Случайность и хаос - Рюэль Д.
Скачать (прямая ссылка):
возможность, то на нее нужно навести фокус, проверить, иногда оставить,
но в большинстве случаев отвергнуть. Должны развиваться дерзкие идеи
общего плана, но затем должны проверяться детали, в процессе чего часто
вскрываются катастрофические ошибки. Тогда конструкцию приходится
перестраивать или отбрасывать большие ее части. И этот процесс
продолжается день за днем, неделя за неделей, месяц за месяцем. Конечно
же, далеко не каждый, кто выдает себя за ученого, трудится столь
напряженно. Многие прекратили работать давным-давно, а некоторые даже и
не начинали. Но для тех, кто является действующим игроком, а не просто
попусту теряет время и только прикидывается, что работает, эта игра
сложна, болезненна, она требует напряжения и выматывает человека. И если
плод этого труда, результат этого напряжения, получается с надменностью и
пренебрежением, то может произойти трагедия. Представьте себе человека,
который открыл смысл фундаментального аспекта Природы. Из года в год он
занимался своим исследованием, несмотря на все нападки и непонимание
своих современников. Потом он состарился, заболел, и у него началась
депрессия. Именно это произошло с австрийским физиком Людвигом
Больцманом. 5 сентября 1906 года он покончил жизнь самоубийством; ему
было шестьдесят два года.
102
Глава 17
Больцман и американец Дж. Уиллард Гиббс создали новую науку, которую
назвали статистической механикой. Сделанный ими вклад не менее важен для
физики двадцатого века, нежели открытие относительности или квантовой
механики, но он имеет иную природу. Тогда как относительность и квантовая
механика разрушили существующие теории и заменили их чем-то другим,
статистическая механика совершила тихий переворот. Она была основана на
существующих физических моделях, но установила новые связи и привнесла
новые концепции. Концептуальная структура, разработанная Больцманом и
Гиббсом, доказала свою экстраординарную мощь и теперь применяется к
разного рода ситуациям, которые выходят далеко за пределы физических
проблем, для решения которых она была изначально предназначена.
Отправной точкой для Больцмана стала атомическая гипотеза: понятие, что
материя состоит из огромного количества маленьких движущихся шариков. В
конце девятнадцатого века, когда Больцман переживал пик своей
деятельности, атомная структура материи все еще не была доказана, да и
принята она была далеко не всеми. Частично нападки, которым подвергался
Больцман, были мотивированы его верой в атомы. Причем он не просто верил
в их существование, но продолжал извлекать поразительные следствия из
принятой атомной структуры материи.
Во времена Больцмана была известна только классическая механика, но, тем
не менее, некоторые его идеи удобно представить на языке квантовой
механики. Все-таки классическая и квантовая механика тесно связаны между
собой. И та, и другая пытаются описать одну и ту же физическую
реальность, и, например, число состояний в квантовой механике
соответствует объему фазового пространства в механике классической.
Поэтому основное внимание я буду уделять идеям, не особенно беспокоясь об
анахронизмах деталей.
Промышленная революция девятнадцатого века вызвала значительный интерес к
паровому двигателю и преобразованию тепла в механическую работу. Было
известно, что можно легко преобразовать механическую энергию в тепло
(например, потерев друг о друга два камня), но не наоборот. Тепло - это
форма энергии, но использовать его можно только в соответствии с
достаточно строгими правилами: некоторые процессы происходят легко,
другие же - совсем не так. Например, достаточно легко смешать литр
холодной воды с литром горячей, чтобы получить два литра теплой воды. Но
попробуйте разделить эти два литра и получить литр
Энтропия
103
горячей воды и литр холодной! У вас ничего не получится; смешивание
холодной и горячей воды - процесс необратимый.
Первый шаг к пониманию необратимости был сделан при определении энтропии
(забудьте на минуту, что мы уже использовали это слово в прошлой главе).
Литр холодной воды обладает определенной энтропией, а литр горячей воды -
другой энтропией. Эти энтропии можно вычислить из экспериментальных
данных, но мы не станем докучать вам тем, как это сделать. Энтропия двух
литров холодной воды равна дважды энтропии одного литра холодной воды, то
же самое касается и горячей.
Если вы помещаете рядом литр холодной воды и литр горячей, то сумма их
энтропий имеет определенное значение. Но если вы их смешаете, то энтропия
двух литров полученной теплой воды будет иметь большее значение. Смешивая
холодную и горячую воду, вы увеличили энтропию вселенной - и это
необратимо. Существует правило, известное как второй закон
термодинамики1: в каждом физическом процессе энтропия остается постоянной
или увеличивается, и если она увеличивается, то процесс необратим.
Все это, конечно же, достаточно таинственно и не слишком
удовлетворительно. В чем же смысл энтропии? Почему она всегда
