Стрела времени» и проблема необратимости в естествознании

Статистические закономерности в приРОДЕ

Стрела времени» и проблема необратимости в естествознании

Одной из основных проблем в классической физике долгое время оставалась проблема необратимости реальных процессов в природе. Если снять кинофильм о хаотическом движении одной частицы в некотором замкнутом объеме и показать этот фильм, прокручивая пленку в обратном направлении, то ничего неправдоподобного в поведении частицы не обнаружится. Более того, просто невозможно будет даже определить, в какую сторону прокручивалась пленка. В этом случае говорят, что движение частицы обратимо. Практически ничего не изменится и в случаях, когда просматривается фильм о хаотическом движении двух, трех и вообще любого небольшого числа независимых частиц (рис. 6.1,а).

Однако когда частиц становится достаточно много, в их совместном поведении проявляется новая закономерность. Если, например, в начале фильма все частицы находились в каком-то определенном месте объема, то в дальнейшем они распределяются по объему более или менее равномерно (рис. 6.1,б), и если при демонстрации фильма обнаруживается, что частицы самопроизвольно скапливаются в каком-то месте, можно быть уверенным, что пленка прокручивалась в обратном направлении. Такое поведение, когда состояния системы могут появляться только в определенной последовательности, называется необратимым.

Почти все реальные процессы в природы являются необратимыми: это и затухание маятника, и эволюция звезды, и человеческая жизнь. Необратимость процессов в природе как бы задает направление на оси времени от прошлого к будущему. Это свойство времени английский физик и астроном А. Эддингтон образно назвал «стрелой времени».

Почему же, несмотря на обратимость поведения одной молекулы, ансамбль из большого числа таких молекул ведет себя существенно необратимо? В чем природа необратимости? Как обосновать необратимость реальных процессов, опираясь на законы механики Ньютона? Эти и другие аналогичные вопросы волновали умы самых великих ученых XVIII - XIX веков.

Первоначально с проблемой необратимости столкнулись в области термодинамики, которая занимается тепловыми явлениями в природе. Следует отметить, что вплоть до начала XVIII века считалось, что эти явления обусловлены наличием в телах определенной «жидкости» - теплорода. Этой концепции придерживались многие выдающиеся ученые. Гипотеза теплорода, хорошо объясняла процессы нагревания тел,

Рис. 6.1. Обратимое поведение небольшого числа точек (а) и необратимый переход к равновесному распределению большой совокупности точек (б)

их теплового расширения, теплообмен, и многие другие явления, она не помешала великому С. Карно заложить основы термодинамики и создать теорию тепловых машин. Именно Карно первым обратил внимание на необратимость тепловых процессов, которая, в частности, проявляется в том, что тепло не может самопроизвольно перетекать от холодного тела к горячему.

После отказа от гипотезы теплорода и перехода к молекулярно-кинетической модели тепловых явлений возникла надежда свести теплоту к механике, что на заре классического естествознания являлось конечной целью любой теории. Формально для этого надо было записать уравнения движения (ma = F) и задать начальные состояния каждой молекулы нагретого тела (например, газа). Однако ни решить такую чудовищно большую систему уравнений1, ни, самое главное, проанализировать полученное решение, если бы даже это и удалось, оказалось невозможным. А значит и природа необратимого поведения при механическом подходе к этой проблеме не раскрывается.

Увеличение энтропии при переходе из

Статистические закономерности в приРОДЕ

Стрела времени» и проблема необратимости в естествознании

Одной из основных проблем в классической физике долгое время оставалась проблема необратимости реальных процессов в природе. Если снять кинофильм о хаотическом движении одной частицы в некотором замкнутом объеме и показать этот фильм, прокручивая пленку в обратном направлении, то ничего неправдоподобного в поведении частицы не обнаружится. Более того, просто невозможно будет даже определить, в какую сторону прокручивалась пленка. В этом случае говорят, что движение частицы обратимо. Практически ничего не изменится и в случаях, когда просматривается фильм о хаотическом движении двух, трех и вообще любого небольшого числа независимых частиц (рис. 6.1,а).

Однако когда частиц становится достаточно много, в их совместном поведении проявляется новая закономерность. Если, например, в начале фильма все частицы находились в каком-то определенном месте объема, то в дальнейшем они распределяются по объему более или менее равномерно (рис. 6.1,б), и если при демонстрации фильма обнаруживается, что частицы самопроизвольно скапливаются в каком-то месте, можно быть уверенным, что пленка прокручивалась в обратном направлении. Такое поведение, когда состояния системы могут появляться только в определенной последовательности, называется необратимым.

Почти все реальные процессы в природы являются необратимыми: это и затухание маятника, и эволюция звезды, и человеческая жизнь. Необратимость процессов в природе как бы задает направление на оси времени от прошлого к будущему. Это свойство времени английский физик и астроном А. Эддингтон образно назвал «стрелой времени».

Почему же, несмотря на обратимость поведения одной молекулы, ансамбль из большого числа таких молекул ведет себя существенно необратимо? В чем природа необратимости? Как обосновать необратимость реальных процессов, опираясь на законы механики Ньютона? Эти и другие аналогичные вопросы волновали умы самых великих ученых XVIII - XIX веков.

Первоначально с проблемой необратимости столкнулись в области термодинамики, которая занимается тепловыми явлениями в природе. Следует отметить, что вплоть до начала XVIII века считалось, что эти явления обусловлены наличием в телах определенной «жидкости» - теплорода. Этой концепции придерживались многие выдающиеся ученые. Гипотеза теплорода, хорошо объясняла процессы нагревания тел,

Рис. 6.1. Обратимое поведение небольшого числа точек (а) и необратимый переход к равновесному распределению большой совокупности точек (б)

их теплового расширения, теплообмен, и многие другие явления, она не помешала великому С. Карно заложить основы термодинамики и создать теорию тепловых машин. Именно Карно первым обратил внимание на необратимость тепловых процессов, которая, в частности, проявляется в том, что тепло не может самопроизвольно перетекать от холодного тела к горячему.

После отказа от гипотезы теплорода и перехода к молекулярно-кинетической модели тепловых явлений возникла надежда свести теплоту к механике, что на заре классического естествознания являлось конечной целью любой теории. Формально для этого надо было записать уравнения движения (ma = F) и задать начальные состояния каждой молекулы нагретого тела (например, газа). Однако ни решить такую чудовищно большую систему уравнений1, ни, самое главное, проанализировать полученное решение, если бы даже это и удалось, оказалось невозможным. А значит и природа необратимого поведения при механическом подходе к этой проблеме не раскрывается.