"Kabalintunaan. Siyam na Mahusay na Misteryo ng Physics. Kabanata mula sa aklat. Bumili ng Jim Al-Khalili Paradox. Siyam na dakilang misteryo ng pisika. Mga Serye ng Pop Science Posible bang gumawa ng perpetual motion machine?

12+
May-akda: Al-Khalili Jim
Tagasalin: Bandura Oksana
Editor: Grinchik N.
Publisher: Peter, 2016
Serye: Pop Science

Abstract sa aklat na "Paradox. Nine Great Mysteries of Physics"

Sa buong kasaysayan ng tao, ang mga siyentipiko ay nakaisip ng mga ideya at nakabuo ng mga teorya na sa una ay tila walang katuturan. Ang ganitong mga phenomena ay tinatawag na "paradoxes". Ang mga kabalintunaan na inilalarawan ng aklat na ito ay hinango mula sa pisika at astronomiya at naging palaisipan sa marami sa mga pinakadakilang intelektuwal sa mundo. Halimbawa, maaari bang buhay at patay ang isang pusa sa parehong oras? Bakit hinding-hindi malalampasan ni Achilles ang pagong, gaano man siya kabilis tumakbo? Paanong ang isang tao ay mas matanda ng sampung taon kaysa sa kanyang sariling kambal na kapatid? Matapos basahin ang aklat na ito, makikilala mo ang ilang kamangha-manghang pagtuklas sa siyensya na nahayag sa kaalaman ng tao. Basahin ang librong Paradox. Siyam na Mahusay na Misteryo ng Physics - Jim Al-Khalili.

Posible bang lumikha ng isang walang hanggang motion machine?

Kung ikaw ay nasa isang grupo ng mga physicist at tinanong ang bawat isa sa kanila kung ano ang inaakala nilang pinakamahalagang ideya sa kasaysayan ng agham, malamang na aasahan mong maririnig ang maraming iba't ibang mga sagot (ang ideya na ang lahat ng bagay sa mundo ay gawa sa mga atomo, ni Darwin. teorya ng ebolusyon, ang istraktura ng DNA, ang teorya ng Big Bang...). Sa katunayan, na may mataas na posibilidad na lahat sila ay bumoto para sa tinatawag na pangalawang batas (o pangalawang batas) ng thermodynamics. Sa kabanatang ito, susuriin natin ang mahalagang ideyang ito at ang kabalintunaan na nagpaiwan dito na nakabitin sa pamamagitan ng isang thread sa loob ng higit sa 100 taon.

Ang ideya sa likod ng Demon Paradox ni Maxwell ay medyo simple, ngunit nakuha nito ang isipan ng marami sa mga pinakadakilang siyentipiko sa mundo at nagsilang pa ng mga bagong disiplinang siyentipiko. Ang lahat ng ito ay dahil kinukuwestiyon niya ang isa sa mga pinakasagradong batas ng kalikasan - ang pangalawang batas ng thermodynamics (isang simple ngunit malalim na pahayag na naglalarawan sa paglipat ng init at enerhiya at kung paano ginagamit ang mga ito).

Ang ikalawang batas ng thermodynamics ay nagsasaad na kung ikaw, sabihin nating, maglagay ng frozen na manok sa isang bote ng mainit na tubig (ang halimbawang ito ay iminungkahi ng aking pamilya noong sinubukan kong ipaliwanag sa kanila ang batas na ito), ang manok ay matunaw nang bahagya at ang tubig ay medyo lumamig. Sa anumang pagkakataon ay hindi dadaloy ang init sa kabaligtaran na direksyon: ang mainit na tubig ay hindi magiging mas mainit, at ang manok ay hindi lalamig nang higit pa. Palaging lumilipat ang init mula sa mas maiinit na katawan patungo sa mas malamig at hindi kailanman kabaligtaran, at hindi ito titigil sa muling pamamahagi hanggang sa maabot ang thermal equilibrium, kung saan wala nang pagkakaiba sa temperatura sa pagitan ng mga bagay. Walang kontradiksyon dito, maaari mong isipin.

Ngayon tingnan natin ang problema ng demonyo ni Maxwell. Narito ang isang mabilis na buod ng orihinal na ideya para makapagsimula ka. Isipin ang isang selyadong sisidlan na naglalaman lamang ng hangin at nahahati sa dalawang halves ng isang makapal na insulating partition. Sa gitna ng partisyon na ito ay may isang pinto, na, kapag ang isang molekula ng hangin ay lumalapit dito, bumukas at nagsasara nang napakabilis, na nagpapahintulot sa molekula na makapasok sa ibang bahagi ng sisidlan. Ang presyon sa magkabilang panig ay nananatiling pareho dahil kapag tumaas ang bilang ng mga molekula sa isang panig, tumataas ang posibilidad na ang mga molekula mula sa bahaging iyon ay lilipad nang malapit sa pinto at lumipat sa kabilang panig, muling pinapantayan ang presyon sa magkabilang panig (Figure 4.1).

Ang prosesong ito ay maaaring magpatuloy nang walang katapusan, at ang parehong temperatura ay pananatilihin sa magkabilang panig sa lahat ng oras. Upang ipaliwanag kung bakit, kailangan kong tukuyin ang konsepto ng temperatura ng gas sa antas ng molekular. Sa esensya, ang mas mabilis na paggalaw ng mga molekula, mas magiging mainit ang gas. Ang lahat ng mga gas, kabilang ang pinaghalong kilala bilang hangin, ay binubuo ng trilyong molekula na random na gumagalaw at sa iba't ibang bilis (ang ilan ay mas mabilis, ang iba ay mas mabagal). Ngunit ang kanilang pinagsamang average na bilis ay tumutugma sa isang tiyak na temperatura. Sa loob ng sisidlan, ang ilang mga molekula na dumadaan sa partisyon ay magkakaroon ng mas mataas na bilis kaysa sa natitirang (mas mabagal) na mga molekula. Sa karaniwan, humigit-kumulang sa parehong bilang ng mabilis at mabagal na mga molekula ang tumatawid sa partisyon sa parehong direksyon, samakatuwid, walang pagkakaiba sa temperatura ang nabuo. Kung sa tingin mo na ang mas mabilis na mga molekula ay makakadaan sa butas nang mas madalas kaysa sa mas mabagal, malamang na tama ka, ngunit hindi ito nakakaapekto sa punto, dahil gaano man karaming mabilis na mga molekula ang dumaan mula kaliwa hanggang kanan, ang parehong numero ay dadaan sa kabilang direksyon.

Kung malinaw na ang lahat sa ngayon, sa tingin ko ay dumating na ang oras para palayain ang demonyo.

Ang Maxwell's Demon ay isang hypothetical na maliit na nilalang na may napakagandang paningin na nakikita nito ang mga indibidwal na molekula ng hangin at matantya ang kanilang bilis. Ngayon, sa halip na payagan ang pinto na magbukas at magsara nang random, magkakaroon tayo ng isang demonyo na kumokontrol sa pagbukas nito. Bagaman ang parehong bilang ng mga molekula ay makakadaan sa bukas na pinto gaya ng dati, mayroon na ngayong isa pang salik na dapat isaalang-alang: impormasyong alam ng demonyo. Dahil hahayaan lamang nitong dumaan ang mga mabibilis na molekula mula kaliwa hanggang kanan, at mabagal lamang ang mga molekula mula kanan pakaliwa. Isinasaalang-alang ang gawain ng isang demonyong bantay-pinto na armado ng ganoong kaalaman, at gayundin nang hindi gumagawa ng anumang karagdagang pagsisikap at walang anumang karagdagang paggasta ng enerhiya (tandaan na kahit na bago ito ang pinto ay nagbukas at nagsara pa rin nang random), makikita natin na ang kalalabasan ay magiging ganap na naiiba. .

Sa puntong ito, nakakaakit na gumuhit ng kahanay sa papel na ginampanan ng kaalaman ng host ng game show sa Monty Hall Paradox mula sa Kabanata 1. Huwag mahulog sa bitag na ito. Ang katotohanan na alam ng nagtatanghal kung aling pinto ang nakatago ang premyo ay nakakaapekto lamang sa pagkalkula ng mga probabilidad, wala nang iba pa. Ang kaalaman sa demonyo ni Maxwell ay gumaganap ng isang mas makabuluhang papel at, tulad ng makikita natin sa lalong madaling panahon, ay ang sentral na link sa buong pisikal na proseso na kailangan nating alisan ng takip upang malutas ang kabalintunaan na ito.

Salamat sa demonyo na naka-duty sa pintuan, ang kanang bahagi ng sisidlan ay unti-unting napupuno ng mabilis na mga molekula at nagiging mas mainit, habang ang mga mabagal na molekula ay naipon sa kaliwang bahagi, samakatuwid ito ay lumalamig. At salamat sa kamalayan ng demonyo, lumilitaw na nagawa naming lumikha ng pagkakaiba sa temperatura sa pagitan ng dalawang halves ng sisidlan at sa gayon ay lumalabag sa pangalawang batas ng thermodynamics (Fig. 4.2).

Kaya, tila sa pamamagitan lamang ng impormasyon, nagawang baligtarin ng demonyo ni Maxwell ang prosesong sumusunod sa ikalawang batas ng thermodynamics. Paano ito posible? Maraming mahuhusay na isipan ang sinubukang lutasin ang kabalintunaan na ito sa loob ng mahigit 100 taon. Malalaman mo sa lalong madaling panahon kung paano ito nalutas. Tulad ng lahat ng maliwanag na kabalintunaan sa aklat na ito, sa huli siya pumayag solusyon, at ang pangalawang batas ay maliligtas.

Ang dahilan kung bakit napakahalaga pa rin ng paksang ito ay ang koneksyon nito sa mga perpetual motion machine - mga device na diumano'y may kakayahang tumakbo nang walang hanggan nang hindi kumukonsumo ng anumang enerhiya. Pagkatapos ng lahat, kung ang demonyo ni Maxwell ay magagawang labagin ang pangalawang batas ng thermodynamics, kung gayon ito ay potensyal na posible na lumikha ng isang makina na gagawin ang parehong. Titingnan ko ang ilang uri ng mga naturang device mamaya sa kabanatang ito. Umaasa ako na sa oras na iyon ay wala kang anumang mga pagdududa tungkol sa imposibilidad ng kanilang pag-iral.

Ang lahat ay nakaka-unwind, naghahalo at dumudulas pababa

Mayroong apat na batas ng thermodynamics, at lahat ng mga ito ay may kinalaman sa kung paano ang enerhiya at init ay na-convert sa isa't isa, ngunit ang pangalawang batas ay mas mahalaga kaysa sa lahat ng iba pa. Palagi akong nakakatuwa na ang isa sa mga pinakamahalagang batas sa lahat ng pisika ay hindi man lang makapasok sa tuktok ng listahan.

Ang unang batas ng thermodynamics ay napaka-simple at nagsasaad na ang enerhiya ay maaaring ilipat mula sa isang anyo patungo sa isa pa, ngunit hindi maaaring likhain o sirain. Kadalasan ito ay nabuo ng kaunti pang kumplikado: ang pagbabago sa panloob na enerhiya ng isang sistema ay katumbas ng dami ng init na inilipat sa sistemang ito, binawasan ang gawaing ginawa ng system sa panlabas na kapaligiran. Sa esensya, nangangahulugan ito na ang anumang katawan ay nangangailangan ng enerhiya upang gawin ang anumang bagay - ang isang kotse ay nangangailangan ng gasolina, ang isang computer ay nangangailangan ng elektrisidad, tayo ay gumagamit ng enerhiya upang mabuhay, kaya kailangan natin ng pagkain (ito ay lahat ng mga halimbawa ng mga sistema na nangangailangan ng pagsipsip ng enerhiya sa iba't ibang anyo upang magsagawa ng tinatawag na kapaki-pakinabang na gawain). Ang salitang "kapaki-pakinabang" sa kontekstong ito ay binibigyang-diin na ang ilang mga anyo ng enerhiya ay ginagamit nang hindi produktibo, tulad ng ingay ng tumatakbong motor o ang init na dulot ng friction na pumapatak lamang sa kapaligiran. Samakatuwid, ang unang batas ng thermodynamics ay naglalagay lamang ng pundasyon para sa mas mahalagang pangalawang batas. Ang ikalawang batas ng termodinamika ay nagsasaad na ang lahat ay nauubos, lumalamig, nakakapagpapahinga, tumatanda at nabubulok. Ipinaliwanag niya kung bakit natutunaw ang asukal sa mainit na tubig ngunit hindi nag-kristal pabalik. Ipinaliwanag din niya kung bakit ang isang ice cube ay hindi maaaring hindi matunaw sa isang baso ng tubig, dahil ang init ay palaging dumadaloy mula sa mas maiinit na tubig patungo sa mas malamig na yelo at hindi kailanman ang kabaligtaran.

Pero bakit dapat ganito? Kung titingnan natin ang mundo sa mga tuntunin ng mga banggaan at pakikipag-ugnayan ng mga indibidwal na atomo at molekula, hindi natin matutukoy kung saan gumagalaw ang oras. Ibig kong sabihin, kung nakita natin ang prosesong ito sa video, hindi natin malalaman kung ito ay pasulong o paatras. Ang dahilan ay na sa atomic scale, ang lahat ng pisikal na proseso ay nababaligtad. Kung ang isang neutrino ay nakikipag-ugnayan sa isang neutron, ang isang proton ay nabuo sa kanilang lugar at isang electron ay ibinubuga, ngunit katulad din, kapag ang isang proton at isang elektron ay nagbanggaan, isang neutron ang nabuo at isang neutrino ay ibinubuga. Ang mga batas ng pisika ay nagpapahintulot sa parehong mga proseso na magpatuloy sa pasulong at pabalik na mga direksyon ng oras.

Ito ay lubos na kabaligtaran sa mga pangyayaring nangyayari sa ating paligid sa pang-araw-araw na buhay, kung saan hindi tayo nahihirapang matukoy ang paglipas ng panahon. Halimbawa, hindi ka makakakita ng usok na lumilipad patungo sa tsimenea at hinihila papunta dito ng isang maayos na funnel. Sa parehong paraan, hindi mo magagawang "halokan" pabalik ang asukal na natunaw sa isang tasa ng kape at makita kung paano ang tambak ng abo ay nagiging log. Paano naiiba ang mga kaganapang ito sa mga nangyayari sa antas ng mga atomo, kung saan ang lahat ay ginawa? Paano na ang karamihan sa mga prosesong nangyayari sa ating paligid ay hindi na babalik? Sa anong yugto, kung lumipat tayo mula sa mga atomo patungo sa mga chimney sa paninigarilyo, mga tasa ng kape at mga troso, ang mga aksyon ba ay nagiging hindi na maibabalik?

Sa mas malapit na pagsusuri, lumalabas na ang punto ay hindi ang mga prosesong inilarawan sa itaas hindi kailanman ay hindi mababaligtad, ngunit sa halip na ang gayong pagliko ng mga kaganapan ay lubhang malabong mangyari. Mula sa pananaw ng mga batas ng pisika, ang natunaw na asukal, kapag hinalo, ay maaaring "muling buuin" at maging isang kubo. Ngunit kung makikita natin ito, maghihinala tayo ng isang uri ng panlilinlang - at magiging tama tayo, dahil ang posibilidad ng naturang kaganapan ay napakaliit na maaari itong mapabayaan.

Upang matulungan kang mas maunawaan ang pangalawang batas, kailangan kong ipakilala sa iyo ang konsepto ng entropy. Malaki ang magiging papel nito sa kabanatang ito, kaya sulit na tingnang mabuti kung ano ito. Gayunpaman, dapat kong bigyan ng babala na kahit gaano ko subukang ipaliwanag ang hindi pangkaraniwang bagay na ito, maaari mo pa ring maramdaman na parang ang kahulugan ay medyo nawala sa iyo.

Ang konsepto ng entropy ay hindi napakadaling tukuyin, dahil ang ibig sabihin nito ay nakasalalay sa sitwasyong inilalarawan. Narito ang ilang mapaglarawang mga halimbawa. Sinasabi ng isang kahulugan na ang entropy ay isang sukatan ng kaguluhan, isang sukatan kung gaano pinaghalo ang lahat. Ang isang bagong deck, kung saan ang mga card ay inayos ayon sa suit at sa bawat suit ay inayos sa pataas na pagkakasunud-sunod (dalawa, tatlo, apat... jack, queen, king, ace), ay may mababang entropy. Kung i-shuffle natin ang mga card nang maraming beses, maaabala ang order - at tataas ang antas ng entropy ng deck. Ngayon ay maaari nating itanong: ano ang mangyayari sa pagkakasunud-sunod ng kubyerta kung patuloy nating i-shuffle ito? Ang sagot ay halata. Ito ay mas malamang na ang mga card ay magiging mas shuffled kaysa sa sila ay bumalik sa kanilang orihinal na ordered sequence. Kaya, malamang na tumaas ang entropy habang binabalasa natin ang mga card. Kapag ganap nang na-shuffle ang mga card, maaabot ng entropy ang pinakamataas na punto nito - at ang karagdagang pag-shuffle ay hindi na mag-shuffle pa sa deck. Ang isang hindi na-shuffle na deck ay nagpapakita ng isang natatanging pagkakasunud-sunod ng mga card, samantalang ang isang shuffled na deck ay may malawak na iba't ibang mga card arrangement, kaya mas malamang na ang mga card ay shuffle sa isang direksyon: mula sa pagkakasunud-sunod sa kaguluhan, mula sa mababa hanggang sa mataas na entropy (Figure 4.3). Ang prosesong ito ay hindi maibabalik tulad ng sa kaso ng isang bahagyang natunaw na sugar cube, na patuloy na matutunaw sa karagdagang pagpapakilos.

Kaya, nakikita natin na ang pangalawang batas ng thermodynamics ay mas malamang na maging isang istatistikal na kalikasan, sa halip na batay sa ilang espesyal na pag-aari ng pisikal na mundo. Kaya lang ang posibilidad na ang isang estado ng mababang entropy ay magbabago sa isang estado ng mataas na entropy ay isang malaking bilang ng mga beses na mas malaki kaysa sa posibilidad ng reverse na proseso.

Bigyan kita ng isang halimbawa upang masuri mo ang antas ng posibilidad na isinasaalang-alang dito. Kung kukuha ka ng isang ganap na shuffled deck ng mga card, kung gayon ang posibilidad na sa karagdagang pagbabalasa ay makakatanggap ka ng mga card ng bawat suit sa tabi ng bawat isa, na nakaayos sa pataas na pagkakasunud-sunod, ay humigit-kumulang katumbas ng posibilidad na manalo ng jackpot sa lottery hindi isang beses, hindi dalawang beses, ngunit siyam na beses sa isang hilera!

Sa kabilang banda, ang entropy ay maaari ding ituring bilang isang sukatan ng kakayahan ng ilang bagay na gumugol ng enerhiya upang maisagawa ang ilang gawain. Sa kasong ito, ang mas maraming enerhiya na maaaring gastusin, mas mababa ang dapat na entropy. Halimbawa, ang isang fully charged na baterya ay may mababang antas ng entropy na tumataas habang ginagamit ang baterya. Ang isang wind-up na laruang sugat sa lahat ng paraan ay may mababang antas ng entropy, ngunit habang ang mekanismo ay humina, ito ay tumataas. Kapag ang mekanismo ay huminto sa pag-ikot, maaari nating bawasan ang entropy ng laruan sa orihinal nitong mababang antas sa pamamagitan ng paggastos ng sarili nating enerhiya upang masira ito muli.

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay, sa esensya, isang thesis tungkol sa entropy (ibig sabihin: ito ay palaging tumataas at hindi bumababa, maliban sa mga kaso kung saan ang karagdagang enerhiya ay ginugol dito mula sa labas). Samakatuwid, sa halimbawa ng isang mekanikal na laruan, ang pangalawang batas ay hindi nilalabag kapag pinalitan natin ito, dahil ang sistema (ang wind-up na laruan) ay hindi na nakahiwalay sa kapaligiran (sa atin). Bumababa ang entropy ng laruan, ngunit "gumana" tayo sa pamamagitan ng pag-winding up ng mekanismo nito, at ang antas ng entropy natin ay tumataas nang labis na higit pa sa kabayaran para sa pagbaba ng entropy ng laruan. Dahil dito, ang kabuuang entropy ng sistemang "laruan + amin" ay tumataas.

Tinutukoy din ng Ikalawang Batas ang direksyon kung saan dumadaloy ang oras. Ang pahayag na ito ay maaaring mukhang maliit sa iyo: siyempre, ang oras ay gumagalaw mula sa nakaraan patungo sa hinaharap. Gayunpaman, ang "mula sa nakaraan hanggang sa hinaharap" ay isang paraan lamang kung saan inilalarawan namin ang prosesong ito. Upang makahanap ng mas siyentipikong kahulugan, isipin natin na walang buhay sa Uniberso upang maiwasan ang ating subjective na paghahati ng oras sa nakaraan (kung ano ang nangyari na) at sa hinaharap (kung ano ang mangyayari pa). Ito ay lumalabas na ngayon na ibinukod natin ang ating sarili at ang subjective na pang-unawa mula sa proseso, ang kahulugan ng oras mula sa punto ng view ng mga pisikal na proseso, ayon sa kung saan ang oras ay dumadaloy sa direksyon ng pagtaas ng entropy, ay nagiging mas mahalaga. Nalalapat ang kahulugang ito hindi lamang sa mga indibidwal na sistema, kundi pati na rin sa buong Uniberso. Ngayon nauunawaan mo na kung ang isang tao ay biglang kailangang harapin ang isang sitwasyon kung saan ang entropy nakahiwalay ang sistema ay bababa, na nangangahulugan na ang oras mismo ay nabaligtad ang takbo nito, at ito ay tila kakaiba kahit na pag-usapan lamang ito (kahit sa kabanatang ito!).

Narito ang sinabi ng Ingles na astronomo na si Arthur Eddington tungkol sa kahalagahan ng ikalawang batas ng thermodynamics:

"Ang batas ayon sa kung saan ang entropy ay tumataas sa lahat ng oras - ang pangalawang batas ng thermodynamics - ay sumasakop, sa aking palagay, ang pinakamataas na posisyon sa lahat ng mga batas ng Kalikasan... Kung ang iyong teorya ay natagpuan na sumasalungat sa pangalawang batas ng thermodynamics, ako huwag isipin na mayroon itong anumang -pagkatapos ang mga pagkakataon; ang teoryang ito ay makakaranas lamang ng isang nakakahiyang pagkatalo.” .

May mga pagkakataon na tila sa amin ay bumababa ang entropy. Halimbawa, ang wristwatch ay isang napakaayos at kumplikadong sistema na binubuo ng maraming piraso ng metal. Lumalabag ba ito sa pangalawang batas ng thermodynamics? Hindi naman. Isa lang itong mas kumplikadong bersyon ng wind-up na halimbawa ng laruan. Ang gumagawa ng relo ay nagsikap sa paglikha ng relo, at sa gayon ay bahagyang nadaragdagan ang kanyang sariling entropy. Bilang karagdagan, ang proseso ng smelting ore at pagproseso ng mga metal ay nakabuo ng ilang dissipated heat, na higit pa sa nabayaran para sa bahagyang pagbawas sa entropy na nakamit ng paglikha ng mga orasan.

Ito ang dahilan kung bakit napakahiwaga sa atin ng demonyo ni Maxwell. Lumilitaw na nakakamit niya ang isang bagay na katulad ng ginagawa ng isang gumagawa ng relo, na binabawasan ang entropy sa kahon sa pamamagitan ng pag-aayos ng mga molekula ng hangin nang hindi direktang ginagalaw ang mga ito. Mayroong pangkalahatang tuntunin ayon sa kung saan, kung sa palagay natin ay bumababa ang entropy, tiyak na lalabas na ang pinag-uusapang sistema ay hindi nakahiwalay sa kapaligiran, at kung isasaalang-alang natin ang sitwasyon sa pangkalahatan, makikita natin na ang pangkalahatang entropy ay tumataas. Maraming mga prosesong nagaganap sa Earth (mula sa ebolusyon ng buhay hanggang sa pagbuo ng napakaayos at kumplikadong mga istruktura) ang nagpapababa ng entropy sa ibabaw ng planeta. Ang lahat ng mga bagay sa Earth (mula sa isang pusa at isang hockey stick hanggang sa isang computer at isang ulo ng repolyo) ay nasa isang estado ng mas kaunting entropy kaysa sa kanilang mga bumubuong bahagi. Kung hindi, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay hindi kailanman nilalabag. Hindi natin dapat kalimutan na kahit ang ating planeta ay hindi nakahiwalay sa kapaligiran nito. Pagkatapos ng lahat, halos lahat ng buhay sa Earth (at samakatuwid ang lahat ng mababang-entropy na istruktura) ay umiiral salamat sa sikat ng araw. Kung isasaalang-alang natin ang pinagsamang sistema ng Sun + Earth, makikita natin na ang kabuuang entropy ay tumataas, dahil ang radiation na ibinubuga ng Araw sa kalawakan (maliit lamang na bahagi nito ang nasisipsip ng Earth) ay nagdudulot ng mas makabuluhang pagtaas sa entropy kaysa sa ang pagbaba nito sa Earth, kung saan ang mga sinag ng araw ay ginagamit upang suportahan ang buhay, at samakatuwid ang lahat ng iba pang kumplikadong low-entropy system. Halimbawa, ang repolyo ay sumisipsip ng solar energy sa pamamagitan ng photosynthesis at ginagamit ito upang lumaki, na nagpapataas ng bilang ng mga napakaorganisadong cell na bumubuo nito at sa gayon ay binabawasan ang entropy nito.

Kaya, ngayon naiintindihan mo na kung bakit sa lahat ng mga taon na ito ang mga siyentipiko ay pinagmumultuhan ng gawain ng pagtulad sa isang sitwasyon kung saan ang ikalawang batas ng thermodynamics ay lalabag. Ang pinakakilala sa mga siyentipikong ito ay ang Scottish mathematician at physicist na si James Clerk Maxwell, na nabuhay noong ika-19 na siglo. Naging tanyag siya sa kanyang pagtuklas na ang ilaw ay binubuo ng oscillating electric at magnetic field. Noong 1867, nagbigay siya ng pampublikong panayam kung saan inilarawan niya ang kanyang tanyag na eksperimento sa pag-iisip sa isang haka-haka na demonyo na kumokontrol sa isang pinto sa pagitan ng dalawang kompartamento ng isang sisidlan at nagbabalak na suwayin ang pangalawang batas ng thermodynamics. Kaugnay ng pinto, ito ay gumaganap bilang isang check valve, na nagpapahintulot sa masiglang "mainit" na mga molekula ng hangin na dumaan lamang sa isang direksyon, at mabagal ang "malamig" na mga molekula sa kabilang direksyon. Ito ay kung paano ito nag-uuri ng mga molekula, na ginagawang mas mainit ang hangin sa isang panig at mas malamig sa kabilang panig. Ito ay ganap na sumasalungat sa ikalawang batas ng termodinamika, dahil walang karagdagang enerhiya na lumilitaw na ginugugol sa pagbubukas at pagsasara ng pinto, dahil, gaya ng sinabi kanina, ito ay bumubukas at nagsasara nang random pa rin. Ngunit gayon pa man, ang pangkalahatang entropy sa lalagyan ay lumilitaw na bumabagsak habang ang mga molekula sa loob ay pinagsunod-sunod sa dalawang kompartamento.

Suriin ang balbula

Kaya, paano natin dapat lapitan ang solusyon sa kabalintunaan na ito? Maaari bang bawasan ng demonyo ni Maxwell ang entropy sa loob ng isang sisidlan? At kung ito nga, paano natin maililigtas ang pangalawang batas ng thermodynamics? Tingnan muna natin ang problema gaya ng gagawin ng sinumang physicist: tanggalin ang lahat ng mga detalye na hindi kritikal (sa kasong ito, palitan ang demonyo ng isang simpleng mekanikal na aparato na maaaring gawin ang parehong trabaho). Ngayon ito ay nagkakahalaga ng pagtatanong kung mayroong isang mekanikal na proseso kung saan ang mga aksyon ng demonyo ay maaaring kopyahin. Ang sagot ay oo - ang demonyo, sa isang kahulugan, ay nagsisilbing check valve. Ngayon tingnan natin kung, sa tulong ng naturang balbula, posible na lumikha ng isang kawalan ng timbang sa pagitan ng dalawang bahagi ng sisidlan, na binabawasan ang entropy nito, na magbibigay sa atin ng pagkakataong mangolekta ng enerhiya. Kahit na sa paunang yugto ng pananaliksik, ang mismong posibilidad nito ay dapat magtaas ng ilang mga pagdududa. Pagkatapos ng lahat, kung ito ay posible, ang mga problema sa enerhiya sa mundo ay malulutas. Ito lamang ay sapat na upang gawin ang posibilidad ng naturang proseso na tila hindi malamang.

Ngunit gayon pa man, paano natin matitiyak na ang paggamit ng check valve ay imposibleng mangolekta ng enerhiya mula sa isang estado ng balanse? Marahil ang pangalawang batas ng thermodynamics ay hindi nababago. Pagkatapos ng lahat, lahat ay naniniwala sa hindi pagkakamali ng batas ng grabidad ni Newton hanggang sa dumating si Einstein at pinalitan ito ng mas tumpak at radikal na naiibang teorya ng pangkalahatang relativity. Marahil ang pangalawang batas ng thermodynamics ay may hindi napapansing butas na naghihintay lamang para sa isang taong matalino, matapang at may sapat na imahinasyon upang pagsamantalahan ito, na pinapalitan ang pangalawang batas ng isang mas mahusay na teorya?

Sa kasamaang palad, ang sagot ay hindi. Ang batas ng unibersal na grabitasyon ni Newton ay nakabatay sa isang mathematical formula na naglalarawan sa mga prosesong naobserbahan sa kalikasan, lalo na kung paano naaakit ang mga bagay sa isa't isa depende sa kanilang masa at ang distansya sa pagitan nila. Hindi pinatunayan ni Einstein ang kamalian, ngunit ang tinatayang katangian ng formula na ito, at gayundin ang gravity ay maaaring ilarawan sa isang mas pangunahing antas, sa pamamagitan ng prisma ng curvature ng espasyo at oras, at, sa kasamaang-palad, sa tulong ng mas kumplikadong matematikal. mga kalkulasyon.

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay hindi ganoon. Bagama't ito ay bumangon mula sa pagmamasid, ang katwiran nito ay batay sa purong lohika at istatistika, at ngayon ay may mas tumpak at maaasahang data upang suportahan ito kaysa sa anumang mga obserbasyon. Si Einstein mismo ay sumulat na ito ay "ang tanging teorya ng pangkalahatang nilalaman kung saan ako ay kumbinsido na, sa loob ng balangkas ng pagiging angkop ng mga pangunahing konsepto nito, hinding-hindi ito mapapabulaanan."

Kaya't mag-install tayo ng pinasimpleng bersyon ng demonyo ni Maxwell sa isang sisidlan at tingnan kung ano ang mangyayari. Kung sumasang-ayon ka na ang anumang kawalan ng timbang sa pagitan ng mga kompartamento ng sisidlan, na kusang itinatag at unti-unti, ay magdudulot ng kaukulang pagbaba sa entropy, pagkatapos ay kailangan mo ring sumang-ayon na sa halip na isang pagkakaiba sa temperatura ay maaari nating isaalang-alang ang pagkakaiba ng presyon. Pagkatapos ng lahat, ang sitwasyong ito ay maaari ding gamitin upang gumawa ng kapaki-pakinabang na gawain (tulad ng makikita natin sa ilang sandali), at ang entropy ay magiging mas mababa din kaysa sa kung ang presyon ay pareho sa magkabilang panig. Gayunpaman, isasaalang-alang natin ngayon ang isang sitwasyon kung saan, dahil sa mas mataas na presyon, mayroong higit pang mga molekula sa isang bahagi ng lalagyan, kaysa sa isa kung saan ang mga molekula sa isang panig ay gumagalaw nang mas mabilis kaysa sa isa. Ito ang ibig sabihin kapag pinag-uusapan natin ang presyon sa antas ng molekular: ang bilang ng mga molekula na tumatama sa mga dingding ng isang lalagyan.

Upang maunawaan kung paano magagamit ang pagkakaiba sa presyon sa paggawa ng kapaki-pakinabang na gawain, isaalang-alang kung ano ang mangyayari kung mano-mano mong buksan ang partisyon sa pagitan ng dalawang halves. Kung ang isa sa mga ito ay naglalaman ng hangin sa mas mataas na presyon, ito ay dadaloy sa kabilang kalahati, na katumbas ng presyon (na may kaukulang pagtaas sa antas ng entropy). Ang daloy ng hangin na ito ay maaaring gamitin sa paggawa ng kapaki-pakinabang na gawain. Halimbawa, maaari nitong paikutin ang isang air turbine at makabuo ng kaunting kuryente. Siyempre, ang paglikha ng gayong pagkakaiba sa presyon ay magiging katulad ng pag-iimbak ng enerhiya, tulad ng nangyayari kapag pinaikot ang isang mekanikal na laruan o nagcha-charge ng baterya. Para kusang mangyari ito, dapat labagin ang pangalawang batas ng thermodynamics.

Ang pinakasimpleng uri ng check valve na maaaring gamitin para dito ay isang swing door na bumubukas sa isang direksyon lamang. Ang pintong ito ay nagpapahintulot sa mga molekula ng hangin mula sa kaliwang kalahati na matamaan ito, na pinipilit itong buksan, ngunit mayroon itong mekanismo ng tagsibol na nagsasara nito nang napakabilis pagkatapos nito. Ang mga molekula na tumatama sa pinto mula sa kanang bahagi ay lalo lamang itong itulak. Sa kasamaang-palad, ang gayong aparato ay hindi na makakapagsimulang gumana, dahil kung mayroong kahit kaunting kawalan ng timbang sa presyon sa pagitan ng dalawang kompartamento, ang presyon ng mga molekula na tumama sa pinto sa kaliwang bahagi ay hindi magiging sapat upang madaig ang mas mataas na presyon sa ang kanang bahagi na nakasara sa pinto.

Maaaring iniisip mo na ngayon na ang aparatong ito ay titigil lamang sa paggana kapag mayroong sapat na pagkakaiba sa presyon na ang mas mataas na presyon sa kanang kalahati (ang isa kung saan ang mga molekula ng hangin ay pumipindot sa pinto, na pinipigilan itong bumukas) ay nagsisimulang pigilan ang mabilis na mga molekula mula sa pagpunta doon. Walang alinlangan, ang prosesong ito ay maaaring magsimula man lang, ang isang bahagyang pagkakaiba sa presyon ay maitatag sa sandaling ang ilang mabilis na mga molekula ay tumagos mula sa kaliwang kalahati hanggang sa kanan. Gayunpaman, lalabag ito sa pangalawang batas ng thermodynamics. Kahit na may ganoong kaliit na pagkakaiba sa presyon, ang hangin na dumadaloy mula sa kanang kalahati ay magagawang patakbuhin ang turbine at makabuo ng kaunting kuryente. Dahil ang proseso ay maaaring paulit-ulit na paulit-ulit, na nagreresulta sa parami nang parami ng elektrikal na enerhiya, tayo ay nahaharap sa isang mas malalang problema. Kailangan nating malaman kung bakit ang isang pagkakaiba sa presyon ay hindi maaaring mabuo sa prinsipyo, kung hindi, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay magkakaroon ng malaking problema.

Hanggang ngayon, ipinapalagay namin na ang mga indibidwal na molekula ng hangin ay maaaring magbukas ng pinto na gawa sa trilyong molekula (anuman ito gawa) sa pamamagitan ng pagtulak nito. Sa katunayan, kung bumaba tayo sa antas ng molekular, kung gayon ang pinto ay dapat ding isaalang-alang sa sukat na iyon. At sa antas na ito makikita natin ang mga molecule ng pinto, na nag-vibrate at nag-o-oscillate ng chaotically sa parehong paraan. Kahit na ang isang mabilis na molekula na lumilipad mula sa kaliwang bahagi, sa pagtama, ay maglilipat ng bahagi ng enerhiya nito sa mga molekula ng pinto, na nagpapataas ng kanilang mga panginginig ng boses at sa gayo'y nagiging sanhi ng pagbukas at pagsasara ng pinto nang random (at hayaan ang isang molekula ng hangin na dumaan sa "maling" direksyon ). Siyempre, ang palitan ay hindi magaganap nang eksakto ng isa sa isa, ngunit ang isang pinto na inaatake ng maraming mga molekula sa magkabilang panig ay patuloy na manginig sa antas ng molekular at hindi gagana bilang isang check valve.

Ang parehong argumento ay nalalapat sa posibilidad ng pagtatatag ng mga pagkakaiba sa temperatura. Ang init, sa esensya, ay walang iba kundi ang vibration ng mga molecule na ipinadala sa panahon ng kanilang banggaan, at ito ay pantay na nalalapat sa parehong mga molekula ng pinto at mga molekula ng hangin. Samakatuwid, sa tuwing ang isang mabilis na molekula mula sa kaliwang kalahati ay tumama sa pinto at bubuksan ito, naglilipat ito ng ilang enerhiya sa mga molekula ng pinto, na nagpapataas ng kanilang mga vibrations. Ang enerhiya na ito (o init) ay inililipat lamang pabalik sa natitirang mga molekula ng hangin sa kaliwang bahagi. Dahil dito, ang bahagi ng enerhiya ng mabilis na mga molekula ay bumalik sa parehong kalahati ng sisidlan. Ang anumang labis na enerhiya na inilipat ng mga molekula sa kanang kalahati ay nawawala sa proseso ng patuloy na pagbomba sa pinto ng mga molekula sa kanang bahagi at kalaunan ay babalik sa kaliwang kalahati. Kaya, magkakaroon ng maraming mabilis na molekula sa kaliwa gaya ng mayroon sa kanan.

Pero mas matalino ang demonyo...

Hayaan akong ipakilala sa iyo ang Hungarian scientist at imbentor na si Leo Szilard. Sa panahon ng matinding trabaho sa pagitan ng 1928 at 1932, noong siya ay nasa unang bahagi ng 30s, naimbento ni Szilard ang ilan sa pinakamahalagang instrumento sa kasaysayan ng agham na ginagamit pa rin ng mga siyentipiko ngayon: ang linear particle accelerator (noong 1928), ang electron microscope (noong 1931) at ang cyclotron (noong 1932). Mukhang hindi kapani-paniwala, ngunit sa lahat ng tatlong kaso ay hindi siya nag-abala na i-publish ang kanyang trabaho, patent ang mga device, o kahit na bumuo ng kanilang mga prototype. Ang lahat ng tatlong mga instrumento ay kasunod na binuo ng iba pang mga siyentipiko na binuo sa trabaho ni Szilard. Bukod dito, dalawang device ang nagdala ng Nobel Prize sa iba pang physicist (American Ernest Lawrence para sa paglikha ng cyclotron at German Ernst Ruske para sa unang electron microscope).

Sa panahong ito ng pag-unlad ng pagkamalikhain, naglathala si Szilard ng isang mahalagang papel noong 1929 na nagdulot ng kaguluhan sa mga siyentipikong bilog. Tinawag itong "Pagbabawas ng entropy ng isang thermodynamic system sa pamamagitan ng interbensyon ng isang matalinong nilalang." Sa loob nito, iminungkahi niya ang isang pagkakaiba-iba ng demonyo ni Maxwell, na mula noon ay naging kilala bilang "Szilard machine." Sa kanyang bersyon, ang kakanyahan ng kabalintunaan ay hindi lamang isang pisikal na proseso. Nagtalo si Szilard na ang katalinuhan ng demonyo at ang kanyang kamalayan sa estado ng mga molekula ang gumaganap ng isang mapagpasyang papel, na siyang kinatakutan ni Maxwell. Ang kabalintunaan ay hindi malulutas ng isang mekanikal na aparato, gaano man ito kahusay.

Bumalik tayo sa ating kabalintunaan. Hindi mo dapat asahan na bilang isang resulta ng mga random na banggaan ng mga molekula ng hangin, ang isang pagkakaiba sa temperatura o presyon sa pagitan ng dalawang silid ay kusang lalabas at nang walang tulong sa labas, hindi ito gagana, gaano man katalino ang check valve - hindi mo magagawa nang wala tulong sa labas. Ngunit ang kapansin-pansin ay ang tulong na ito ay maaaring dumating sa anyo ng simpleng impormasyon.

Tila tayo ay bumalik kung saan tayo nagsimula: sinusubukang ibagay ang abstract na ideya ng impormasyon (marahil maging ang pangangailangan ng pagkakaroon ng isang matalinong nilalang) sa purong istatistikal na mundo ng mga pisikal na batas. Kailangan ba nating ipagpalagay na ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nasa isang walang buhay na uniberso? Na mayroong mahiwagang bagay sa buhay na hindi napapailalim sa mga batas ng pisika? Sa kabaligtaran, ang solusyon ni Szilard ay isang napakatalino na kumpirmasyon ng pagiging pandaigdigan ng pangalawang batas ng thermodynamics at ang ideya ng pagtaas ng entropy.

Isipin na mayroon lamang 100 air molecule sa isang sisidlan (50 sa bawat compartment), at sila ay ibinahagi nang sapalaran upang ang bilang ng mabilis at mabagal na molekula sa bawat panig ay pareho, dahil kung saan ang average na temperatura sa magkabilang compartment ay ang pareho (siyempre, sa katotohanan, ang bilang ng mga molekula ay dapat nasa trilyon, ngunit pasimplehin natin ang problema). Ang demonyo, na maingat na sinusubaybayan ang proseso ng pagbubukas ng pinto, ay nagpapalit ng 25 mas mabilis na molekula sa isang panig at 25 na mas mabagal sa kabilang panig. Upang gawin ito, kakailanganin niyang buksan ang pinto ng 50 beses. Maaaring ipagpalagay na ang enerhiya na ginugol niya sa pagbubukas at pagsasara ng pinto, gaano man kaliit ang halaga nito, ay ang presyo na binabayaran ng demonyo para sa pagbaba ng entropy. Ang nasabing enerhiya, na kinuha mula sa labas, ay kahalintulad sa pag-ikot ng isang mekanikal na laruan, iyon ay, pagbabawas ng entropy ng isang sistema sa pamamagitan ng pagsasagawa ng trabaho na nangangailangan ng paunang pagtaas sa entropy ng isa pang sistema. Ngunit kung ang demonyo ay walang kaalaman sa estado ng mga molekula (sa pamamagitan nito ang ibig kong sabihin ay hindi niya nakikilala ang pagitan ng mabilis at mabagal na mga molekula) at basta na lamang binubuksan ang partisyon nang random na 50 beses, na nagpapahintulot sa kalahati ng mga molekula mula sa kaliwang kompartimento na pumunta sa sa kanan at sa kabaligtaran, kung gayon ang average na temperatura sa parehong mga compartment ay mananatiling pareho, dahil ang parehong bilang ng mabilis at mabagal na mga molekula ay lilipat sa parehong direksyon. Dahil dito, nang walang impormasyong ito o mayroon nito ngunit hindi ginagamit, hindi mababawasan ng demonyo ang entropy ng system. Kasabay nito, gagastusin niya ang parehong dami ng enerhiya sa pagbubukas at pagsasara ng pinto ng 50 beses. Malinaw, ang puwersa na kinakailangan upang kontrolin ang paggalaw ng pinto ay walang epekto sa proseso ng pag-uuri ng molekula.

Ang insight ni Szilard ay natuklasan niya ang papel na ginagampanan ng impormasyon sa eksperimentong ito. Nagtalo siya na ang demonyo ay dapat gumastos ng enerhiya hindi sa pagkontrol sa pinto, ngunit sa pagtukoy ng bilis ng mga molekula. Kaya, ang pagkuha ng impormasyon ay palaging sinasamahan ng paggasta ng enerhiya, na ginugol sa pag-aayos ng bagong data sa utak ng demonyo. Sa esensya, ang impormasyon ay hindi hihigit sa isang nakaayos na estado ng mga signal sa utak o memorya ng computer, iyon ay, isang estado ng mababang entropy. Ang mas maraming impormasyon na nakaimbak sa ating utak, mas maayos at maayos ito, at mas mababa ang entropy nito.

Ang ganitong estado ng mababang entropy kapag nag-iimbak ng impormasyon ay nagpapahintulot sa amin na gumawa ng kapaki-pakinabang na gawain. Iyon ay, ang impormasyon ay medyo tulad ng isang baterya, na nag-iimbak ng potensyal na enerhiya na maaaring magamit upang mabawasan ang antas ng entropy sa ibang lugar.

Siyempre, hinding-hindi magiging 100% epektibo ang demonyo ni Maxwell. Gagamit ito ng enerhiya upang makakuha ng impormasyon tungkol sa lokasyon at estado (temperatura) ng lahat ng mga molekula. Bilang karagdagan, maaari itong gumastos ng karagdagang enerhiya upang magamit ang impormasyong ito upang paghiwalayin ang mga molekula. Kaya, ang enerhiya na unang ginugol sa pagkuha ng impormasyon ay nagpapataas ng entropy ng kapaligiran. Ang karagdagang enerhiya na ginagamit ng demonyo ay magpapataas ng entropy ng kapaligiran.

Kaya't maaari nating isipin ang isang computer (o utak) bilang isang makina na kumukuha ng kapaki-pakinabang na mababang entropy na enerhiya, katulad ng kuryente (o pagkain), at ginagawa itong impormasyon, kumpara sa walang silbi na mataas na enerhiya ng entropy, tulad ng init o ingay ng motor. Ang impormasyong ito ay maaaring gamitin (o ilipat) ng isang pisikal na sistema upang bawasan ang sarili nitong entropy (halimbawa, sa pamamagitan ng pag-order sa sistemang iyon), bilang kapalit na nagpapahintulot dito na gumawa ng kapaki-pakinabang na gawain. Dahil walang hakbang sa prosesong ito ang magiging 100% episyente, palaging mawawala ang ilang init sa panahon ng proseso. Ang pagtaas ng entropy na nauugnay sa pagkawala ng natatanggal na init ay idinagdag sa nauugnay sa pagkuha ng demonyo ng enerhiya na kailangan nito upang makakuha ng impormasyon sa unang lugar. Magkasama, ang dalawang salik na ito ay higit pa sa balanse sa pagbaba ng entropy na nagreresulta mula sa pagproseso ng impormasyon. Naligtas na ang ikalawang batas.

Ano ang ibig sabihin ng salitang "random"?

Tingnan natin ang pangalawang batas ng thermodynamics at ang problema ng order/disorder, dahil kailangan pa rin nating maunawaan ang pinakabuod ng konsepto ng entropy. Sa halimbawa ng pag-shuffling ng deck ng mga card, mukhang malinaw na ang entropy ng isang ordered deck kung saan ang lahat ng card ay nakaayos ayon sa suit at sa pataas na pagkakasunud-sunod ay mababa, at ang entropy ng random na shuffled deck ay magiging mas mataas. Ngunit paano kung ang deck ay naglalaman lamang ng dalawang card? Dahil mayroon lamang dalawang posibleng paraan upang ayusin ang mga card na ito, ang pagsisikap na paghiwalayin ang mga ito sa dalawang opsyon (higit pa at hindi gaanong naayos) ay walang kabuluhan. Ano ang mangyayari sa kaso ng tatlong baraha, sabihin nating dalawa, tatlo at apat na puso? Buweno, tama mong masasabi na ang pagkakasunud-sunod na "dalawa, tatlo, apat" ay mas maayos, at samakatuwid ay may mas kaunting entropy, kaysa sa pagkakasunud-sunod na "apat, dalawa, tatlo." Ngunit paano kung ang lahat ng tatlong baraha ay dalawa: mga puso, mga diamante at mga pala? Ang isa ba sa mga pagkakasunud-sunod ngayon ay mas maayos kaysa sa iba? Ang tanging pagkakaiba sa pagitan ng halimbawang ito at ng nauna ay ang mga card ay naiiba sa bawat isa sa suit, hindi sa halaga. Hindi malamang na ang paraan ng pagkilala natin sa isang mapa mula sa iba ay nakakaapekto sa dami ng entropy. Ang pagkakasunud-sunod na "dalawa ng mga puso, dalawa ng mga diamante, dalawang ng mga pala" ay walang higit pa o mas kaunting entropy kaysa sa pagkakasunud-sunod na "dalawa ng mga diamante, dalawa ng mga puso, dalawang ng mga pala."

Maaaring tila ang aming kahulugan ng entropy bilang isang sukatan ng kaguluhan ay may kulang dahil ang kahulugan ng kaguluhan ay masyadong makitid. Sa ilang mga kaso ay halata kung ano ang ibig nating sabihin, sa iba naman ay hindi. Hayaan akong palawakin ang ideyang ito. Ipapakita ko sa iyo kung ano ang ibig kong sabihin, ngunit magdaraya ako ng kaunti upang gawin ito. Kukuha ako ng isang deck ng mga card at i-shuffle ang mga ito para makita mo na talagang mahusay ang halo ng mga ito. Ngayon, sinasabi ko, tumingin dito. Sa iyong palagay, ipagpatuloy ko lang ang paghahalo sa kanila gaya ng dati. Ngunit bigla kong ipinahayag na ang mga card ay nakaayos na ngayon sa isang espesyal na pagkakasunud-sunod. Mukhang kahanga-hanga, dahil sa unang tingin ay nagpatuloy lang ako sa pag-shuffling sa deck. Sa iyong sorpresa at hindi magandang nakatagong pagkabigo, ang mga card ay mukhang gulong-gulo tulad ng dati. Talagang hindi ito ang matatawag mong espesyal na pagkakasunod-sunod.

Gayunpaman, ito ay siya. Tingnan mo, itataya ko sa iyo ang anumang bagay na hindi ka maaaring kumuha ng isa pang deck ng mga baraha at i-shuffle ang mga ito upang makakuha ng eksaktong kaparehong pagkakasunod-sunod gaya ng sa akin. Ang posibilidad na magawa mo ito ay maliit na parang hiniling ko sa iyo na kumuha ng shuffled deck at i-shuffle ito upang ang mga card ay bumalik sa isang maayos na pagkakasunud-sunod (at ang posibilidad na iyon ay mga 1 sa 100 milyong trilyon trilyon trilyon trilyon trilyon trilyon). Sa pangkalahatan, hindi sulit na subukan. Kaya, kapag tiningnan mo ito sa ganitong paraan, ang aking random na pagkakasunud-sunod ng mga card ay kasing "espesyal" bilang isang bago, hindi na-shuffle na deck. Paano ang tungkol sa entropy? Tila hindi natin masasabi na tumaas ang entropy ng deck nang umabot tayo sa isang pagkakasunod-sunod ng mga baraha na malabong gaya ng mayroon tayo sa simula, gaano man ito kagulo.

Actually sinusubukan kitang lokohin. Siyempre, mayroong isang bagay tungkol sa isang naka-order na deck na nagpapaiba sa aking "espesyal" na pagkakasunud-sunod ng mga random na ipinamahagi na card. Sa kaibuturan nito, ang entropy ay higit na isang sukatan mga aksidente, sa halip na isang sukatan ng kaguluhan. Ito ay maaaring mukhang isang laro sa mga salita, ngunit ito ay talagang isang mas mahigpit na kahulugan ng entropy. Ang pang-agham na terminong "algorithmic randomness" ay ginagamit upang sukatin ang relatibong antas ng "espesyal."

Ang salitang "algorithm" sa computer science ay tumutukoy sa isang sequence ng mga command sa isang computer program, at ang algorithmic randomness ay tinukoy bilang ang haba ng pinakamaikling program na maaaring maging sanhi ng computer upang makabuo ng isang naibigay na pagkakasunod-sunod ng mga card (o mga numero). Samakatuwid, sa nakaraang halimbawa na may tatlong card, upang muling buuin ang pagkakasunud-sunod na "dalawa, tatlo, apat," ang utos na "bumuo mula sa pinakamaliit hanggang sa pinakamalaki" ay kinakailangan. Kasabay nito, ang pagkakasunud-sunod na "apat, dalawa, tatlo" ay mangangailangan ng isang mas kumplikadong utos. Ito ay magiging isang bagay tulad ng "magsimula sa pinakamalaking bilang, ipamahagi ang mga natitira sa pataas na pagkakasunud-sunod," at ito ay hindi mas simple kaysa sa pagbibigay ng literal na utos na "una apat, pagkatapos ay dalawa, pagkatapos ay tatlo." Sa anumang kaso, ang algorithmic randomness ng huling dalawang tagubilin ay bahagyang mas mataas kaysa sa una, kaya ang entropy ng sequence na "apat, dalawa, tatlo" ay bahagyang mas mataas kaysa sa entropy ng sequence na "dalawa, tatlo, apat."

Sa kaso ng isang buong deck ng 52 card, ang lahat ay nagiging mas malinaw. Ang kailangan mo lang gawin ay turuan ang computer na kopyahin ang pagkakasunud-sunod ng iniutos na deck: "magsimula sa mga puso at ayusin ang mga card sa pataas na pagkakasunud-sunod sa aces, pagkatapos ay gawin ang parehong sa mga diamante, club at spade." Ngunit paano mo ipo-program ang computer upang i-play ang aking random na pagkakasunod-sunod ng mga shuffled card? Walang shortcut dito, at maaaring kailanganin mong magbigay ng isang kumpletong hakbang-hakbang na utos na "magsimula sa hari ng mga club, pagkatapos ay ang dalawa sa mga diamante, pagkatapos ay ang pitong mga puso" at iba pa. Kung ang deck ay hindi ganap na na-shuffle, maaari itong maglaman ng mga maiikling pagkakasunud-sunod ng mga hindi na-shuffle na card na napanatili ang kanilang orihinal na pagkakasunud-sunod, na magpapaikli sa programa. Halimbawa, kung ang dalawa, tatlo, apat, lima at anim na spade ay matatagpuan sa tabi ng isa't isa, mas madaling turuan ang computer na "magsimula sa dalawa ng spade at pagkatapos ay ayusin ang susunod na apat na card ng parehong suit. sa pataas na pagkakasunud-sunod" kaysa sa isulat ang utos para sa bawat card nang hiwalay (Larawan .4.4).

Ang lahat ng pag-uusap na ito tungkol sa haba ng isang computer program ay maaaring walang sabihin sa iyo, ngunit sa katunayan ay magagawa namin nang walang ganitong paraan ng pagtukoy sa algorithmic randomness. Dahil ang ating utak, tulad ng demonyo ni Maxwell, ay mahalagang isang computer na nagpapatupad ng mga utos, maaari nating isaalang-alang ang ating kakayahang matandaan sa halip na ang konsepto ng isang computer algorithm. Kung ipapakilala ko sa iyo ang pagkakasunud-sunod ng mga card sa isang random na shuffled deck at pagkatapos ay hilingin sa iyo na pag-uri-uriin ang mga ito sa pataas na pagkakasunud-sunod ayon sa suit, magagawa mo ito nang madali, dahil ito ay isang simple at tiyak na pagtuturo (tandaan na ako nagbibigay-daan sa iyong tingnan ang mga card at pagbukud-bukurin ang mga ito sa tamang pagkakasunud-sunod, sa halip na umasa sa pagkakataong ihalo ang mga ito nang basta-basta). Ngunit kung hihilingin ko sa iyo na ayusin ang mga card sa deck sa parehong pagkakasunud-sunod ng mga card sa aking "espesyal" na pagkakasunud-sunod, na nakuha ko sa pamamagitan ng random na pag-shuffling, maaari mong makita na halos imposibleng matandaan ang pagkakasunud-sunod ng mga card bago subukang magparami. ito sa iyong deck. Kailangan mo ng mas maraming impormasyon para kopyahin ang sequence kaysa sa nakaraang kaso. At kung mas marami kang impormasyon tungkol sa isang system, mas malaki ang iyong kakayahang ayusin ito sa pamamagitan ng pagbabawas ng entropy.

Perpetual motion machine

Sa loob ng ilang panahon ngayon, maraming masisipag na tao ang nagsisikap na mag-imbento ng isang panghabang-buhay na makinang gumagalaw na maaaring gumana at makagawa ng kapaki-pakinabang na gawain nang walang hanggan (o, sa madaling salita, gumagawa ng mas maraming enerhiya kaysa sa kinakain nito kahit na magpatuloy lamang sa pagtatrabaho). Ito ay imposible.

Una, dapat kong linawin na ang isa ay dapat palaging maging maingat kapag sinasabi na ang isang bagay ay imposible sa agham. Pagkatapos ng lahat, ang istatistikal na katangian ng pangalawang batas ng thermodynamics ay nagtuturo sa atin na ang pagbuo ng isang ice cube sa isang baso ng maligamgam na tubig ay hindi ganap na imposible. Gayunpaman, ang posibilidad ng kaganapang ito ay napakababa na kailangan mong maghintay ng mas matagal kaysa sa umiiral na uniberso para mangyari ito (upang maalis ang gayong kaganapan). Karaniwan, kapag sinabi nating imposible ang isang bagay, ang ibig sabihin ay "imposible ayon sa ating kasalukuyang pag-unawa sa mga batas ng kalikasan at sa mga pisikal na teoryang kasalukuyang tinatanggap." Siyempre, maaaring mali tayo, at ang kislap na ito ng pag-asa ang nagtutulak sa ilang imbentor na patuloy na subukang bumuo ng mas sopistikadong mga modelo ng panghabang-buhay na motion machine.

Ang mga device na ito ay maaaring nahahati sa dalawang pangunahing kategorya. Ang mga perpetual motion machine ng unang uri ay mga device na lumalabag sa unang batas ng thermodynamics, dahil gumagawa sila ng trabaho nang hindi gumagasta ng enerhiya. Ang unang batas ng thermodynamics ay ang batas ng konserbasyon ng enerhiya, na nagsasaad na ang bagong enerhiya ay hindi maaaring malikha sa isang saradong sistema. Ang anumang device na nagsasabing lumikha ng enerhiya mula sa wala ay nabibilang sa kategoryang ito.

Ang isang walang hanggang motion machine ng pangalawang uri ay hindi lumalabag sa unang batas ng thermodynamics, ngunit nilalabag nito ang pangalawang batas sa pamamagitan ng pag-convert ng thermal energy sa mekanikal na trabaho sa paraang bumababa ang entropy ng system. Ang subtlety ay dapat itong mangyari nang walang anumang posibilidad na tumaas ang entropy sa ibang lugar, sa gayon ay binabalanse ang sitwasyon. Gaya ng nabanggit ko, ang isang pormulasyon ng pangalawang batas ay nagsasaad na ang init ay gumagalaw mula sa mas mainit na lugar patungo sa mas malamig na lugar. Sa kasong ito, tumataas ang entropy, ngunit ang kapaki-pakinabang na gawaing mekanikal ay maaaring makuha mula sa prosesong ito at mailapat upang mabawasan ang entropy sa ibang lugar, ngunit sa ilalim lamang ng kondisyon na ang pagbaba sa entropy ay hindi lalampas sa pagtaas nito na dulot ng paglipat ng init. Ang isang aparato na maaaring kumuha ng enerhiya mula sa isang bagay nang walang kasamang paglipat ng init mula sa isang mas mainit na bagay patungo sa isang mas malamig, tulad ng sisidlan ng demonyo ni Maxwell, ay isang pagtatangka na lumikha ng isang panghabang-buhay na makina ng paggalaw ng ganitong uri.

Siyempre, maraming mga aparato na sumusunod sa parehong mga batas ng thermodynamics, kumukuha ng enerhiya mula sa banayad at mailap na mga mapagkukunan: presyon ng hangin, halumigmig sa atmospera o mga alon ng karagatan. Hindi sila mga perpetual motion machine dahil hindi nila nilalabag ang mga batas ng physics. Kailangan mo lang malaman kung anong pinagmumulan ng enerhiya ang nagpapahintulot sa kanila na magtrabaho (Larawan 4.5).

Ang ilang mga device, batay sa mga umiikot na gulong o oscillating pendulum, sa unang tingin ay parang maaari silang magpatuloy sa paggalaw nang walang katiyakan nang walang anumang mapagkukunan ng enerhiya. Ngunit hindi iyon totoo. Ang mga ito ay simpleng napakahusay na mga aparato na hindi nag-aaksaya ng orihinal na enerhiya na naglunsad ng kanilang paggalaw, kung wala ito, siyempre, ay hindi magiging posible. Sa totoo lang, lahat sila sa kalaunan ay bumagal, dahil walang mekanismo na maaaring maging 100% na mahusay, at ang pamamasa ay magaganap pa rin dahil sa air friction o gumagalaw na mga bahagi, gaano man kahusay ang mga ito ay lubricated.

Dahil dito, ang isang perpetual motion machine ay, sa prinsipyo, posible lamang kung walang pagkawala ng enerhiya sa panlabas na kapaligiran. Siyempre, ang anumang pagtatangka na kumuha ng enerhiya mula sa naturang aparato ay magiging sanhi ng paghinto nito.

Ang demonyo at quantum mechanics ni Maxwell

Matapos ang paglalathala ng gawa ni Szilard, hindi tumigil ang kontrobersya na pumapalibot sa demonyo ni Maxwell. Sa ngayon, patuloy na hinahabol ng mga physicist ang demonyo, at sa pagtugis na ito ay naabot nila ang quantum world at ang mga kakaibang batas na gumagana sa sukat ng mga atomo. Sa quantum mechanics, kapag sinimulan nating pag-usapan ang mismong ideya ng pagtukoy sa lokasyon at bilis ng mga indibidwal na molekula, nahaharap tayo sa isang pangunahing problema na may kaugnayan sa dami ng impormasyon na makukuha natin. Ito ay tinatawag na Heisenberg's uncertainty principle, na nagsasaad na hindi natin magagawa sabay-sabay tumpak na i-install saan kung saan matatagpuan ang isang particle (o molekula ng hangin) at kung gaano ito kabilis gumagalaw, palaging may natitira pang malabo. Marami ang naniniwala na ito ang malabo na sa huli ay nagpapanatili ng pangalawang batas ng thermodynamics.

Tila ang mundo ng quantum ay naging huling balwarte ng pag-asa para sa mga hindi pa rin kayang talikuran ang pangarap ng isang walang hanggang motion machine. Sa loob ng ilang taon ngayon, nagmungkahi na ito ay posibleng posible kung gagamitin natin ang tinatawag na vacuum energy o zero-point energy. Dahil sa kawalan ng katiyakan ng mundo ng quantum, walang bagay na maituturing na tunay na nakapahinga, at bawat molekula, atom o subatomic na particle ay palaging magkakaroon ng pinakamababang enerhiya, kahit na pinalamig sa absolute zero (ito ay tinatawag na zero-point na enerhiya). Nalalapat pa ito sa vacuum energy sa walang laman na espasyo: ayon sa quantum physics, ang Uniberso ay puno ng vacuum energy, at maraming tao ang nag-iisip na ang enerhiyang ito ay maaaring makuha at magamit kahit papaano. Gayunpaman, ang diskarte na ito ay nahaharap sa parehong mga paghihirap na nakatagpo namin kapag pinag-uusapan ang tungkol sa mga compartment na puno ng mga molekula ng hangin. Ang vacuum energy ay pantay na ipinamamahagi, at anumang paraan ng pagkuha nito ay mangangailangan ng paggastos ng mas maraming enerhiya kaysa sa maaari nating makuha sa ganitong paraan. Ang pantay na ipinamahagi na vacuum na enerhiya ay hindi maaaring kolektahin nang simple, tulad ng pagkakaiba sa temperatura sa pagitan ng dalawang compartment ng isang sisidlan ay hindi magagawa nang walang tulong mula sa labas.

Ang tulong na ito ay maaaring dumating sa anyo ng impormasyong tulad ng nasa ulo ng demonyo ni Maxwell, ngunit kailangan pa rin namin ng enerhiya upang makuha ang impormasyong ito sa unang lugar. At ang enerhiya na ito ay kailangang bayaran sa pamamagitan ng pagtaas ng entropy sa ibang lugar.

Walang paraan upang madaig natin ang pangalawang batas ng thermodynamics. Huwag kailanman kalimutan ito.

Oo, halos nakalimutan ko: sa simula ng kabanatang ito ay nabanggit ko na mayroon apat batas ng thermodynamics, ngunit hindi sinabi sa iyo ang tungkol sa dalawa pa. Wala kang maririnig na supernatural: ang ikatlong batas ng thermodynamics ay nagsasaad na ang entropy ng isang perpektong kristal ay bumababa sa zero kapag ang temperatura ng kristal ay umabot sa ganap na zero. Tungkol sa ikaapat na batas, ang tanging kawili-wiling katotohanan ay na bagaman ito ay idinagdag sa unang tatlo pagkaraan ng ilang sandali, ito ay itinuturing na mas pundamental at samakatuwid ay hindi kilala bilang ang ikaapat na batas, ngunit bilang ang zero na batas, dahil ito ay dapat na mauna bago ang una. tatlo. Ito ay nagsasaad na kung ang dalawang katawan ay nasa thermodynamic equilibrium (iyon ay, may parehong temperatura) na may ikatlong katawan, kung gayon sila ay nasa thermodynamic equilibrium sa isa't isa. Hindi partikular na kahanga-hanga. Ang batas na ito ay binigyan ng numerong zero dahil lamang sa iba pang mas mahahalagang batas ay napakahusay na naitatag upang payagan ang kanilang pagnunumero na ilipat. Ito ay hahantong sa maraming hindi pagkakaunawaan, at hindi natin gusto iyon, hindi ba?

Quote ni: Kaku M. Mga parallel na mundo: tungkol sa istraktura ng uniberso, mas mataas na sukat at ang hinaharap ng Cosmos / Transl. mula sa Ingles - M.: Sofia, 2008.

Quote ni: Einstein A. Koleksyon ng mga siyentipikong papel. - M.: Nauka, 1967. T. 4.

Tingnan ang mga larawan sa website ng nagbebenta

835 RUR

Idagdag sa Basket

*May bisa ang presyo noong 09/08/2019 22:32.
Ang huling halaga ng produkto ay maaaring mag-iba mula sa ipinahayag
tingnan ang presyo at availability sa website ng online store

Bumili ng Jim Al-Khalili Paradox. Siyam na magagandang misteryo ng pisika sa mga online na tindahan sa mga sumusunod na presyo

* Ang mga presyo ay kasalukuyang mula 09/08/2019 22:32.
Ang huling halaga ng produkto ay maaaring mag-iba sa nakasaad na presyo.

Upang mabili ang produkto sa presyong mas mura kaysa sa mga regular na tindahan, kailangan mong sundan ang link na "Buy Jim Al-Khalili Paradox. Nine Great Mysteries of Physics." Bago bumili, maaari mong tingnan ang availability at tingnan ang presyo sa website ng online store. Magagawa mo ring pumili ng isang maginhawang paraan ng paghahatid ng mga kalakal (punto ng paghahatid, Russian post at iba pa) at gumamit ng iba't ibang mga pagpipilian sa pagbabayad para sa mga kalakal na pinaka-maginhawa para sa iyo. Maaari mong malaman ang impormasyon tungkol sa iba't ibang paraan ng paghahatid at pagbabayad sa website ng online na tindahan pagkatapos mag-click sa link

Paglalarawan ng produkto

Sa buong kasaysayan ng tao, ang mga siyentipiko ay nakaisip ng mga ideya at nakabuo ng mga teorya na sa una ay tila walang katuturan. Ang ganitong mga phenomena ay tinatawag na "paradoxes". Ang mga kabalintunaan na inilalarawan ng aklat na ito ay hinango mula sa pisika at astronomiya at naging palaisipan sa marami sa mga pinakadakilang intelektuwal sa mundo. Halimbawa, maaari bang buhay at patay ang isang pusa sa parehong oras? Bakit hinding-hindi malalampasan ni Achilles ang pagong, gaano man siya kabilis tumakbo? Paano matatapos ang isang tao... detalyadong paglalarawan sa website ng online na nagbebenta

Kumusta, mga residente ng Khabro! Nagsimula na kaming mag-publish ng bagong serye ng mga libro, Pop Science, na sinuri namin sa Geektimes.
Narito ipinakita namin ang isang sipi mula sa aklat:

Ang Fermi kabalintunaan ay maaaring mabalangkas tulad ng sumusunod.

Dahil ang Uniberso ay napakalaki, ang mga sukat nito ay napakalawak, at sa Milky Way lamang ay may daan-daang bilyong bituin na nagniningning, marami sa mga ito ay may mga planetary system sa paligid nila, maliban kung ang Earth ay isang napaka-atypical na lugar sa mga tuntunin ng mga kondisyon para sa. buhay upang umunlad, ang Uniberso ay dapat na puno ng gayong mga planeta, kabilang ang mga pinaninirahan ng mga matatalinong sibilisasyon. Marami sa kanila ay dapat magkaroon ng teknolohiya upang maglakbay sa kalawakan, at sa ngayon dapat ay binisita na nila tayo.
Nasaan silang lahat sa kasong ito?

Malinaw kay Fermi na maliban kung ang ating solar system ay natatangi sa naglalaman ng (hindi bababa sa) isang matitirahan na planeta, kung gayon ang mga dayuhang sibilisasyon na may kaunting mga ambisyon sa pagpapalawak at sapat na advanced na teknolohiya sa espasyo ay magkakaroon ng sapat na oras upang kolonihin ang buong Galaxy. Kasama ng iba pang mga siyentipiko, nakalkula nila na ang 10 milyong taon ay magiging sapat para sa anumang uri ng hayop na gawin ito. Bagama't ito ay tila medyo mahabang yugto ng panahon at medyo di-makatwirang halaga, mahalagang tandaan na ito ay isang maliit na bahagi lamang (sa kasong ito isang ikalibo) ng edad ng ating Galaxy, at tandaan na ang mga species na Homo sapiens lumitaw lamang mga 200,000 taon na ang nakalilipas.

Kaya, ang kabalintunaan na ito ay maaaring mabawasan sa sumusunod na dalawang katanungan.

1. Kung ang buhay ay hindi espesyal, kung gayon nasaan ang iba?
2. Kung oo, kung gayon paanong ang Uniberso ay napakahusay na nakatutok na ang buhay ay maaari lamang lumitaw sa Lupa?

Kung iisipin natin ang kakayahan ng buhay na bumangon at umunlad sa ating planeta kahit na sa pinakamalupit na mga kondisyon, bakit hindi maaaring lumitaw ang buhay sa ibang mga planeta tulad ng Earth? Marahil ang problema ay hindi ang pagkalat ng nascent life, ngunit ang unang hitsura nito sa unang lugar. Bago natin malaman kung nalutas ng mga siyentipiko ang kabalintunaan na ito at ang maraming kaugnay na mga tanong, titingnan natin sandali ang ilan sa mga solusyon na kadalasang iminumungkahi.

1. Umiiral ang mga dayuhan at talagang binisita na tayo.. Tatanggihan ko ang unang opsyon na ito sa mga lehitimong batayan na wala kaming anumang kapani-paniwalang mga katotohanan upang suportahan ang kamangha-manghang mga ilusyon ng mga mahilig sa UFO at mga conspiracy theorists. Sa kabila nito, maraming mga tao ang patuloy na naniniwala na ang mga dayuhan ay dumating na sa amin sa kanilang sariling mga platito: maaaring tumigil sila sa loob ng ilang libong taon na ang nakalilipas upang itayo ang mga piramide, o sila ay kasama pa rin natin, na kidnap ng mga inosenteng biktima upang dalhin ang mga ito. sa mga kakaibang eksperimento.

2. Umiiral ang mga dayuhan, ngunit huwag makipag-ugnayan sa amin. Maraming dahilan kung bakit maaaring piliin ng matagumpay at maunlad na extraterrestrial na sibilisasyon na huwag ipaalam sa atin ang pagkakaroon nito sa anumang paraan. Halimbawa, marahil (hindi tulad sa amin) ay hindi nila gustong kumalat pa sa buong Galaxy o mas gugustuhin na iwanan kami nang mag-isa hanggang sa magkaroon kami ng sapat na pagbuo upang maging karapat-dapat sa pagiging miyembro sa galactic club. Walang alinlangan, ipinapalagay ng bersyong ito na ang lahat ng mga dayuhang sibilisasyon ay nag-iisip sa katulad na paraan sa atin.

3. Nagkatinginan lang kami sa maling lugar. Kami ay nakikinig sa mga signal mula sa kalawakan sa loob ng 50 taon at dapat ay may narinig na kami ngayon. Ngunit marahil ay dapat tayong maghanap sa isang tiyak na lugar ng kalangitan o ibagay ang ating mga tatanggap sa tamang dalas, o ang mga senyales at mensaheng ito ay nakarating na sa atin, ngunit hindi natin natukoy ang mga ito.

4. Ang buhay sa ibang lugar ay regular na nasisira. Marahil ay hindi natin pinahahalagahan ang magandang posisyon ng Earth. Maaaring may mga matitirahan na planeta sa ibang solar system, ngunit regular silang nakakaranas ng mga sakuna sa planetary, stellar o galactic scale (panahon ng yelo, kometa at meteor, malalaking stellar flare o gamma-ray burst). Sa mga lugar kung saan madalas mangyari ang mga ganitong kaganapan, hindi magkakaroon ng sapat na oras para mag-evolve ang buhay sa isang matalinong species na may kakayahang maglakbay sa kalawakan. O ang kabaligtaran ay totoo: ang mga kondisyon sa ibang mga planeta ay napakahusay na ang buhay ay hindi dumaranas ng mga panahon ng malawakang pagkalipol na inaakalang kinakailangan upang matiyak ang biodiversity at sa gayon ay magbunga ng matatalinong species.

5. Pagsira sa sarili. Iminumungkahi ng ilan na ang lahat ng matalinong buhay sa sansinukob ay hindi maiiwasang masira ang sarili nito, alinman sa pamamagitan ng digmaan o epidemya, o sa pamamagitan ng pagsira sa tirahan nito sa oras na ito ay naging sapat na sa teknolohiya upang maglakbay sa kalawakan (kung totoo ito, hindi ito magandang pahiwatig para sa atin. ).

6. Ang mga alien ay sadyang... alien. Madalas nating isipin na ang mga dayuhan ay dapat na katulad natin, may mga teknolohiyang katulad ng mga inaasahan nating bubuo sa hinaharap. Bagama't mayroon tayong dahilan upang isipin ito, dahil ang lahat ng buhay ay dapat sumunod at limitado ng parehong mga batas ng pisika, maaaring kulang lamang tayo sa imahinasyon upang maunawaan ang matalinong buhay na sa panimula ay naiiba sa atin. Siyempre, hindi ko ibig sabihin na iniisip natin na dapat silang maging tulad ng mga alien mula sa mga pelikula, ngunit malamang na ipagpalagay natin na sila ay magiging isang carbon-based na anyo ng buhay na may mga mata at paa at nakikipag-usap sa pamamagitan ng pagpapalitan ng mga sound wave.

7. Talagang nag-iisa tayo sa uniberso. Marahil ang mga kundisyon na kinakailangan para sa anumang buhay na lumitaw ay napakabihirang na ito ay nangyari lamang sa isang napakaliit na bilang ng mga lugar, at ang Earth ay ang tanging planeta kung saan ang matalinong buhay ay umunlad, na may kakayahang gamitin ang kalikasan sa paraang magagawa. upang magpadala ng mga senyales tungkol sa ating pag-iral sa kailaliman ng Uniberso. O ang ating planeta ay talagang naging tanging lugar kung saan bumangon ang buhay.

Ang mga opsyon na inilarawan sa itaas ay mga pagpapalagay lamang at, sa karamihan, hindi masyadong napatunayan. Si Fermi mismo ay naniniwala na maaaring magkaroon ng matalinong buhay sa isang lugar sa Galaxy, ngunit ang mga distansya sa pagitan ng mga bituin ay masyadong malawak at, dahil sa bilis ng light barrier, ang paglalakbay ay masyadong mahaba, samakatuwid, walang sibilisasyon na isasaalang-alang ang isang pagbisita sa amin na karapat-dapat. ganyang effort.

Ang hindi isinasaalang-alang ni Fermi ay maaari nating malaman ang tungkol sa pagkakaroon ng mga technologically advanced na mga dayuhan kahit na hindi sila umalis sa kanilang sariling planeta. Kung tutuusin, halos isang siglo na nating ipinakilala ang ating presensya sa Galaxy. Mula noong nagsimula kaming gumamit ng radyo at telebisyon upang magpadala ng impormasyon sa buong mundo, ang ilan sa aming mga signal ay tumagas sa kalawakan. Ang isang dayuhang sibilisasyon na naninirahan ng ilang sampung light years ang layo mula sa atin, na magpapasya na ituro ang mga teleskopyo ng radyo nito sa ating Araw, ay mapapansin ang isang hindi pangkaraniwang bilang ng mahina, ngunit medyo kumplikadong mga signal ng radyo, na nagpapahiwatig na may buhay sa isa sa mga planeta sa ang sistemang ito.

Isinasaalang-alang na itinuturing nating pareho ang mga batas ng pisika sa buong Uniberso, at ang isa sa pinakasimple at pinaka-unibersal na paraan ng pagpapadala ng impormasyon ay mga electromagnetic wave, dapat nating asahan na ang anumang teknolohikal na advanced na sibilisasyon ay gagamit ng paraan ng komunikasyon sa ilang yugto. sa buhay nito. At sa kasong ito, ang ilan sa mga signal nito ay dapat tumagas sa nakapalibot na espasyo, na kumakalat sa buong Galaxy sa bilis ng liwanag.

Hindi nagtagal bago nagsimulang isaalang-alang ng mga astronomo ng ika-20 siglo ang posibilidad na makinig sa mga signal mula sa kalawakan gamit ang mga bagong imbento na teleskopyo sa radyo. Ang seryosong paghahanap para sa extraterrestrial na buhay ay nagsimula sa isang tao.

Drake at ang kanyang equation

Ang unang tunay na mangangaso ng mga extraterrestrial na sibilisasyon ay ang astronomer na si Frank Drake, na nagtrabaho sa National Radio Astronomy Observatory sa Green Bank, West Virginia. Noong 1960, nag-set up siya ng isang eksperimento upang maghanap ng mga palatandaan ng buhay sa malalayong sistema ng bituin sa pamamagitan ng pakikinig sa mga electromagnetic signal sa hanay ng radio wave. Ang proyekto ay tinawag na "Ozma" - bilang parangal kay Prinsesa Ozma, ang pinuno ng Emerald City of Oz mula sa aklat ni Frank Baum.

Itinuro ni Drake ang kanyang teleskopyo sa radyo sa dalawang kalapit na bituin na parang araw - Tau Ceti at Epsilon Eridani, na matatagpuan ayon sa pagkakabanggit 12 at 10 light years mula sa Earth. Ang parehong mga bituin ay tila angkop na mga kandidato para sa mga matitirahan na planeta na umiikot sa kanilang paligid. Iniayos niya ang antena upang makatanggap ng mga signal ng isang tiyak na dalas na tumutugma sa isang medyo tiyak na electromagnetic radiation na ibinubuga ng hydrogen - ang pinakamagaan, pinakasimpleng at pinaka-sagana na elemento sa Uniberso, na ginagawa itong pinakamalamang na pagpipilian para sa isang dayuhang sibilisasyon na nagnanais na ipakilala ang presensya nito. . Ni-record ni Drake ang data at maingat na sinuri ito para sa anumang signal sa itaas ng ingay sa background. Pagkatapos ng ilang buwan ng pag-aaral ng mga pag-record na ginawa sa loob ng maraming oras, ang tanging kawili-wiling signal ay ang signal ng isang eroplano na lumilipad nang napakataas. Ngunit hindi nabigo si Drake. Hindi niya nakalimutan na ang proseso ng paghahanap ay tulad ng pagbili ng isang tiket sa lottery: kung may mahanap, ituturing niyang masuwerte siya.

Hindi napigilan ng kabiguan si Drake, at nang sumunod na taon ay inorganisa niya ang unang kumperensya ng SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence), na inaanyayahan dito ang lahat ng mga siyentipikong kilala niya na interesado sa paksa noong panahong iyon (mayroon lamang 12 sa kanila).

Gumawa si Drake ng isang mathematical formula para sa pagkalkula ng bilang ng mga sibilisasyon (N) sa ating Galaxy na ang mga signal ng radyo ay maaaring makita mula sa Earth. Nakuha niya ang halagang ito sa pamamagitan ng pagpaparami ng pitong numero. Ang resultang equation, na ipinangalan sa kanya, ay ganito ang hitsura:

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L.

Ang equation ay talagang madaling ipaliwanag. Susuriin ko ang kahulugan ng lahat ng mga simbolo at ilagay sa panaklong ang halaga na inilagay ni Drake sa kanyang mga unang kalkulasyon upang makita mo kung paano siya nakarating sa huling resulta. Ang simbolo na R* ay kumakatawan sa bilang ng mga bagong bituin na nabubuo sa Galaxy bawat taon (iminungkahi ni Drake na ang halagang ito ay 10 bituin bawat taon). Ang simbolo na fp ay tumutukoy sa fraction ng mga bituin na mayroong mga sistemang pang-planeta (0.5); ne ay ang bilang ng mga planeta sa bawat sistema ng bituin na ang mga kondisyon ay angkop para sa buhay; Ang fl, fi at fc ay nagsasaad, ayon sa pagkakabanggit, ang bahagi ng mga planetang matitirhan kung saan aktwal na umuunlad ang buhay (1); ang proporsyon ng matitirahan na mga planeta kung saan nabuo ang matalinong buhay (0.5); ang proporsyon ng mga sibilisasyon na umunlad sa isang teknolohikal na antas na nagpapahintulot sa kanila na magpadala ng mga nakikitang signal sa kalawakan na nagpapahiwatig ng kanilang presensya (1). Sa wakas, ang L ay tumutugma sa yugto ng panahon kung saan ang sibilisasyong iyon ay patuloy na nagpapadala ng mga nakikitang signal sa kalawakan (10,000 taon). Ang pagpaparami ng pitong numerong ito, nakuha ni Drake ang sagot na N = 50,000.

Itinatampok ng kahanga-hangang numerong ito ang problema ng Fermi Paradox. Gayunpaman, gaano mo mapagkakatiwalaan ang halagang ito? Syempre, hindi talaga siya mapagkakatiwalaan. Kahit na ang pitong bilang na ito ay sapat na, ang mga kahulugang itinalaga sa ilan sa mga ito ay hinugot sa manipis na hangin. Ang unang tatlong simbolo (R*, fp at ne) ay nakadepende sa mga dami na hindi alam kalahating siglo na ang nakalipas, ngunit ngayon, salamat sa mga pag-unlad sa disenyo ng teleskopyo, nagsisimula na tayong lumapit sa kanilang eksaktong mga halaga. Sa partikular, ito ay pinadali ng kamakailang pagtuklas ng maraming planeta sa labas ng ating solar system, na tinatawag na mga extrasolar na planeta.

Gayunpaman, ang susunod na tatlong salik ay kumakatawan sa mga probabilidad na nauugnay sa paglitaw ng matalino at makontak na buhay. Ang bawat isa sa kanila ay maaaring kumuha ng halos anumang halaga mula 0 (imposible) hanggang 1 (sigurado). Pinili ni Drake ang sobrang optimistikong mga numero. Naniniwala siya na kung may mga angkop na kondisyon sa ilang planetang katulad ng Earth, kung gayon ang paglitaw ng buhay ay hindi maiiwasan (fl = 1). At kung bumangon ang buhay, ang posibilidad ng paglitaw ng isang matalinong species ay 50% (fi = 0.5). Kung lilitaw ang ganitong uri ng hayop, tiyak na mag-evolve ito sa punto ng pagbuo ng teknolohiya na kinabibilangan ng pagpapadala ng mga electromagnetic wave sa kalawakan (sinasadya man o hindi ipinadala ang mga mensahe) (fc = 1).

Ngunit ang mga numero ay hindi gaanong ibig sabihin. Ang Drake equation ay may higit na kahalagahan kaysa sa simpleng pagtantya sa bilang ng mga dayuhang sibilisasyon sa ating Galaxy. Nagbukas ito ng pandaigdigang paghahanap ng mga signal mula sa kalawakan, na nagpapatuloy hanggang ngayon.

Project SETI

Ang acronym na SETI ay tumutukoy sa ilang mga proyekto na nagpapatuloy sa buong mundo sa loob ng maraming taon at naglalayong aktibong maghanap ng mga extraterrestrial na signal. Nakikinig kami sa mga potensyal na signal mula sa kalawakan, na ipinadala sa pamamagitan ng mga electromagnetic wave, mula nang malaman ng mga siyentipiko kung paano magpadala at tumanggap ng mga signal. Ang isa sa mga unang ganitong kaso ay nagsimula noong katapusan ng ika-19 na siglo.

Noong 1899, habang nag-aaral ng atmospheric electricity sa panahon ng bagyo sa kanyang laboratoryo sa Colorado Springs at ginagamit ang kanyang bagong assemble na napakasensitibong receiver, natuklasan ng Serbian electrical engineer at inventor na si Nikola Tesla ang mahinang signal na dumarating sa mga grupo na bumubuo ng numerical code ng isa, dalawa, tatlo at apat. mga beep, na sigurado siyang nagmula sa Mars. Inilarawan ni Tesla ang kanyang emosyonal na estado na dulot ng pagtuklas na ito sa isang pakikipanayam sa isang magazine noong 1901:

“Hinding-hindi ko makakalimutan ang unang pakiramdam na iyon nang mapagtanto ko na may namamasid ako sa isang kababalaghan na maaaring magkaroon ng napakalaking kahihinatnan para sa buong sangkatauhan... Tiyak na natakot ako sa nakita ko, na para bang mayroong isang misteryoso, kung hindi supernatural, sa harap ko. ... [Mga senyas ng kuryente ] ay panaka-nakang at may malinaw na katangian ng isang nakaayos na pagkakasunud-sunod ng mga numero na hindi maaaring sanhi ng anumang dahilan na alam ko sa oras na iyon... Pagkaraan ng ilang oras, napagtanto ko na ang mga kaguluhan ay ang naobserbahan ay maaaring isang mensahe mula sa isang matalinong nilalang."

Bagama't binatikos si Tesla para sa gayong mga pahayag, ang misteryo ng mga senyas na natuklasan niya ay nanatiling hindi nasagot.

Ang unang seryosong paghahanap para sa mga posibleng signal ng radyo mula sa mga matatalinong dayuhan ay isang panandaliang proyekto na ipinatupad sa Amerika noong 1924. Noong panahong iyon, pinaniniwalaan pa rin na ang pinaka-malamang na tahanan ng extraterrestrial na sibilisasyon ay ang ating kapitbahay na Mars, at kung ang mga Martian ay makikipag-ugnayan sa atin, gagawin nila ito sa sandaling ang dalawang planeta ay pinakamalapit sa isa't isa. . Ito ay nangyayari sa panahon ng tinatawag na oposisyon, kapag ang Earth ay dumadaan sa pagitan ng Mars at ng Araw. Ang isa sa mga pagsalungat na ito ay naganap sa pagitan ng Agosto 21 at 23, 1924, nang ang Mars ay mas malapit sa Earth kaysa sa nakalipas na ilang libong taon (ang rekord na ito ay nasira noong Agosto 2003, at sa susunod na mangyayari ito ay sa 2287). Napagpasyahan ng mga siyentipiko na kung umiiral ang mga Martian, gagamitin nila ang pagsalungat na ito upang magpadala ng mga signal sa Earth. Sineseryoso ng US Navy ang ideya upang lumikha ng isang "pambansang araw ng katahimikan sa radyo", na humihiling sa mga mamamayan sa buong bansa na patayin ang kanilang mga radyo sa loob ng limang minuto sa tuktok ng bawat oras sa loob ng 36-oras na panahon ng pagdaan ng Mars sa paligid ng Earth . Sa US Naval Observatory sa Washington, isang radio receiver ang itinaas sa taas na 3 km sa isang airship, at lahat ng naval base sa bansa ay inutusan na subaybayan ang mga radio wave sa paghahanap ng anumang hindi pangkaraniwan. Ngunit wala silang narinig maliban sa panghihimasok sa atmospera at mga senyales mula sa mga pribadong istasyon ng radyo na hindi nagmamasid sa katahimikan ng radyo.

Ito ay pagkatapos ng orihinal na proyekto ni Frank Drake na ang kilusan ng SETI ay talagang nagsimulang mag-alis, na pinalawak ang paghahanap nito nang higit pa sa solar system. Upang mabigyan ka ng ideya kung gaano karaming mga teleskopyo sa radyo ang nagpalawak na ng saklaw na magagamit sa amin, ang dalawang bituin na nakatuon sa pag-aaral ni Drake noong 1960 ay humigit-kumulang 10 light-years ang layo—dalawang milyong beses na mas malayo kaysa sa Mars. Para kang naglalagay ng baso sa dingding para makinig sa sinasabi ng iyong kapitbahay, at kapag wala kang narinig, mas pinili mong subukang makinig sa isang pag-uusap sa New York habang nasa London. Malinaw, isang kritikal na isyu ang pagtukoy kung saan eksaktong ituturo ang antena ng teleskopyo ng radyo.

Ang SETI Institute sa California ay itinatag noong 1984, at pagkalipas ng ilang taon, inilunsad ang Phoenix Project sa pamumuno ng astronomer na si Jill Tarter, na naging prototype para sa pangunahing karakter ng nobelang Contact ni Carl Sagan. Sa pagitan ng 1995 at 2004, gumamit ang Project Phoenix ng mga teleskopyo sa radyo sa Australia, Estados Unidos at Puerto Rico upang pagmasdan ang 800 tulad-araw na mga bituin na matatagpuan sa loob ng 200 light-years ng Earth. Ngunit walang nahanap. Totoo, ang proyekto ay naging isang maaasahang mapagkukunan ng impormasyon na kinakailangan upang pag-aralan ang posibilidad ng pagkakaroon ng dayuhan na buhay. Kasama ang kapwa astronomer na si Margaret Turnbull, si Jill Tarter ay nag-compile ng isang catalog ng mga kalapit na bituin na posibleng magho-host ng mga planetary system kung saan matatagpuan ang buhay (tinatawag na potensyal na matitirahan na mga bituin). Ang catalog, na kilala bilang HabCat, ay kasalukuyang naglalaman ng 17,000 bituin, karamihan sa mga ito ay nasa loob ng ilang daang light-years ng Earth at may mga tamang katangian at katangian na i-orbit ng mga planetang katulad ng Earth.

Noong 2001, sumang-ayon ang co-founder ng Microsoft na si Paul Allen na pondohan ang paunang yugto ng pagbuo ng bagong hanay ng antenna bilang bahagi ng proyekto ng SETI. Tinawag itong Allen Telescope Array (ATA); patuloy pa rin ang konstruksyon ilang daang milya hilagang-silangan ng San Francisco. Kapag natapos na, ito ay bubuo ng 350 antenna (bawat 6 m ang lapad) na nagtutulungan. Ang unang yugto ng konstruksiyon ay natapos noong 2007, nang ang 43 antenna ay handa na para sa operasyon, ngunit sa simula ng 2011 ang proyekto ay nasuspinde dahil sa mga pagbawas sa pondo ng gobyerno para sa pananaliksik. Di-nagtagal, isang grupo ng inisyatiba ang inorganisa upang makalikom ng pondo sa mga pribadong mamumuhunan na handang tumulong. Libu-libong tao ang nag-sign up, kabilang ang bida sa pelikula na si Jodie Foster, na gumanap sa karakter na si Jill Tarter sa Hollywood film adaptation ng Carl Sagan's Contact. Sa ilang kadahilanan, lahat ng ito ay nagpapainit sa aking kaluluwa.

Walang sinuman ang susuko; ang seryosong paghahanap para sa mga extraterrestrial na sibilisasyon ay nagsisimula pa lamang. Sa ngayon, maingat nating pinag-aralan ang ilang libong bituin sa isang limitadong saklaw ng dalas ng electromagnetic spectrum. Plano ng Allen Array na mag-survey ng 1 milyong bituin sa loob ng 1,000 light years. Lumalawak din ang hanay ng dalas. Matalino si Drake na magsimula sa interstellar hydrogen frequency na 1.42 GHz. Ang ating kalangitan ay isang maingay na lugar, na puno ng mga radio wave mula sa lahat ng uri ng pinagmumulan, kabilang ang galactic noise at ang ingay ng mga charged particle na dumadaan sa magnetic field ng Earth, pati na rin ang cosmic background radiation - isang echo ng unang bahagi ng Uniberso. Ngunit ang frequency range na pinaplanong suriin ng Allen array ay nasa pagitan ng 1 at 10 GHz at kilala bilang microwave transparency window (ito ay isang partikular na tahimik na rehiyon ng electromagnetic spectrum, perpekto para sa paghahanap ng mga signal mula sa mga dayuhan).

Gayunpaman, sa mga nagdaang taon, lumitaw ang mas seryosong pananaliksik sa akademiko, na naglalayong hindi sa paghahanap ng matalinong buhay, ngunit sa paghahanap ng mga terrestrial na planeta kung saan maaari itong umiral. Ngayon, ang paghahanap para sa mga exoplanet ay kumakatawan sa isa sa mga pinakamainit na lugar ng pananaliksik.

Mga Exoplanet

Sigurado akong hindi lang ako ang nakakatuwang kapana-panabik ang paghahanap at pag-aaral ng mga extrasolar na planeta (o mga exoplanet). Ang pagmamasid at pag-aaral ng mga bituin ay isang bagay - kung tutuusin, marami tayong nalalaman tungkol sa kanilang komposisyon at paggalaw salamat sa liwanag na kanilang inilalabas. Ngunit ang mga planeta ay isang bagay na ganap na naiiba. Hindi lamang mas maliit ang mga ito kaysa sa mga bituin, ngunit naglalabas din ang mga ito ng sinasalamin na liwanag ng bituin, na ginagawa itong milyun-milyong beses na mas maliwanag kaysa sa pinakamadilim na bituin. Samakatuwid, ang anumang katibayan ng kanilang pag-iral ay kadalasang makukuha lamang nang hindi direkta. Ang pinakakaraniwan ay ang tinatawag na paraan ng transit (kapag ang isang planeta ay dumaan laban sa background ng isang bituin, isang maliit na paglubog ang makikita sa liwanag ng huli). Ang isa pang paraan ay ang pag-detect ng maliit na puwersa ng gravitational na ginagawa ng isang planeta sa isang mas malaking bituin, na nagiging sanhi ng bahagyang pag-alog nito. Ang epektong ito ay maaaring matukoy alinman sa pamamagitan ng pagbabago sa dalas ng liwanag na ibinubuga ng isang bituin na papalapit o papalayo sa atin (Doppler shift), o sa pamamagitan ng pagbabago sa posisyon nito.

Ang mga planeta tulad ng Earth ay partikular na interesado sa mga astronomo dahil ang mga ito ay mabato, may gravity na katulad ng Earth, at matatagpuan sa ganoong distansya mula sa kanilang bituin kung kaya't ang likidong tubig ay maaaring umiral sa kanilang ibabaw (potensyal na nagpapahintulot sa kanila na maging duyan ng buhay).

Sa oras ng pagsulat, mga 700 exoplanet ang natuklasan. Ngunit ang bilang na ito ay malamang na lumago nang mabilis. Noong 2009, inilunsad ng NASA ang misyon ng Kepler (isang spacecraft na nilagyan ng mga instrumentong kailangan upang makita ang mga exoplanet). Noong Pebrero 2011, inihayag ng pangkat ng pananaliksik ng Kepler ang isang listahan ng 1,235 potensyal na exoplanet, kabilang ang 54 na planeta na matatagpuan sa habitable zone (anim na planeta ang magkapareho sa laki sa Earth).

Tinataya ng mga siyentipiko na ang Milky Way ay naglalaman ng hindi bababa sa 50 bilyong planeta at hindi bababa sa 1% ng mga ito (500 milyon) ay nasa habitable zone. Ayon sa iba pang mga mapagkukunan, ang bilang ng mga potensyal na matitirahan na mga planeta tulad ng Earth ay higit sa 2 bilyon. Sa mga ito, 30,000 ay nasa loob ng 1,000 light years ng Earth.

Sa ngayon, dalawang kumpirmadong exoplanet na matatagpuan sa habitable zone ang nakakuha ng imahinasyon ng siyentipikong komunidad. Ang dahilan ay hindi ang anumang mga palatandaan ng buhay ay natagpuan sa kanila, ngunit dahil ngayon sila ang pinakamahusay na mga kandidato para sa tinatawag na mga planeta ng Goldilocks (mga planeta na mayroong lahat ng mga kondisyon upang suportahan ang buhay: hindi masyadong malamig at hindi masyadong mainit, sa eksakto tulad ng lugaw ng isang maliit na oso mula sa isang fairy tale ng mga bata). Ang una ay tinatawag na Gliese 581 d at umiikot sa red dwarf na Gliese 581 sa constellation na Libra (20 light-years mula sa Earth). Tandaan na ang letrang d sa dulo ng pangalan ay nagpapahiwatig na ito ang ikatlong planeta na natuklasan sa sistema ng bituin na ito (ang mga planeta na umiikot sa isang bituin ay itinalaga ng mga titik sa alpabetikong pagkakasunud-sunod na nagsisimula sa b; ang titik a ay tumutugma sa mismong bituin). Bagama't ang Gliese 581 d ay higit sa limang beses na mas malaki kaysa sa Earth, ayon sa pinakabagong mga modelo ng klima, mayroon itong matatag na kapaligiran at naglalaman ng likidong tubig. Ilang iba pang mga planeta na maaaring matirhan ay natuklasan sa parehong sistema ng bituin, ngunit ang impormasyong ito ay nananatiling kumpirmahin.

Ang susunod na kandidato ay tinatawag na HD 85512 b at nag-o-orbit sa bituin na HD 85512, pinangalanan ito dahil nakapaloob ito sa star catalog ni Henry Draper, at matatagpuan 36 light-years mula sa Earth sa konstelasyon na Velae. Ito ay isa sa pinakamaliit na matitirahan na mga exoplanet ng zone na natuklasan sa ngayon; sa sandaling ito ay itinuturing na pinakamahusay na kandidato para sa papel ng duyan ng extraterrestrial na buhay. Ito ay halos apat na beses na mas malaki kaysa sa Earth, ang gravity nito ay halos 1.5 beses kaysa sa Earth, at ang temperatura sa itaas na kapaligiran ay 25 °C. Hindi alam ang temperatura sa ibabaw, ngunit malamang na mas mataas ito. Ang isang taon sa planetang ito (ang oras na kinakailangan para sa pag-orbit nito sa araw) ay 54 araw lamang ng Daigdig.

Sa pagtatapos ng 2011, isang kaguluhan ang dulot ng pag-anunsyo ng misyon ng Kepler tungkol sa pagkatuklas ng isang kumpirmadong exoplanet, Kepler-22 b. Bagama't ang bituin nito ay mas malayo sa Earth kaysa sa Gliese 581 at HD 85512 (halos 600 light-years ang layo), ito ay malapit na kahawig ng ating Araw (isang pangunahing sequence star ng spectral type G). Wala pang nalalaman tungkol sa laki ng planetang Kepler-22 b, bagaman, ayon sa kasalukuyang mga pagtatantya, ang diameter nito ay ilang beses na mas malaki kaysa sa Earth. Hindi rin malinaw kung ito ay isang solidong planeta, tulad ng Earth, o isang gas na planeta, tulad ng Jupiter at Saturn. Kung ito ay solid, maaari itong magkaroon ng likidong tubig sa ibabaw nito, at ang katotohanang ito ay umiikot sa isang mala-Sun na bituin sa "kanang" distansya ay ginagawa itong isang potensyal na promising na kandidato para sa isang matitirahan na planeta.

Hindi alam kung may pagkakataon tayong makahanap ng mga sagot sa lahat ng tanong na ito sa malapit na hinaharap. Ngunit nakagawa kami ng makabuluhang pag-unlad sa pananaliksik sa exoplanet sa napakaikling panahon, at patuloy na dumarating ang mga pagtuklas.

Gaano tayo kaespesyal?

Oo nga, ang isang planeta na angkop para sa pagsuporta sa buhay ay isang bagay, ngunit ang tunay na malaking tanong ay ito: Dahil sa tamang mga kondisyon, ano ang posibilidad na umunlad ang buhay sa isang lugar? Upang masagot ito, kailangan mong malaman kung paano lumitaw ang buhay sa Earth.

Ang ating planeta ay puno ng buhay - mula sa flora at fauna hanggang sa bacteria. Gayunpaman, maraming mga uri ng hayop, lalo na ang mga mikrobyo, ang tila maaaring umunlad sa pinakamalupit na kapaligiran (mula sa matinding lamig hanggang sa hindi kapani-paniwalang init), mayroon man o walang sikat ng araw. Ang pagkakaiba-iba ng buhay na ito, at ang katotohanang tila mabilis itong kumalat sa buong Earth pagkatapos lumamig ang ating batang planeta, ay nagpapahiwatig na hindi ito ganoon kahirap. Ngunit tama ba ang pananaw na ito? Alam na natin ngayon na ang mga kondisyong angkop para sa pagsuporta sa buhay, hindi bababa sa bakterya, ay umiiral sa buong uniberso (o mas tumpak, sa ating solar system), kaya tila makatwiran na ang buhay ay maaaring lumitaw din sa ibang mga mundo. Ngunit gaano kaespesyal ang ating planetang tahanan?

Ang Earth ay tiyak na nasa perpektong distansya mula sa Araw - ito ay hindi masyadong malamig at hindi masyadong mainit. Ito ay positibong naiimpluwensyahan ng pagkakaroon ng higanteng Jupiter sa panlabas na orbit nito. Ginagampanan ni Jupiter ang papel ng isang proteksiyon na nakatatandang kapatid, na umaakit sa mga labi ng kalawakan kasama ang gravitational field nito at sa gayon ay pinipigilan itong makapasok sa orbit ng Earth at bumangga dito.

Ang kapaligiran ng Earth ay susi hindi lamang para sa pagbibigay sa atin ng hangin (pagkatapos ng lahat, walang oxygen sa atmospera noong nagsimula ang buhay sa Earth), ngunit dahil sa paraan ng epekto nito sa electromagnetic radiation. Ang kapaligiran ng Earth ay transparent sa nakikitang liwanag, ngunit bahagyang sumisipsip ng infrared radiation (init) kapwa sa daan mula sa Araw patungo sa Earth at pabalik (na sinasalamin mula sa ibabaw ng Earth). Pinapainit ng greenhouse effect na ito ang atmospera, na nagpapanatili ng tubig sa ibabaw ng planeta sa isang likidong estado, na mas nakakatulong sa pag-unlad ng buhay kaysa sa yelo o singaw.

May mahalagang papel din ang buwan. Pinapatatag ng gravity nito ang pag-ikot ng Earth, na nagbibigay dito ng patuloy na klima na nagbibigay-daan sa pagbuo ng buhay, habang ang mga puwersa ng tidal na nabuo sa mantle ng Earth habang umiikot ang Buwan, lalo na noong sila ay mas malapit nang magkasama bilyun-bilyong taon na ang nakalilipas, ay maaaring nakatulong sa pag-init ng mantle at nag-ambag sa pagbuo ng magnetic field ng Earth, na kung saan, pinoprotektahan ang ating planeta mula sa solar wind (kung hindi, ito ay hihipan ang kapaligiran nito sa kalawakan).

Kahit na ang isang proseso tulad ng paggalaw ng mga tectonic plate ay nagiging kritikal dahil nakakatulong ito sa pagproseso ng carbon na kailangan upang patatagin ang temperatura ng atmospera at palitan ang mga sustansya na magagamit sa mga buhay na bagay sa ibabaw ng planeta (at kahit na nag-aambag sa pagbuo ng magnetic field ng Earth ).

Kaya posible na ang ating planeta ay isang kapansin-pansing halimbawa. Ngunit nangangahulugan ba ito na ang buhay ay hindi maiiwasang lumitaw dito? Sa sandaling nagsimula ang buhay at nagsimula ang ebolusyon, ang buhay ay maaaring pangalagaan ang sarili nito. Gayunpaman, ang buong problema ay nasa unang hakbang na ito. Ito ay pinaniniwalaan na ang mga unang nabubuhay na bagay sa Earth ay mga single-celled prokaryotes (mga simpleng organismo na walang cell nucleus), na lumitaw mga 3.5 bilyong taon na ang nakalilipas. Maaari silang umunlad mula sa tinatawag na protobionts, na isang kumpol ng mga organikong molekula na nakapaloob sa isang lamad, ngunit may dalawang pangunahing palatandaan ng buhay: ang kakayahang magparami at pakikilahok sa metabolismo.

Ang hindi pa natin alam ay kung anong pagkakasunod-sunod ng mga kaganapan ang maaaring humantong sa mga organikong molekula gaya ng mga amino acid (na mahalaga sa pagbuo ng mga protina) at mga nucleotides (ang mga bloke ng gusali ng DNA) upang makabuo ng unang replicator gene. Ang tanong kung paano nagsimula ang buhay ay isa sa pinakamahalaga sa agham. Ang prosesong ito ay tinatawag na abiogenesis. Maraming mga tao ang nagkakamali sa pagkalito ng biogenesis (ang teorya na ang buhay ay maaari lamang bumangon mula sa buhay) sa abiogenesis (ang proseso kung saan ang biological na buhay ay natural na nagmumula sa di-organikong bagay, mahalagang ang chemistry ay nagiging biology). Ang pananaliksik ng Abiogenesis ay naglalayong mahanap ang mahiwagang hakbang na iyon, na kilala bilang kusang henerasyon, na ginagawang walang buhay na bagay sa buhay na bagay.

Ang ilan ay nangangatwiran na ang kusang pinagmulan ng buhay sa Earth ay hindi malamang na maihahambing ito sa isang malakas na hangin na umiihip sa isang junkyard at hindi sinasadyang nag-assemble ng mga bahagi ng isang Boeing 747 na nakahiga, o sa mga organikong molekula na random na nagsasama-sama upang kahit na ang karamihan nabuo ang mga primitive na anyo ng buhay. Ngunit makatarungan ba ang paghahambing na ito?

Noong 1953, sina Stanley Miller at Harold Urey ay nagsagawa ng kanilang sikat na eksperimento sa Unibersidad ng Chicago sa pagtatangkang sagutin ang tanong na ito. Nais nilang makita kung maaari silang lumikha ng buhay sa isang test tube mula sa mga pangunahing bahagi nito. Naghalo sila ng tubig na may tatlong gas: ammonia, methane at hydrogen, na nagmumungkahi na ito ay tumutugma sa komposisyon ng gas ng atmospera ng unang bahagi ng Earth, at pagkatapos ay pinainit ang pinaghalong hanggang sa ito ay nabuo ng singaw. Ang mga electrical discharge ay ipinapasa sa singaw na ito gamit ang dalawang electrodes, na ginagaya ang mga paglabas ng kidlat sa atmospera ng Earth, pagkatapos nito ang singaw ay lumamig at nag-condensed. Pagkatapos ng isang linggo ng patuloy na pag-uulit ng siklo na ito, natuklasan nila na ang mga organikong compound ay nagsimulang mabuo sa pinaghalong, kabilang ang mga amino acid - mga molekula na kinakailangan para sa buhay, dahil, kapag pinagsama sa ilang mga pagkakasunud-sunod, bumubuo sila ng mga protina sa mga buhay na selula. Ngunit ang kumpletong mga protina na may kanilang kumplikadong istraktura ay hindi natuklasan, ni ang iba pang mga kritikal na bahagi ng buhay - mga nucleic acid (DNA at RNA).

Sa kabila ng magandang pagsisimula na ito, higit sa kalahating siglo pagkatapos ng pangunahing eksperimentong ito, nabigo ang mga siyentipiko na lumikha ng artipisyal na buhay. Kaya, ang kusang paglitaw ng buhay ay talagang hindi kapani-paniwala? Ito ay kilala na nangyari kahit isang beses - tayo mismo ay buhay na patunay nito. Ngunit magiging kagiliw-giliw na malaman kung ang lahat ng buhay sa Earth ay nagmula sa isang ninuno, dahil kung hindi ito ang kaso, kung gayon ang buhay ay dapat na lumitaw nang higit sa isang beses, samakatuwid, ang paglitaw nito ay hindi isang espesyal na kaganapan tulad ng iniisip natin.

Ang mga kontrobersyal na natuklasan mula sa isang kamakailang pag-aaral ay tila nagtatanong sa ideyang ito. Ang isang microorganism, strain GFAJ-1, ay natuklasan sa isang lawa sa disyerto ng California (tulad ng makikita mo, ang mga microbiologist ay kasing-isip ng mga astronomo pagdating sa pagbibigay ng pangalan sa kanilang mga natuklasan). Ang Mono Lake, na nabuo mga isang milyong taon na ang nakalilipas, ay may napaka kakaibang komposisyon ng kemikal. Ang kaasinan nito ay 2-3 beses na mas mataas kaysa sa karagatan, naglalaman ito ng mga chlorides, carbonates at sulfates at may napakataas na alkalinity (balanse ng acid-base (pH) ay 10). Bagama't walang isda sa lawa, ang kimika ng tubig ay perpekto para sa isang partikular na uri ng single-celled algae at trilyong maliliit na hipon sa tubig-alat, na nagsisilbing pangunahing pinagkukunan ng pagkain para sa milyun-milyong migratory bird na gumugugol ng ilang buwan sa lawa bawat taon. Ay oo, ang lawa na ito ay mayaman din sa arsenic.

Ang isang pangkat ng mga biologist ng NASA na pinamumunuan ni Felisa Wolf-Simon ay naging interesado sa maliit na bacterium na GFAJ-1 dahil ito ay tila may kakayahang gumawa ng isang bagay na hindi pa nakikita: pagpapakain ng arsenic, isang kemikal na elemento na nakakalason sa lahat ng iba pang buhay.

Alam natin na ang lahat ng buhay sa Earth ay nakasalalay sa maraming iba't ibang elemento, ngunit ang DNA mismo ay may limang bahagi lamang: carbon, hydrogen, nitrogen, oxygen at phosphorus. Ang tanong ay kung maaari silang mapalitan ng iba pang mga kemikal na katulad na elemento. Ang mouse-yak ay matatagpuan sa periodic table kaagad sa ibaba ng phosphorus, samakatuwid, mayroon itong katulad na atomic na istraktura. Alam ng mga mananaliksik ng NASA na ang bakterya ng GFAJ-1 ay lumalaban sa arsenic at ang Mono Lake ay naglalaman ng napakakaunting posporus. Pagkatapos ay inilagay nila ang mga bakteryang ito sa isang diyeta na mayaman sa arsenic, at ang bakterya ay patuloy na matagumpay na lumago kahit na ganap na inalis ng mga siyentipiko ang posporus. Ang paghahati ng cell ay nangangailangan ng materyal na gusali kung saan nabuo ang bagong DNA. Paano nagawa ng mga mikroorganismo na ito nang wala ang isa sa limang kritikal na mahalagang elemento?

Ang paglalathala ng gawaing ito noong 2010 ay nagdulot ng kaguluhan sa pandaigdigang komunidad na siyentipiko. Nagtalo ang mga mananaliksik na literal na pinapalitan ng GFAJ-1 ang posporus ng arsenic sa istraktura ng DNA nito. Kung ito ay magiging totoo, haharap tayo sa isang milyong dolyar na tanong: ang kakayahang gumamit ng arsenic sa ganitong paraan ay lumitaw sa pamamagitan ng ebolusyon, o ang mga bakteryang ito ba ay lumitaw sa pamamagitan ng isang nakahiwalay na proseso ng abiogenesis? Kung ang huli ay totoo, nagiging malinaw na ang buhay ay maaaring nagsimula sa hindi bababa sa dalawang magkahiwalay na lugar, kaya maaaring lumabas na ito ay hindi isang bihirang kaganapan.

Hindi pa rin natin alam kung paano nagsimula ang buhay sa Earth. Sagutin man natin ang tanong na ito, may natitira pa ring mga misteryo hinggil sa posibilidad ng pag-usbong ng matalinong buhay. Pagkatapos ng lahat, maaaring lumabas na ang buhay ay umiiral sa maraming lugar sa ating kalawakan, ngunit ang matalinong buhay ay lumitaw sa isang lugar lamang.

Ang mga kamakailang pag-aaral ng pag-uugali ng mga uwak ay nagpapahiwatig na ang mga ibong ito ay nakabuo ng isang nakakagulat na mataas na katalinuhan, at sa isang ganap na hiwalay na ebolusyonaryong paraan, na hiwalay sa mga tao. Kung ito ay totoo, kung gayon marahil ang katalinuhan ay isang hindi maiiwasang resulta ng Darwinian evolution. Ang sagot dito at sa iba pang mga katanungan, kabilang ang kung paano nag-evolve ang mga single-celled organisms sa multicellular organism, ay makakatulong sa atin na maunawaan kung maaari nating asahan ang lahat ng mahahalagang hakbang na ito sa proseso ng ebolusyon (mula sa abiogenesis hanggang sa paglitaw ng mga tao) na naganap sa ibang lugar sa ang kalawakan.

Prinsipyo ng antropiko

Mayroong mas malalim na tanong kaysa kay Fermi na dapat kong banggitin bago tapusin ang kabanatang ito. Hanggang kamakailan lamang ito ay eksklusibo ang lalawigan ng pilosopiya, ngunit ngayon ay naging bahagi ng pangunahing pisikal na agham. Ang sentral na ideya nito ay tinatawag na anthropic na prinsipyo, na naglalayong ang kawalan ng posibilidad ng pagkakaroon ng ating Uniberso, o hindi bababa sa sulok nito kung saan tayo nakatira, na angkop na angkop at pinong nakatutok para sa pagkakaroon nating mga tao. Sa modernong anyo nito, iminungkahi at ipinaliwanag ito ng Australian cosmologist na si Brandon Carter sa isang scientific conference sa Poland noong 1973, na nakatuon sa ika-500 anibersaryo ng kapanganakan ni Copernicus. Binabalangkas ni Carter ang prinsipyo tulad ng sumusunod: “Ang inaasahan nating makita sa Uniberso ay dapat na limitado ng mga kondisyon ng ating pag-iral bilang mga tagamasid. Hindi natin maiiwasang sakupin, kung hindi man isang sentral, ngunit sa ilang lawak, isang pribilehiyong posisyon.” Kapansin-pansin na eksaktong ipinahayag niya ang kanyang ideya sa kaganapang ito, dahil si Copernicus ang unang siyentipiko na nagmungkahi na ang mga uri ng tao ay hindi sumasakop sa anumang pribilehiyong posisyon sa Uniberso. Ngayon ay dumating si Carter at iminungkahi na ang buong uniberso ay ganito ang hitsura, dahil kung ito ay kahit na medyo naiiba, hindi tayo umiiral.

Hayaan akong magbigay sa iyo ng isang halimbawa mula sa aking pang-agham na larangan - nuclear physics. Isa sa apat na pangunahing puwersa ng kalikasan, ang malakas na puwersang nuklear, ay may pananagutan sa mga bono sa loob ng nucleus ng isang atom. Ang dalawang hydrogen nuclei (iisang proton) ay hindi maaaring pagsamahin dahil ang malakas na puwersang nuklear ay hindi sapat na lakas upang gawin ito. Ngunit ang lakas nito ay sapat na upang pagsamahin ang isang proton at isang neutron, na nagreresulta sa pagbuo ng isang deuteron (ang nucleus ng isang mabigat na hydrogen atom), na gumaganap ng isang mahalagang papel sa pagkakasunud-sunod ng mga yugto ng thermonuclear fusion, bilang isang resulta kung saan ang hydrogen ay binago sa helium. Ang prosesong ito ay nangyayari sa lahat ng mga bituin, at salamat dito, ang nagbibigay-buhay na liwanag at init ng ating Araw ay nabuo. Ngunit ano ang mangyayari kung ang malakas na puwersang nuklear ay kahit isang bahaging mas malakas? Kung gayon ang kapangyarihan nito ay maaaring sapat upang ikonekta ang dalawang proton nang magkasama (sa kasong ito, ang hydrogen ay magiging helium nang mas madali). Sa katunayan, ang lahat ng hydrogen sa Uniberso ay sumailalim sa reaksyong ito at naging helium kaagad pagkatapos ng Big Bang. Kung walang hydrogen, walang kumbinasyon sa oxygen upang makabuo ng tubig, at samakatuwid ay walang pagkakataon ng paglitaw ng buhay (tulad ng naiintindihan natin).

Ang anthropic na prinsipyo ay tila nagsasabi na ang ating mismong pag-iral ay tumutukoy sa ilang mga katangian ng sansinukob, dahil kung sila ay bahagyang naiiba, hindi tayo naririto upang itanong ang tanong na ito. Ngunit ang sitwasyong ito ba ay talagang napakatangi? Marahil kung ang Uniberso ay naiiba, ang ibang "tayo" ay bumangon ayon sa mga kondisyon na nagpapahintulot sa atin na umiral, at ang iba pang "tayo" ay magtataka pa rin: paano posible na ang Uniberso ay napakahusay na nakatutok?

Maaari itong isipin sa ganitong paraan: tanungin ang iyong sarili kung paano ka personal na umiiral. Pagkatapos ng lahat, ano ang mga posibilidad na magkita ang iyong mga magulang at ikaw ay ipanganak? Ano ang posibilidad na maipanganak sila sa kanilang mga magulang? Ang bawat isa sa atin ay nasa dulo ng isang mahaba at napaka-imposibleng hanay ng mga kaganapan na umaabot pabalik sa paglitaw ng buhay mismo. Kung ang isang link lamang ng kadena na ito ay masira, hindi ka iiral. Kaya maaari mong, kung nais mo, isaalang-alang kung paano naaangkop sa iyo ang prinsipyo ng antropiko. Ngunit hindi na ito nakakagulat kaysa sa mga iniisip ng isang nanalo sa lottery tungkol sa kanyang kapalaran. Kung ang lahat ng mga numerong ito ay hindi nadagdagan, may ibang nanalo at maaaring pinag-iisipan din ang posibilidad ng kanilang tagumpay.

Ang argumento ni Brandon Carter ay naging kilala bilang mahinang prinsipyo ng antropiko. Mayroon ding isang malakas na prinsipyo ng antropiko, na nagsasaad na ang uniberso ay dapat na ang paraan na ito ay upang ang matalinong buhay ay lumitaw sa isang lugar sa isang punto ng oras at pagdududa ang pagkakaroon nito. Ang bersyon na ito ay medyo naiiba, at ito ay tiyak na mas maraming haka-haka. Sa personal, sa tingin ko ito ay ganap na walang kapararakan. Ang matibay na prinsipyo ng antropiko ay nagbibigay ng layunin sa sansinukob, na nangangatwiran na sa paanuman ay kailangang maging kung ano ito upang tayo ay umiral. Mayroong kahit isang medyo sopistikadong quantum mechanical na bersyon ng argumentong ito, na kapareho ng solusyon sa kabalintunaan ng pusa ni Schrödinger gamit ang isang may malay na tagamasid: sa pamamagitan ng pagmamasid sa Uniberso sa kabuuan ng ating kasaysayan, tinatawag natin itong umiiral. Sa lahat ng posibleng umiiral na uniberso, pinili natin ang isa na nagpapahintulot sa atin na manirahan dito.

Ang isang mas simpleng paraan upang malutas ang bugtong ng anthropic na prinsipyo ay matatagpuan sa pamamagitan ng pagsuko sa kaakit-akit na teorya ng multiverse. Pagkatapos ng lahat, kung ang lahat ng mga potensyal na uniberso ay umiiral, hindi nakakagulat na tayo ay nakatira sa isa na ganap na nababagay sa atin.

Hayaan mong tapusin ko ang kabanatang ito sa pamamagitan ng pagbabalik sa kung saan ako nagsimula - sa tanyag na tanong ni Enrico Fermi tungkol sa katahimikan ng kosmos sa paligid natin. Sa huli, ang isang Uniberso na pinong nakatutok para sa atin ay maaayos din para sa iba pang mga anyo ng buhay na hindi masyadong naiiba sa atin. Dahil ang kalawakan ng uniberso kasama ang bilyun-bilyong mga kalawakan nito ay nagpapahiwatig na gaano man kaespesyal ang Daigdig at gaano man kahirap na magkaroon ng buhay dito, malaki ang posibilidad na mayroong buhay sa lahat ng dako, maaaring maging tayo. nag-iisa lamang sa aming maliit na sulok ng Milky Ways.

Bakit natin ipagpapatuloy ang ating marahil ay walang saysay na paghahanap? Dahil naghahanap tayo ng mga sagot sa pinakapangunahing mga tanong ng pag-iral: ano ang buhay? Natatangi ba tayo? Ano ang ibig sabihin ng pagiging tao at ano ang ating lugar sa Uniberso? Kahit na hindi natin mahanap ang mga sagot sa mga tanong na ito, mahalaga na patuloy nating itanong ang mga ito.

Higit pang mga detalye tungkol sa aklat ay matatagpuan sa