Порядок и хаос. Стрела времени

Мнение Больцмана означала, что необратимое рост энтропии в изолированной системе, не обменивается энергией с окружающей средой, следует рассматривать как проявление хаоса, постоянно растет, постепенного забывания начальной асимметрии, потому что асимметрия приводит к уменьшению количества способов, которыми может быть осуществлен данный макросостояние, то есть к уменьшению термодинамического вероятности W. Так что любая изолированная система спонтанно эволюционирует в направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопический состояние с максимальной W, которая соответствует состоянию хаоса и максимальной симметрии. При этом энтропия возрастает, что соответствует самочинной эволюции системы. Пренебречь этим законом невозможно, рост энтропии является платой за любой выигрыш в работе, оно свойственно всем физическим явлениям. В состоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимального значения. Иными словами, в равновесном состоянии существует состояние молекулярного хаоса, означает полное забвение системой своего первоначального состояния, несохранение системой информации о своем прошлом.

По словам Эддингтона, рост энтропии, вызывает необратимые процессы, является "стрелой времени". Для изолированной системы будущее всегда находится в направлении роста энтропии. Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого. То есть рост энтропии определяет направление, стрелу времени. Энтропия же возрастает с увеличением беспорядка в системе. Поэтому любая изолированная физическая система обнаруживает со временем тенденцию к переходу от порядка к хаосу. Старая концепция движения, не обращала должного внимания на необратимые процессы, собственно говоря, описывала движение как постоянное повторение одних и тех же преобразований. Сформулировав II начало термодинамики, Клаузиус проводит четкую границу между движением как повторением и движением как необратимым процессом. "Часто приходится слышать, - пишет он, - что все в мире происходит по цикличому кругу ... Когда был сформулирован первый основной принцип механической теплоты, его, пожалуй, можно считать блестящим подтверждением вышеупомянутой мысли ... Но второй основной принцип механической теплоты противоречит этой мысли решительным образом ... Отсюда следует, что состояние Вселенной должен все больше и больше изменяться в определенном направлении ".

Проблема тепловой смерти вселенной. Флуктацийна гипотеза Больцмана

Дальнейшее развитие принципа необратимости, принципа возрастания энтропии заключается в распространении этого принципа на бесконечный Вселенная в целом. Уильям Томсон экстраполировал принцип возрастания энтропии на крупно масштабные процессы, происходящие в природе. Клаузиус распространил этот принцип на всю Вселенную, что привело его к гипотезе о тепловой смерти Вселенной. Все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим. Это означает, что медленно, но верно происходит процесс выравнивания температуры во Вселенной. Итак, будущее вырисовывается перед нами в несколько трагических тонах: исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной. Отсюда Клаузиус делает вывод о том, что: "1 Энергия мира постоянна. 2. энтропии ия мира стремится к максимуму". Экстраполяционный вывод о предстоящей тепловую смерть Вселенной, который означает прекращение любых физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией, в течение всего дальнейшего развития привлекает внимание ученых, так как затрагивает как глубинные проблемы собственно научного характера, так и философско-мировоззренческие, потому что указывает определенную верхнюю границу возможности существования человечества. С научной точки зрения возникают проблемы правомерности таких экстраполяциям, высказанных Клаузиусом:

1. Вселенная является замкнутой системой.

2. Эволюцию мира можно описать как изменение его состояний.

3. Для мира как целого состояние с максимальной энтропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.

Бесспорно, эти проблемы создают трудности и для современной физической теории. их решения следует искать в общей теории относительности и в современной космологии, которая развивается на ее основе. Многие теоретики считают, что в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о неизбежности статистического равновесия.

Проблему будущего развития Вселенной пытался решить Больцман, применив к замкнутой Вселенной понятие флуктуации. Под флуктуацией физической величины понимают отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловлено хаотическим тепловым движением частиц системы. Больцман воспользовался ограничением Максвелла, согласно которому для небольшого количества частиц второе начало термодинамики неприменимо, так как в случае небольшого количества молекул нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом он использует это ограничение для Вселенной, рассматривая видимую часть Вселенной как небольшую часть бесконечной Вселенной. Для такой небольшой части допустимые флуктуационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом решается проблема необратимой эволюции Вселенной в направлении к хаосу. Идея эволюции, результатом которой были бы самоорганизация материи, возникновение огромной палитры различных красок физической реальности неуклонно привлекала Больцмана. Больцман назвал XIX века, века крупнейших открытий в области физики, веком Дарвина, подчеркивая особое значение эволюционной теории Дарвина. Если эволюционная теория Дарвина - это путь от спонтанных флуктуаций видов, после чего наступает отбор и необратимая биологическая эволюция в направлении возникновения и роста сложности, то в физике, согласно второму закону термодинамики, картина обратная: необратимость приводит к забывания начальных условий и разрушения порядка. Со времен Дарвина идея эволюции и самоорганизации касалась только живых организмов. Больцман поставил себе целью не просто описать состояние равновесия, но и создать теорию эволюции системы к состоянию равновесия. При этом он пытался совместить II начало термодинамики с динамикой, вывести "необратимость" по динамике. Флуктуационная гипотеза Больцмана как раз и является развитием этих стремлений.

Формулируя флуктуационную гипотезу, Больцман исходил из предположения, что бесконечная Вселенная уже достиг состояния термодинамического равновесия. Но вследствие статистического характера принципа возрастания энтропии для небольших частей этого бесконечной Вселенной возможны макроскопические отклонения от состояния равновесия - флуктуации. "Речь идет о выборе между двумя представлениями, - пишет Больцман. - Можно предположить, что вся Вселенная в наше время находится в некотором луже невероятном состоянии. Но можно прибегнуть к эонам - промежутков времени, по окончании которых снова наступают невероятные события - такие же кратковременные по сравнению с продолжительностью существования Вселенной, как расстояние от Земли до Сириуса ничтожно мала по сравнению с ее размерами.

Тогда во всей Вселенной (который в противном случае везде находился бы в тепловом равновесии, то есть был бы мертвым) является относительно небольшие ячейки (мы будем называть их отдельными мирами), которые в течение небольших по сравнению с Эоном промежутков времени значительно отклоняются от теплового равновесия, а именно : среди этих миров одинаково часто встречаются состояния, вероятности которых растут и уменьшаются. Таким образом, для Вселенной в целом два направления времени являются неразделимыми, так как в пространстве нет верха и низа. Но точно так же, как мы в некотором определенном месте земной поверхности называем «низом» направление к центру Земли, так и живое существо, которое находится в определенной временной фазе одного из таких отдельных миров, назовет направление времени, стремится к более невероятных состояний, по-другому, противоположное (первое - как направление к "прошлому", в начале, последнее - в "будущего", до конца), и в результате этого названия будет обнаруживать "начало" для этих малых ячеек, выделенных из Вселенной, всегда в некотором невероятном состоянии.

Этот метод кажется мне единственным, с помощью которого можно осмыслить второе начало, тепловую смерть каждого отдельного мира без того, чтобы предполагать одностороннее изменение всей Вселенной от некоторого определенного начального состояния к некоторому итогового конечного состояния ".

К сожалению, мечта Больцмана несбывшейся полной мере; ему не удалось найти ключ к объединению динамики и второго начала термодинамики, а предложенная флуктуационная модель эволюции Вселенной имела всего лишь характер гипотезы и при этом очень большое количество оппонентов.

Скептическое отношение многих ученых к атомистической теории Больцмана (сам он был убежден в том, что учение об атомах, которое он отстаивает, завоюет признание через много десятков лет), трудности с определением роли II начала термодинамики в системе естествознания и, возможно, ряд других причин привели него замечательного ученого к трагическому концу. В 1906 году он покончил жизнь самоубийством.

XX века вносит свои коррективы в проблему самоорганизации сложных систем и формирует новое междисциплинарное направление - синергетику, в рамках которой мы и попытаемся рассмотреть эволюцию Вселенной.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >