Магнетизм высокого напряжения. Максвелл. Электромагнитный синтез

С микроскопической точки зрения энергия газа — просто сумма всех значений энергии молекул, которые его составляют. Но можем ли мы разграничить два типа передачи энергии — работу и тепло? Определенно да. Представим поршень паровой машины, превращающей тепло в работу. При нагревании пар, закрытый в цилиндре, толкает поршень. Мы сказали, что внутренняя энергия газа — это только кинетическая энергия частиц, или, что то же самое, движение частиц. То есть получается передача движения. Но движение частиц газа беспорядочное, все они идут в разных направлениях. Однако когда поршень двигается, его молекулы все перемещаются в одном и том же направлении: это упорядоченное движение. Вот в чем различие между теплом и работой — в типе движения частиц. Передача энергии в виде тепла (нагревание газа) — это всего лишь частицы, движущиеся беспорядочно, каждая сама по себе. Однако когда перемещение происходит в виде работы, все они движутся упорядоченно. Следовательно, тепловая машина, функция которой — превращать тепло в работу, на самом деле трансформирует беспорядочное движение (движение частиц газа) в упорядоченное (движение частиц поршня).

Теперь подумаем: что общего у энтропии с кинетической теорией? За микроскопической интерпретацией энтропии стоит одна печальная история. Ее открыватель, австрийский физик Людвиг Больцман (1844-1906), покончил жизнь самоубийством, не успев получить признание своих коллег.

АТОМНОЕ КАЗИНО

На одном из надгробий на кладбище в Вене выгравировано уравнение:

S = k·logW.

Буква S означает энтропию системы, k — константа, которая сегодня известна как постоянная Больцмана, log — обозначение математической функции под названием логарифм, a W- число соответствующих микросостояний системы. Последствия данного уравнения в нашем мире огромны. Дело в том, что энтропия — это мера беспорядка системы. Это переменная хаоса.

Чтобы понять вышесказанное, мы должны сделать небольшую остановку в специфическом казино, где есть только два игровых стола: один с монетами, другой с картами. За первым столом крупье вручает нам большую монету и просит нас бросить ее в воздух шесть раз подряд. На бумаге мы должны записывать то, что получается: решка, решка, орел, решка, орел, орел. Теперь нам предлагают повторить наши действия: решка, решка, орел, орел, решка, решка. Когда мы сделаем это много раз подряд, то получим, кроме боли в пальце, список всех возможных сочетаний орла и решки. Если исключить все повторяющиеся сочетания, у нас их получится только 64. Главная их особенность в том, что все они равновероятны, то есть если мы сделаем еще одну серию бросков, любое сочетание имеет ту же вероятность выпасть, что и другие. А теперь крупье говорит нам, что его не беспокоит порядок, в котором выходят орлы и решки; он только хочет знать, сколько решек выпало. В этом случае дело проще. Наш список из 64 вариантов можно упорядочить в зависимости от числа решек. Есть только 1 вариант со всеми решками, 6 — где выходят пять решек, 15 — где их четыре, 20 — три, 15 — две, 6 — одна, и, наконец, 1 — где нет ни одной решки, то есть только орлы. Такой способ сбора информации подсказывает нам вывод, на который мы сначала не обратили внимания: если есть 20 различных вариантов, при которых могут выпасть три решки, и только один, где выпадает шесть решек, то если мы сделаем шесть бросков еще раз, более вероятно, что выпадут три решки, чем что выпадут все.

Теперь перейдем к столу с картами. Там нас ждет фокусник. Он профессионально тасует колоду и, в конце концов, кладет ее рубашкой вверх на стол. В ожидании магического трюка мы предполагаем, что они окажутся упорядоченными каким-то удивительным образом: сначала пики, начиная с туза и заканчивая двойкой, и так все остальные масти. Однако наше удивление становится еще больше, когда мы видим, что появляется четверка пик, затем семерка червей, валет червей, девятка бубей, туз пик... Все крайне беспорядочно. Мы в возмущении говорим, что это не магический трюк, что подобное мы могли бы сделать и сами, просто перетасовав карты. «Да? — отвечает нам фокусник. — Вы можете повторить тот же порядок, в котором я вытащил карты колоды? Думаете, это так же легко, как вытащить упорядоченные масти? Попробуйте!»

Фокусник прав. Порядок карт, который он получил, так же вероятен, как и тот, что мы ожидали. На самом деле у любого порядка есть равная вероятность, и существует 10⁴⁸ возможных комбинаций, следовательно, вероятность получить какую-то определенную равна одному к 10⁴⁸, то есть она невообразимо мала. Если считать чудом явление, вероятность которого равна одному к биллиону (10¹²), то, согласно магу, любой порядок, в котором оказывается колода после тасования, является чудом. Но интуиция подсказывает нам: то, что сделал маг, — не чудо. Когда тасуется колода, она в любом случае будет каким-либо образом упорядоченной (по крайней мере в том смысле, который мы вкладываем в слово «упорядоченный»).

ТЕПЛОВОЙ ХАОС