Куда течет река времени - Новиков Игорь Дмитриевич

Загадка была решена еще в прошлом веке.

В 1850 году немецкий физик Р. Клаузиус и в 1851 году независимо от него английский физик У. Томсон открыли закон, известный как второе начало термодинамики. Этот закон, по существу, обобщал только что описанные нами опыты и мог формулироваться как вывод, что тепло всегда переходит от горячего тела к холодному (об опыте с чернилами мы скажем чуть позже). В формулировке У. Томсона этот закон звучит следующим образом: «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, совершенная за счет охлаждения теплового резервуара». Отсюда следовало, что невозможно полное превращение тепла в механическую энергию или же в другие виды энергии. Это означает, что если изолировать какую-либо систему, то в конце концов в этой системе все виды энергии перейдут в тепло, а тепло равномерно распределится по всей системе, и наступит, как говорят, термодинамическое равновесие.

На практике мы прекрасно знаем проявление этого закона. Трение, например, в механических системах сопровождается переходом механической энергии в тепло. В тепловых машинах мы можем, правда, наоборот, переводить тепловую энергию в механическую работу, но для этого обязательно надо поддерживать разницу в температуре нагревателя и холодильника машины, иначе она работать не будет. На это надо затрачивать энергию, и часть ее при этом также переходит в тепло. Его возникает в таком процессе больше, чем обратного превращения тепла в механическую работу в тепловой машине. Так происходит непрерывное накапливание тепла, в которое переходят все виды энергии. Позже Р, Клаузиус дал математическое выражение второго начала термодинамики.

Термодинамические идеи Р. Клаузиуса и У. Томсона были развиты австрийским физиком Л. Больцманом. Он показал, в чем заключается смысл второго начала термодинамики. Тепло является, по существу, хаотическим движением атомов или молекул, составляющих материальные тела. Поэтому переход энергии механического движения отдельных частей системы в тепло означает переход организованного движения крупных частей системы в хаотическое движение мельчайших частиц, то есть означает, что увеличение беспорядка неизбежно в силу случайности движения частиц, если только на систему не влиять извне, не способствовать сохранению порядка.

Л. Больцман показал, что мерой беспорядка в системе является величина, введенная еще Р. Клаузиусом, — энтропия. Чем больше хаос, тем больше энтропия. Переход отдельных видов движения материи в тепло означает рост энтропии. Когда все виды энергии перешли в тепло, а тепло равномерно распределилось по системе, то это состояние максимального хаоса уже не меняется с течением времени и соответствует максимуму энтропии.

Так вот в чем дело! В сложной системе из многих частиц или других элементов в силу случайности многих взаимодействий неизбежно нарастает беспорядок, как иногда говорят — нарастает «хаос». Энтропия и есть численное выражение меры беспорядка. Конечно, рост беспорядка происходит в том случае, если не принимаются специальные меры по поддержанию порядка. Но тогда за системой надо следить, надо вмешиваться в процесс извне. Поэтому, разбирая примеры, мы специально оговаривали отсутствие таких внешних воздействий.

В случае с горячим бруском и холодной водой гораздо более вероятно, что молекулы горячего бруска, обладая большей энергией, будут отдавать ее при взаимодействии с менее энергичными молекулами воды. Когда температура выравнивается во всем объеме, это, очевидно, соответствует большему беспорядку, чем упорядоченное сосредоточение энергичных «горячих» молекул в одном месте и менее энергичных «холодных» в другом. Именно поэтому процессы, текущие в природе, всегда выравнивают температуру. Как уже отмечено, это соответствует переходу в состояние наибольшего беспорядка.

То же надо сказать и об опыте с чернилами. При случайных взаимодействиях гораздо вероятнее, что молекулы чернил рассеются по всему сосуду, чем то, что они направленно станут собираться в каплю. Равномерное распределение чернил по сосуду с водой отвечает наибольшему беспорядку.

Таким образом, вероятностные законы статистики при случайных взаимодействиях определяют направление необратимых процессов.

Если процесс начинается с какого-то хотя бы частично упорядоченного состояния, то сам по себе, без внешних воздействий он развивается в сторону беспорядка.

Если мы хотим навести порядок в системе, то должны на нее извне воздействовать. Например, мы можем заставить течь тепло от холодного тела к горячему. Так работают домашние холодильники. В них тепло из холодильной камеры с пониженной температурой «перекачивается» во внешнюю атмосферу, температура которой выше, чем температура камеры. Но для этого должен работать мотор холодильника, должна затрачиваться энергия.

Очень важно, что, создавая более упорядоченное состояние в какой-либо системе, влияя при этом на нее извне из еще большей системы, мы совершенно обязательно вносим дополнительный беспорядок в эту большую систему. Так при «перекачке» тепла из холодильника в атмосферу работающий мотор выделяет дополнительное тепло и еще больше нагревает атмосферу, увеличивая «хаос» движения молекул в ней. Законы термодинамики гласят, что «хаос», внесенный в большую систему, обязательно превышает «порядок», устанавливаемый в меньшей системе. Так что в целом в мире «хаос», энтропия должны только нарастать, несмотря на то, что в отдельных его частях может устанавливаться порядок.

У. Томсон и Р. Клаузиус поняли, какое важнейшее значение имеет открытый ими закон термодинамики для эволюции всей Вселенной. Действительно, для всего мира обмен энергией с какими-то «другими системами» невозможен, то есть Вселенная должна рассматриваться как изолированная система. Значит, во Вселенной все виды энергии должны перейти в конце концов в тепло, а тепло должно равномерно распределиться по веществу, после чего все макроскопические движения прекратятся. Хотя закон сохранения энергии при этом не нарушается, энергия никуда не исчезает и остается в виде теплоты, но она оказывается «бессильной», лишенной возможности превращения, возможности совершать работу движения. Такое мрачное состояние получило название «тепловой смерти» Вселенной. Читатель, наверное, согласится, что такое название очень точно характеризует саму суть состояния.

Мы теперь знаем, что буквально в том виде, как это делали У. Томсон и Р. Клаузиус, выводы о тепловой смерти ко Вселенной неприменимы. Дело в том, что Вселенная нестационарна, она взорвалась в прошлом, и, кроме того, в процессах, происходящих в космосе, существенно тяготение. Все это не могло быть тогда учтено основоположниками термодинамики. Как конкретно развивается Вселенная, мы уже рассказали. Сейчас происходят бурные процессы рождения и эволюции миров. Однако надо подчеркнуть, что вывод о постоянном росте энтропии во Вселенной правилен.

Итак, во Вселенной идет необратимый процесс роста энтропии. Не он ли определяет направление бега времени? Безусловно, как общая тенденция для всей Вселенной рассмотрение необратимых процессов должно иметь отношение к бегу реки времени. Но давайте вспомним, что «бег времени» проявляется в любых процессах, даже самых элементарных. И во всех таких процессах, происходящих далеко друг от друга, он протекает, насколько мы знаем, согласованно в одну сторону. Откуда такое согласование? Сказывается ли на них как-то общий рост энтропии всей Вселенной? Может быть, и сказывается, но каким образом — мы об этом пока ничего не знаем.

Когда задумываешься над тем, какое глобальное явление природы может определить направленный бег времени, то невольно приходит мысль о расширении Вселенной.

Может быть, направление времени совпадает с направлением процесса увеличения расстояний между галактиками в ходе расширения Вселенной? Такую идею высказал английский ученый Ф. Хойл.

Для обозначения направления течения времени А. Эддингтон придумал даже специальное название — «стрела времени». По мнению А. Эддингтона, Ф. Хойла и некоторых других «стрела времени» существует, потому что Вселенная расширяется. Если в будущем расширение сменится сжатием, то, по мнению этих ученых, изменится и направление «стрелы времени».