Категории "микро" и "макро"

Законы механики Ньютона строго инвариантны, неизменны по изменению 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 какое угодно далекое прошлое и ни о каком далеком будущем 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 Ньютона все события раз и навсегда определены, это мир строгого детерминизма, в котором нет места случайностям. А вот согласно второму принципу термодинамики в изолированной системе все процессы протекают только в одном направлении - в сторону повышения энтропии, роста хаоса, сопровождается рассеиванием, обесцениванием энергии. Так всегда и происходит на практике: сама собой лучистая энергия пламени свечи может только безвозвратно рассеиваться в пространстве. Однако можно этот принцип обосновать теоретически?

Обосновать какое-либо явление теоретически - значит вывести его из как можно 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 с оборачиваемости механики?

Впервые эту проблему пытался решить во второй половин: прошлого века Л.Больцман. Он обратил внимание на то, что термодинамическая необратимость имеет смысл только для большого количества частиц: если частиц мало, то система оказывается фактически оборотной. Для того чтобы согласовать микроскопическую оборачиваемость: макроскопической необратимостью, Больцман использовал вероятностное описание системы частиц (это так называемая Н-теорема) и получил желаемый результат.

Однако вскоре было показано, что уже сам по себе вероятностное описание в неявном виде содержит представление о существовании "стрелы времени", и тому 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 физическое реальность соответствует такому постулату? Получается так, что с оборотной механики можно вывести только оборотную термодинамику (допускающую возможность "вечного двигателя" второго рода), или необратимую термодинамику можно вывести только с необратимой механики (которая допускает возможность "вечного двигателя" первого рода).

Интересно, что обе эти возможности действительно были опробованы. Сам Больцман пришел к выводу, что весь бесконечный Вселенная в целом оборотный, а наш мир представляет собой по космическим меркам микроскопическую флуктуацию. А в середине XX в. 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 больших участках Вселенной, а точка зрения Козырева вводит в описание природы некоторую особую физическую сущность, подобную "жизненной силе".

"Порядок из хаоса"

Так называется известная книга Нобелевского лауреата И. Р. Пригожина, написанная им в соавторстве с историком науки И.Стенгерс. Это название буквально двумя словами характеризует суть исследований, начатых этим замечательным ученым в пятидесятые годы XX в. и завершенных созданием особой, неравновесной термодинамики.

Классическая термодинамика, которую Больцман пытался объяснить с помощью классической же механики, описывает только поведение строго изолированных систем, близких к состоянию термодинамического равновесия, отклоняющихся от него только в пределах чисто статистических флуктуаций. В таких системах могут происходить только процессы деструктивного характера, сопровождающиеся неуклонным ростом энтропии.

Однако повсеместно в природе наблюдаются и процессы самоорганизации вещества, спонтанного 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 второй принцип термодинамики может нарушаться?

Острая дискуссия на эту тему продолжалась много лет и, наконец, 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. То есть не самой структуры научного языка, а смысла используемых в ней слов.

Например, ревизии пришлось подвергнуть содержание понятия "хаос". Хаос, царящий в равновесных системах, носит сугубо статистический характер, и мы говорим только о вероятности отклонения системы от состояния равновесия. Реакция такой системы на тот или иной возмущающих влияние линейная - она прямо пропорциональна возмущающих 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. Но если система очень неравновесная, то есть имеет значительный избыток свободной энергии, то в ней может возникать хаос особого рода, который называется динамическим; реакция такой системы на возмущающих воздействия нелинейная и может быть сколь угодно большой при сколь угодно малом первичном возмущении. Так, если скорость движения жидкости по трубе превышает некоторую критическую величину, то наименьшая неоднородность потока немедленно приведет к катастрофическому преобразования ламинарного потока в неупорядоченный, турбулентный.

Однако динамический хаос хорош тем, что за внешне абсолютно непредсказуемым поведением системы кроется строгий детерминизм - все процессы, происходящие в ней, можно математически рассчитать с любой необходимой точностью. Еще одна особенность такого хаоса заключается в том, что он может служить источником самозарождения строго упорядоченных структур. Например, в турбулентном потоке могут возникать устойчивые вихри - подобные вихри (так называемую "дорожку Кармана») можно наблюдать за лодкой, быстро плывет.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >