

Но это было бы слишком здорово, практически прямой путь к созданию вечного двигателя.

Все надежды на привлечение «демона Максвелла» к такому нужному делу были развеяны в 1929 году Лео Сцилардом. Сцилард обратил внимание на то, что реальный демон Максвелла должен иметь какие-то средства измерения молекулярной скорости и что получение информации тоже потребует затрат энергии. Поскольку демон и газ взаимодействуют, следует учитывать общую энтропию газа и демона вместе взятых. Расход энергии демоном вызовет увеличение энтропии демона, которое будет больше, чем понижение энтропии газа.

Звучит исчерпывающе! Казалось бы, вопрос закрыт? Снова «невозможное изобретение»!

И да, и нет.

Да – такое изобретение воплотить невозможно. Но, нет - вопрос не закрыт до сих пор.

Поскольку нарушение законов физики, в отличие от прочих законов, не грозит перспективой наказания, а вот на премию типа Нобелевской нарушитель вполне может рассчитывать, то желающих представить миру свою версию демона Максвелла превеликое множество.

Только за последнее десятилетие было предпринято несколько эффектных попыток.

В 2010 году мысленный эксперимент в реальности удалось воплотить физикам из университетов Тюо и Токийского университета.

Японцы создали два связанных шарика полистирола диаметром 0,3 микрометра каждый. Один был прикреплен на поверхности стекла, а второй шарик-ротор мог вращаться вокруг первого.

Установку при этом заполняла жидкость. Её молекулы хаотично подталкивали шарики, создавая эффект броуновского движения. Поэтому, ротор мог вращаться с равной вероятностью, как по направлению часовой стрелки, так и против.

Авторы добавили слабое электрическое поле, которое создавало крутящий момент. Это был аналог лестницы, по которой шарик мог «взбираться», увеличивая потенциальную энергию. Иногда молекулы толкали ротор против действия поля (на подъём), а иногда в сторону поля (прыжок по ступенькам вниз). Но в целом ротор вращался туда, куда его толкало внешнее поле.

Но вот физики добавили «демона» — высокоскоростную камеру, наблюдающую за шариком, и компьютер, управляющий полем. Каждый раз, когда ротор в броуновском движении делал шаг против поля, компьютер сдвигал последнее так, что шарик мог повернуться, но когда ротор пытался вращаться обратно, поле блокировало его.

Так был создан аналог открываемой и закрываемой демоном Максвелла дверцы: ротор увеличивал свою энергию за счёт теплового движения молекул.

Законов природы, впрочем, установка не нарушает, поскольку для работы «демона» (то есть камеры, системы коррекции напряжения) необходима энергия. Но японцы подчёркивают, что данный опыт впервые на практике доказал реальность так называемого теплового насоса – варианта «демона Максвелла», теоретически обоснованного Лео Сцилардом в 1929 году. Такая машина извлекает энергию из изотермической окружающей среды и преобразует её в работу.

В 2016 году Физики из Финляндии, России и США создали электронную версию замкнутого (автономного) демона Максвелла. «Система» представляет собой одноэлектронный ящик, подключенный к внешнему потенциалу. Демон следит за зарядом на коробке. (Слева) Если электрон (синий) входит в ящик, демон немедленно захватывает его, прикладывая положительный заряд. (Справа) Если электрон покидает ящик, демон отталкивает его, прикладывая отрицательный заряд. Это электронный эквивалент того, как демон открывает или закрывает дверь для быстрых и медленных частиц в оригинальном мысленном эксперименте Максвелла.

В 2018 году физики в США упорядочили систему из 50 помещенных в трехмерную оптическую ловушку атомов цезия с помощью реального аналога демона Максвелла, уменьшив при этом энтропию системы почти в 2,5 раза.

В оптической ловушке атомы захватываются с помощью двух поляризованных лазеров, которые создают периодический удерживающий потенциал.

В результате ученым удавалось получить практически полностью заполненные подрешетки: средний коэффициент их заполнения составлял 0,97 и 0,95. Вероятность получить подрешетку без пустых мест - 32 процента и 27 процентов для подрешеток 5×5×2 и 4×4×3 соответственно.

6 апреля 2020 года в журнале Physical Review B была опубликовано исследование, описывающее созданную учеными систему из двух квантовых точек с одноэлектронными переходами для оценки термодинамических характеристик демона Максвелла с учетом информации и возвратного действия измерений.

Они продемонстрировали возможность преобразования тепла в работу за счет информации и получили кривые зависимостей тепла и мощности от запирающего напряжения и степени туннелирования.

Это только самые удачные и поэтому самые нашумевшие эксперименты последних лет по созданию демона Максвелла.

Не стоит сомневаться, что попытки обмануть природу при содействии ловкого демона будут продолжаться и дальше до тех пор, пока они либо увенчаются успехом, либо вся Вселенная достигнет термодинамического равновесия…

Тепловая смерть Вселенной, также Большое замерзание - гипотеза, выдвинутая Р. Клаузиусом в 1865 году на основании экстраполяции второго начала термодинамики на всю Вселенную.

Интересно, что случится раньше?