При обсуждении 2-го закона термодинамики выяснилось, что при определённых предположениях о свойствах молекул – носителей теплового движения – он может быть выведен средствами теории вероятности. Людвигом Больцманом была получена формула для энтропии S, как меры неопределённости системы:
где W - количество микросостояний, энергия которых равна энергии системы,
kB – постоянная Больцмана.
Возник вопрос, как это может получаться из строго детерминированной (подчиняющейся однозначным законам) классической механики?
Обычно приводится рассуждение: если обратить все движения в противоположную сторону (перевернув также и магнитные поля), то статистическая система будет повторять свои предшествующие состояния в обратном порядке. Таким образом, классическая механика как будто допускает системы, в которых вместо выравнивания температуры будет наблюдаться увеличение температурной неравномерности.
Все здесь замечательно за исключением того, что осуществить это невозможно: классической механикой обращение скоростей категорически запрещено — вспомните: “любое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не подействует какая-либо сила”.
Второй закон Ньютона:
тоже не предусматривает, что можно как попало менять знак ускорения a.
В формуле (2) обозначено:
F – равнодействующая сила,
m – масса тела.
Кроме того, реальные системы всегда имеют хаотические внешние условия; простыми расчётами и компьютерными экспериментами легко показать, что в этом случае никакого увеличения температурной неравномерности не происходит, если даже искусственно перевернуть все скорости частиц; в ходе этих расчётов и экспериментов выясняется, кстати, что любые погрешности расчётов постепенно уводят систему от строгого повторения предшествующих состояний и опять-таки направляют по пути, предсказываемому 2-м законом термодинамики.
Изучение квантовомеханических явлений инициирует новые взгляды на проблемы обратимости (которые, вообще-то, должны были бы возникнуть и без квантовой механики).
Строго говоря, полная обратимость какого-либо явления должна означать, что от этого явления не остаётся никакого следа — ни в человеческой памяти, ни в записях приборов, ни в других телах, т.к. все эти следы суть необратимые изменения соответствующих носителей памяти. Если в Вашем сердце загорится Солнце, а через некоторое время все вернётся к исходному положению, то Вы этой вспышки даже не заметите!
Представления о существовании обратимых движений могут оказаться в определённом смысле полезными, хотя, на первый взгляд, мало к чему обязывающими.
Под видимой оболочкой необратимых проявлений может находиться целый океан полностью и частично обратимых процессов. Тот спектр необратимых явлений, который мы видим, можно представить как результат действия определённых комбинаций упомянутых процессов. Наиболее грубо и явственно необратимость фиксируется изменением состояния атома, что может иметь своим продолжением химическую реакцию, поворот магнитного момента и т.п.
Можно, однако, представить, что имеются более тонкие изменения, улавливающие волны фаз задолго до появления 9-го вала. Этим могут объясняться экстрасенсорные способности отдельных людей. В следующей теме мы коротко остановимся на этих вопросах.
Скорость распространения обратимых взаимодействий не обязана быть ограниченной скоростью света, т.к. все измерения этой величины относились к необратимым его воздействиям. При этом острота корпускулярно-волновой проблемы квантовой механики просто перестаёт существовать.
Перестаёт существовать и ещё один казус.
При рассмотрении вопроса о размерах элементарных частиц с позиций теории относительности возникает серия непреодолимых трудностей. Требование теории, чтобы абсолютно все процессы подчинялись одним и тем же преобразованиям (абсолютность относительности), делает неминуемым вывод об ограниченности скорости любых движений и взаимодействий скоростью света. Системы с ограниченной скоростью передачи взаимодействий не допускают существования абсолютно твёрдых тел, и это вряд ли вызывает возражения. Проблема состоит в том, что ограничение скорости любых взаимодействий конкретной величиной (скоростью света) исключает возможность частице при взаимодействии со светом поддерживать какую бы то ни было внутреннюю структуру, что находится в вопиющем противоречии с опытом. Наиболее дотошных читателей мы отсылаем к фундаментальному учебнику по теоретической физике Л. Д. Ландау и Е. М. Лившица, т. II, “Теория поля”.
Изложенная выше последовательность рассуждений привела к тому, что релятивистская теория в её исходной форме должна была считать элементарные частицы сосредоточенными в жёстко-нулевом объёме. По-видимому, нет никакого смысла рассматривать многочисленные доводы против этой идеи; если мы спросим математика (безотносительно нашего случая), допустимо ли деление на нуль, в ответе можно не сомневаться. Главное, что эта теория не оставляет ни малейшей лазейки или надежды на какой-нибудь компромисс — мол, это только первое приближение, а вот если поточнее посчитать, то все будет о‘кей. Принцип относительности или есть, или его нет.
Среда, которая передаёт обратимые взаимодействия (назовите её физическим вакуумом или эфиром — как угодно) может обладать любой плотностью и передавать сколь угодно тонкие и быстрые сигналы, которые, впрочем, при полностью обратимых взаимодействиях не могут иметь последствий (что касается частично обратимых процессов, то тут заранее сказать ничего нельзя).
Одним из основных, а может быть даже единственным аргументом против теории Лоренца в конце XIX века была слишком высокая, согласно теории упругости, жёсткость “эфира” – гипотетической среды распространения света, которая соответствовала бы наблюдаемой его скорости. Представления XIX века об “эфире” молчаливо подразумевали отсутствие в нем непотенциальных взаимодействий, которые могут передаваться с большой скоростью и в разреженной среде. Заметим, что современная физика не идентифицирует массу с количеством материи. В модели с обратимыми процессами массу, как и скорость света, можно считать некоторыми мерами необратимости.
Характер результатов квантовой механики становится в один ряд с характером результатов других наук: их детерминированность или вероятностность зависит от возможности точного описания влияющих факторов.
Естественно, что волновое поведение частиц требует для своего объяснения существования особых взаимодействий в структурах этих частиц. Назовём эти взаимодействия субквантовыми. Очевидно, что субквантовые взаимодействия как раз и формируют то, что мы называем квантовомеханическим поведением частиц. Для выполнения этой своей роли их скорость не может быть ограничена скоростью света, уже даже исходя из того, что они формируют как внутренние движения в фотоне, так и сам фотон. Повторим ещё раз, что все измерения скорости света относились к грубым необратимым его воздействиям: фиксации глазом человека, засвечиванию фотоплёнки и т.п.
Субквантовые взаимодействия не ограничиваются областью внутри частиц, а и выходят далеко за их пределы, о чём свидетельствует необычность взаимодействий элементарных частиц друг с другом. Кроме грубых – квантовых – фиксаций, субквантовые взаимодействия могут воздействовать на более тонкие датчики, реагирующие на состояния поляризации, поляризационный шум, дисперсионные характеристики других шумов, волны фаз как предваряющих мощные события, так и следующих за ними.
Ясно, что те же выводы мы получили бы, если бы с самого начала не расширяли известные факты ограниченности скорости определённых взаимодействий на другие, даже ещё неизвестные взаимодействия.
Заметим, что в изложенной концепции становится очевидным абсолютно необратимый характер классической механики.
Если мы вернёмся к вопросу о пространственной протяжённости элементарных частиц, то заметим, что у нас теперь нет никакой необходимости считать эти частицы имеющими нулевой размер; более того, учитывая создаваемые телами поля, если не делать заранее никаких необоснованных предположений, мы должны вначале положить, что любое тело занимает весь бесконечный объем, взаимопроникая в другие тела и взаимодействуя с ними. Разумеется, ничто не мешает сузить это априорное (предварительное) предположение при решении различных конкретных задач. При этом выясняется, что понятие материального тела, считавшееся в классической механике само собой разумеющимся, представляет на самом деле продукт нашего анализа окружающего мира.
В свете изложенного, вопрос о том, “прыгают” ли частицы по пространству, или волновые свойства присущи их внутренней структуре, допускает теперь некоторое третье представление: в едином бушующем мире, где частицы рождаются, взаимопроникают, взаимопревращаются и взаимодействуют друг с другом, где само понятие частицы определённого сорта часто зависит от неких джентльменских соглашений, неделимо-атомистические представления сами по себе теряют смысл; по-другому видится также и понятие “внутренняя структура”.
Из всего сказанного следует, что, если даже полная обратимость в чем-то и существует, то она никак не решает проблем 2-го закона термодинамики.
А проблемы эти заключаются не столько в страхе перед “тепловым” концом света, сколько в логической несообразности такого хода событий. Если должен быть конец света, то должно быть и начало. Сразу возникает вопрос: а что было до этого начала? Что, 2-й закон действовал наоборот? А какова механика этого обратного действия? И почему все изменилось? Говоря научным языком, абсолютизация 2-го закона термодинамики приводит к абсурдному выводу об отрицании принципа однородности времени (частным следствием которого является закон сохранения энергии-массы), равноценного принципу причинности и, в конечном счёте, идее единства мира.
Если мы будем отрицать существование механизма образования температурных неравномерностей (или, как ещё говорят, термодинамических неравновесностей) в известных нам условиях, то, в конце концов, всё равно вынуждены будем признать существование такого механизма при других условиях, которые нормальная, недогматическая наука просто обязана найти. Ясно, что неполнота и ущербность наших теорий могут, кроме всего прочего, скрывать от нас и чисто практические возможности.
Бытующее предположение, что 2-й закон не абсолютен из-за бесконечности Вселенной, не соответствует ни масштабам, ни расположению реальной неравновесности окружающего мира: она выглядит пришедшей из прошлого, а не из бесконечности; кроме того, его авторы весьма невнятно объясняют конкретный механизм действия своей модели.
По тем же причинам несостоятелен тезис о том, что 2-й закон неприменим для открытых систем: если в открытую систему не вносить термодинамических неравновесностей, то этот закон будет действовать ещё неумолимей, чем в изолированных системах, причём это положение справедливо для сколь угодно больших объёмов. Введение условия изолированности в классические формулировки 2-го закона по мысли первооткрывателей закона должно было придать этим формулировкам большую строгость, а вовсе не для того, чтобы оставить дальнейшим интерпретаторам лазейки для туманных заморочек. На самом деле изолированных систем в природе просто не существует: самый совершенный теплоизолятор беспрерывно вносит в статистическую систему хаос от столкновений с огромным количеством молекул стенки, в то время как для нарушения необходимых условий справедливости механической теоремы Пуанкаре достаточно и одной хаотической молекулы.
Упомянутая теорема Пуанкаре заключается в том, что замкнутая механическая система через какое-то время вернётся к первоначальному состоянию.
Здесь мы должны чётко осознать, что, очевидно, не может быть и речи о простой отмене 2-го закона, как, скажем, закона о каком-нибудь налоге. Речь может идти лишь о расширении его такой системой представлений, которая не имела бы изложенных выше внутренних противоречий, наподобие расширения классической механики квантовыми представлениями.
О том, как в природе возникают термодинамические неравновесности, Вы можете посмотреть в статье «Непотенциальные взаимодействия».