Можно ли найти конкретную каплю воды в стакане?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Представьте, что вы капнули воду в стакан с той же водой. Капля мгновенно смешивается с тем веществом, которое уже заполняет ёмкость до её появления. Но можно ли хотя бы теоретически найти следы этой капли в стакане? Это довольно интересный физический вопрос.

Каждая капля состоит примерно из 1020 молекул воды, а в стакане их уже около 10250. И все эти молекулы беспрерывно перемещаются. Как только капля касается поверхности воды, её молекулы моментально перемешиваются с остальными частицами, уже находящимися в ёмкости.

Эйнштейн решил тоже это проверить
Эйнштейн решил тоже это проверить
Автор: Chat GPT Источник: chatgpt.com

Если бы капля была синей, то вы смогли бы на мгновение отследить её путь в стакане. Так это бывает, когда краситель растекается в воде. Так выполняется один из самых распространённых и простых школьных опытов, который наглядно иллюстрирует броуновское движение.

Вскоре после попадания цветной капли в стакан, синие молекулы распределились бы по всему его объёму. Этот процесс описывается диффузией. За ним стоит фундаментальный закон природы — второй закон термодинамики. И тут начинается самое интересное. Простой процесс перемешивания одной капли с водой из стакана раскрывает фундаментальный принцип устройства самой Вселенной и его описание затрагивает вопрос существования энтропии во всех процессах. Это переводит проблему на куда более глубокий и интересный для осознания природы уровень.

Тут уместно вспомнить само определение энтропии. Для физик это очень сложная сущность и однозначного описания у неё нет. Но сейчас нам достаточно сказать, что энтропия есть мера беспорядка системы или то, насколько мы много знаем о характеристиках этой системы и их связях.

Когда капля только попадает в воду, система ещё упорядочена. Условно примем, что молекулы капли воды находятся в одном месте, а молекулы воды из стакана — в другом. Это состояние называется состоянием с низкой энтропией.

Но молекулы не могут оставаться на месте. Тепловое движение при температуре около 300 K (обычная комнатная температура) неизбежно заставляет их перемешиваться. Постепенно система становится всё более хаотичной и стремится к более высокой энтропии. В итоге молекулы из капли равномерно распределяются среди остальных и энтропия в стакане достигает своего максимума.

Второй закон термодинамики утверждает, что любая замкнутая система естественным образом переходит от порядка к беспорядку. Или, если говорить более формализовано, система переходит из состояния с меньшей энтропией к состоянию с большей энтропией. Капля воды неизбежно превратится в своё окружение внутри стакана.

Возможность вернуть эту каплю обратно означала бы нарушение второго начала термодинамики и изменение энтропии в обратном направлении. Для физики это синоним и куда более важных физических искажений, например — направления стрелы времени.

Именно поэтому «размешанная» вода никогда не «перемешается обратно» сама. Порой этот принцип иллюстрируют забавным высказыванием «фарш невозможно прокрутить назад».

Фактически возможность найти ту же самую каплю означала бы собрать самые энергичные молекулы в один угол стакана, а остальные — в другой. Энергия при этом сохранилась бы, но энтропия уменьшилась. И тут интересна, что ученые размышляли о подобной проблеме и даже высказывали гипотезы на этот счёт. Если вы углубитесь в литературу по теме, то увидите, что изменение направления энтропии часто рассматривается как очень маловероятное, но не как невозможное.

На практике проблем иллюстрируется забавным мысленным экспериментом. Он называется демон Максвелла.

Демон Максвелла
Демон Максвелла
Автор: Htkym Источник: ru.wikipedia.org

Максвелл ещё в XIX веке предложил мысленный эксперимент с воображаемым существом, которое умело бы сортировать молекулы по энергии. Это могло бы объяснить процесс обратного поиска капли воды механически и даже не противоречит всей физике. Но в реальности такого демона не существует. Более того, сама природа описывается как хаотичная система, где обратные связи найти крайне сложно. Здесь мы упрёмся в проблему математического описания хаоса.

При этом теоретически можно было бы следить за каждой молекулой с помощью сверхточных сенсоров и мощнейших компьютеров. Но для этого понадобились бы устройства, способные одновременно отслеживать и управлять триллионами частиц сразу. Даже лучшие суперкомпьютеры сегодня не справились бы с такой задачей. Более того, между самими молекулами могут происходить интересные процессы, связанные, например, с обменом электронами или их периодическим неизбежным распадом из-за влияния внешних условий. Но даже это излишнее упрощение вопроса, поскольку реальная физика окажется ещё более сложной.

Потому ответ прост: нет, вернуть исходную каплю из стакана воды просто невозможно. Это слишком сложная задача, которая граничит с пониманием природы хаоса и доскональным знанием устройства каждого атома.

Изображение в превью:
Автор: chat GPT
Источник: chatgpt.com
Автор не входит в состав редакции iXBT.com (подробнее »)
Об авторе
Изучаю физику и стараюсь познать устройство мира с её помощью. Делюсь наработками и открытиями с вами. Кандидат наук, научный сотрудник и когда-то преподаватель. Автор научных статей в рецензируемых журналах. Рассказываю интересное про популярную науку и физику на YouTube, заходите в гости! Читайте мои статьи на этой страничке ixbt и в Telegram-канале!

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Аккумуляторы из вторсырья превзошли новые заводские батареи: как модернизация катода и графита увеличила их ресурс в два раза

Литий-ионные аккумуляторы окружают нас повсюду: они питают смартфоны, ноутбуки, электроинструменты, системы хранения энергии и электромобили. У всех этих батарей есть общая проблема — со...

7300 лет назад супервулкан засыпал Японию пеплом. Почему одни племена вымерли, а другие пережили демографический скачок

Около 7300 лет назад в Восточно-Китайском море, всего в тридцати километрах к югу от японского острова Кюсю, проснулся подводный вулкан Кикай. Это извержение получило в науке двойное имя...

Лось способен нырять за кормом на несколько метров: зачем сухопутному гиганту подводная жизнь

Лось кажется животным, которому вода нужна разве что для питья и спасения от жары. Высокие ноги, тяжёлое тело, огромная голова — всё в нём будто рассчитано на болота и лесные просеки, но...

Ракетная Tesla полетела, а также развитие ситуации с датацентрами в РФ: главное за неделю

Самые интересные новости финансов и технологий в России и мире за неделю: ЦОДы Судного дня в России, Генпрокуратура отступилась от Freedom Holding, Нобелевка по экономике...

Обзор контроллера XPpen Pilot Pro: как им манипулировать?

Я думал что он поможет мне быстрее работать в Lightroom, но чуда не случилось. Инструмент удобный, но полностью заменить клавиатуру не получится. Да этого никто и не обещал. Хотя некоторые удобства...