Законы термодинамики

Но временная асимметрия - это реальный факт. Упорядоченность реальных систем может возникать за счет внешних воздействий, а не за счет внутренних беспорядочных флуктуаций (дом, например, воздвигается строителями, а не в результате внутренних хаотических движений). В реальности все системы формируются под воздействием окружающей среды. Для различения реальных систем, которые, отделясь от окружающей Вселенной, приходят в состояние с низкой энтропией, и больцмановских постоянно изолированных от окружающей среды систем, Г.Рейхенбах назвал первые ветвящимися структурами - в их иерархии упорядоченность каждой зависит от предыдущей. Ветвящаяся структура ведет себя асимметрично во времени по причине скрытого воздействия извне. При этом причина асимметрии - не в самой системе, а в воздействии. В реальном мире больцмановских систем нет.

Асимметричные во времени  процессы существуют и в областях за пределами термодинамики. Примером таких процессов могут служить волны (в том числе радиоволны). Так, радиоволны распространяются от передатчика в окружающее пространство, но не наоборот. Аналогично обстоит дело с распространением волн от брошенного в пруд камня. Волны, бегущие от источника (предположим, брошенного в пруд камня) в разные стороны, называют запаздывающими. В принципе возможны и опережающие волны, которые могут возникнуть тогда, когда возмущения сначала проходят через удаленную точку, а затем сходятся в месте распространения источника волны. Изолированный пруд есть симметричная во времени система, как и больцмановский сосуд с газом. Брошенный в него камень создает ветвящуюся структуру. Радиоволна же обратно не вернется, ибо распространяется в безграничном пространстве. Здесь мы имеем дело с неограниченной диссипацией (рассеянием) волн и частиц, являющей собой еще один тип необратимой временной асимметрии. Значит, образование ветвящихся структур и необратимая асимметрия бесконечного волнового движения делают необходимым учет крупномасштабных свойств Вселенной. Таким образом, дискуссия по поводу второго начала термодинамики привела к выводу, что законы микромира ситуацию с "демоном Максвелла" делают неосуществимой, но вместе с тем она способствовала уяснению того, что второе начало термодинамики является законом статистическим.

ТРЕТЬЕ  НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Третье начало термодинамики (теорема Нернста): энтропия физической системы при стремлении температуры  к абсолютному нулю не зависит  от параметров системы и остается неизменной. Другие формулировки теоремы: при стремлении температуры к  абсолютному нулю все изменения  состояния системы не изменяют ее энтропии; при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры абсолютного  нуля. М.Планк дополнил теорему гипотезой, согласно которой энтропия всех тел  при абсолютном нуле температуры  равна нулю. Из теоремы вытекают важные следствия о свойствах  веществ при температурах, близких  к абсолютному нулю: приобретают  нулевое значение удельные теплоемкости при постоянных объеме и давлении, термический коэффициент расширения и давления. Кроме того, из теоремы  следует недостижимость абсолютного  нуля температуры при конечной последовательности термодинамических процессов.

Если первое начало термодинамики утверждает, что теплота есть форма энергии, измеряемая механической мерой, и невозможность вечного двигателя первого рода, то второе начало термодинамики объявляет невозможным создание вечного двигателя второго рода. Первое начало ввело функцию состояния - энергию, второе начало ввело функцию состояния - энтропию. Если энергия закрытой системы остается неизменной, то энтропия этой системы, состоящая из энтропий ее частей, при каждом изменении увеличивается - уменьшение энтропии считается противоречащим законам природы. Сосуществование таких независимых друг от друга функций состояния, как энергия и энтропия, дает возможность делать высказывания о тепловом поведении тел на основе математического анализа. Поскольку обе функции состояния вычислялись лишь по отношению к произвольно выбранному начальному состоянию, определения энергии и энтропии не были совершенными. Третье начало термодинамики позволило устранить этот недостаток. Важное значение для развития термодинамики имели установленные Ж.Л.Гей-Люссаком законы - закон теплового расширения и закон объемных отношений. Б.Клапейрон установил зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа (давлением, объемом и температурой), обобщенное Д.И.Менделеевым.

Таким образом, концепции  классической Термодинамики описывают состояния теплового равновесия и равновесные (протекающие бесконечно медленно, поэтому время в основные уравнения не входит) процессы. Термодинамика неравновесных процессов возникает позднее - в 30-х гг. ХХ века. В ней состояние системы определяется через плотность, давление, температуру и другие локальные термодинамические параметры, которые рассматриваются как функции координат и времени. Уравнения неравновесной термодинамики описывают состояние системы во времени.

ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ  В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ

Что такое время, знают  вроде бы все. Но ни один человек  не может дать понятию "время" однозначное словесное определение, не прибегая к формулировкам типа "масляное масло". И в этом заключается  глубокий научный смысл: согласно известной  теореме Гёделя о неполноте аксиоматического описания, подобные тавтологические  конструкции представляют собой  неизбежную особенность любого конечного  словаря.

Известный философ Августин (354-430 гг. до н.э.) писал: "Я прекрасно  знаю, что такое время, пока не думаю  об этом. Но стоит задуматься - и вот  я уже не знаю, что такое время".

Не правда ли, каждый пытающийся ответить на этот вопрос испытывает сходное  затруднение? Когда мы задумываемся о времени, то возникает ощущение, что это неудержимый поток, в  который вовлечены все события. Тысячелетний человеческий опыт показал, что поток времени неизменен. Казалось бы, его нельзя ни замедлить, ни ускорить. И уж конечно, его нельзя обратить вспять. Долго понятие времени  оставалось лишь интуитивным представлением людей и объектом абстрактных  философских рассуждений.

А вот Ричард Фейнман дал  в своих лекциях по физике очень  простое "определение" времени: "Время - это часы" ...

Выдающийся филолог академик Л.В.Щерба придумал забавную фразу, быстро ставшую хрестоматийной: "Глокая куздра кудланула бокра и кудрячит бокренка". Эта фраза звучит совершенно по-русски, совершенно по-русски звучат все составляющие ее слова; более  того, мы совершенно ясно понимаем смысл  запечатленного в ней образа. И  это - несмотря на то, что ни одно слово, взятое само по себе, никакого смысла не имеет.

Смысл этой фразы нам удается  понять потому, что любой язык - это  не просто набор слов, каждое из которых  имеет определенное значение, а набор  слов, имеющих определенную конструкцию  и сочетающихся друг с другом по определенным правилам, придающим языку  в целом смысловую структуру. "Глокую куздру" невозможно буквально  перевести ни на один язык мира; но, по-видимому, на любом языке мира можно придумать фразу, имеющую  тот же самый смысл.

Природа тоже "говорит  на своем языке", но в нем роль слов выполняют различные материальные объекты, взаимодействующие друг с  другом по правилам, которые мы называем законами. Эти законы и позволяют  передавать языком науки смысл того, что говорит природа, несмотря на то, что ни одно из ее слов не поддается  буквальному переводу на человеческий язык. То есть любой ученый похож  на переводчика, владеющего лишь правилами  грамматики иностранного языка и  упорно пытающегося передать своим  языком непереводимую игру слов природы (В.Е.Жвирблис).

Время - форма последовательной смены явлений и состояний  материи. Время и пространство - всеобщие атрибуты материи, неотделимы от нее, неразрывно связаны с движением и друг с другом. Вот максимум того, что  мы можем сказать о времени, не впадая в тавтологию.

По опыту мы знаем, что  время течет только в одном  направлении, от прошлого к будущему, и поэтому говорим о "стреле времени". Почему нельзя обратить время  вспять? А если это возможно, то что  произойдет в мире, где прошлое  и будущее поменяются местами?

Обычно гипотетический мир, в котором время течет вспять, сравнивают с кинофильмом, пущенным задом наперед. Ведь кинопроектор с  движущейся в нем лентой - это своеобразные часы, обладающие способностью наглядно фиксировать последовательность реальных явлений.

Однако это касается далеко не всех событий, например горение свечи, демонстрировавшееся в ускоренном темпе сначала во времени "туда", а затем во времени "обратно". Когда на экране время текло в  прямом направлении, в обычном направлении  текло и время, измеряемое горящей  свечой - ее длина уменьшалась; когда  же экранное время обращалось вспять, обращалось вспять и время, отсчитываемое  свечой, - она сама собой вырастала  из лужицы воска. И все же что-то было не так. Ведь, несмотря на то, что время  текло вспять и в кинопроекторе (пленка двигалась в обратном направлении), и на экране (свеча не таяла, а  росла), пламя по-прежнему освещало все вокруг! Простое механическое обращение хода времени никак  не повлияло на ход времени, направление  которого задается процессом превращения  энергии из одной формы в другую и определяется законами термодинамики.

Значит, чтобы на экране обратить термодинамическую "стрелу времени", нужно демонстрировать задом  наперед не позитив, а негатив  фильма! Тогда черное пламя свечи  будет, подобно "черной дыре", как  бы всасывать в себя электромагнитные волны, испускаемые всеми окружающими  телами. Но как эти волны узнают, в каком направлении им надлежит распространяться, да еще строго согласованно друг с другом? Получается так, что  обратить термодинамическое время  вспять вообще невозможно!

Законы механики Ньютона  строго инвариантны, неизменны относительно изменения знака времени: замена +t на -t ничего в них не меняет. Поэтому  и говорят, что механика обратима, - если мы абсолютно точно зададим  начальные координаты и импульсы частиц, то можем узнать сколь угодно далекое прошлое и сколь угодно далекое будущее системы. Не беда, что мы не способны сделать это  практически (ни один компьютер не справится  с такой задачей), главное, что  мы можем это сделать теоретически. В мире И.Ньютона все события  раз и навсегда предопределены, это  мир строгого детерминизма, в котором  нет места случайностям.

А вот согласно второму  началу термодинамики, в изолированной  системе все процессы протекают  только в одном направлении - в  сторону повышения энтропии, возрастания хаоса, что сопровождается рассеянием, обесцениванием энергии. Так всегда и происходит на практике: сама собой лучистая энергия пламени свечи может только безвозвратно рассеиваться в пространстве. Однако можно ли этот принцип обосновать теоретически?

Обосновать какое-либо явление  теоретически - значит вывести его  из возможно более общих законов  природы, принятых за основу научной  картины мира. Такими законами по праву  считаются законы механики Ньютона, и поэтому проблема формулируется  следующим образом: как можно  вывести необратимость термодинамики  из обратимости механики?

Впервые эту проблему пытался  решить во второй половине прошлого века Л.Больцман. Он обратил внимание на то, что термодинамическая необратимость  имеет смысл только для большого числа частиц: если частиц мало, то система  оказывается фактически обратимой. Для того чтобы согласовать микроскопическую обратимость с макроскопической необратимостью, Больцман использовал  вероятностное описание системы  частиц (это так называемая Н-теорема) и получил желаемый результат. Однако вскоре было показано, что уже само по себе вероятностное описание в  неявном виде содержит представление  о существовании "стрелы времени", и поэтому доказательство Больцмана  нельзя считать корректным решением проблемы.

И вообще существование "стрелы времени" может быть только самостоятельным  постулатом, потому что означает нарушение  симметрии решений уравнений  движения. Но какая физическая реальность соответствует такому постулату? Получается так, что либо из обратимой механики можно вывести только обратимую  термодинамику (допускающую возможность "вечного двигателя" второго  рода), либо необратимую термодинамику  можно вывести только из необратимой  механики (допускающей возможность "вечного двигателя" первого  рода).

Интересно, что обе эти  возможности действительно были испробованы. Сам Больцман пришел к  выводу, что вся бесконечная Вселенная  в целом обратима, а наш мир  представляет собой по космическим  меркам микроскопическую флуктуацию. А в середине нашего века пулковский астроном Н.А.Козырев попытался создать  необратимую механику, в которой "стрела времени" имеет характер физической реальности и служит источником энергии звезд. Но точка зрения Больцмана допускает возможность нарушения причинности в отдельных достаточно обширных областях Вселенной, а точка зрения Козырева вводит в описание природы некую особую физическую сущность, подобную "жизненной силе".

Классическая термодинамика, которую Больцман пытался обосновать с помощью классической же механики, описывает только поведение строго изолированных систем, близких к  состоянию термодинамического равновесия, отклоняющихся от него лишь в пределах чисто статистических флуктуаций. В  таких системах могут происходить  только процессы деструктивного характера, сопровождающиеся неуклонным возрастанием энтропии. Однако повсеместно в природе  наблюдаются и процессы самоорганизации  вещества, самопроизвольного возникновения  из хаоса неравновесных, так называемых диссипативных структур. Наиболее яркими примерами подобных процессов могут  служить явления самозарождения жизни и биологической эволюции.

Означает ли это, что в  некоторых случаях второе начало термодинамики может нарушаться? Острая дискуссия на эту тему длилась  многие годы и, в конце концов, завершилась  победой сторонников строгого соблюдения фундаментальных законов природы. Но при этом был сделан ряд существенных уточнений, касающихся не самих законов, а границ их применимости к реальным системам. Так сказать, не самой структуры  научного языка, а смысла используемых в нем слов. Например, ревизии  пришлось подвергнуть смысл понятия "хаос".

Хаос, царящий в равновесных  системах, носит сугубо статистический характер, и мы говорим лишь о  вероятности отклонения системы  от состояния равновесия. Реакция  такой системы на то или иное возмущающее  воздействие линейна - она прямо  пропорциональна возмущающей силе и стремится вернуть систему  в прежнее состояние. Так, если по гладкой трубе с небольшой  скоростью течет жидкость, то в  ней случайно возникают малые  завихрения, но эти завихрения сами собой гасятся, и в целом поток  остается упорядоченным, ламинарным.