Мир физики и физика мира. Простые законы мироздания

До сих пор я в основном уделял внимание базовым понятиям, материи и энергии, пространству-времени, в котором они существуют, и квантовой природе реальности, которая лежит в основе всего этого. И я еще не обращался к некоторым столь же фундаментальным концептам физики, которые начинают проявляться, когда большое количество частиц сходится воедино, образуя сложные системы. Поэтому давайте пока оставим мир мельчайших частиц и уменьшим масштаб, чтобы посмотреть, что происходит, когда возникают сложные системы, и исследуем такие глубинные понятия, как порядок, хаос, энтропия и стрела времени.

Глава 6. Термодинамика и стрела времени

По мере удаления от квантового мира с его произвольностью, размытостью и неопределенностью в фокусе опять оказывается уже знакомый нам мир Ньютона. Дымящаяся чашечка кофе на нашем столе, мячик, только что ударившийся о землю в нашем дворе, или пролетающий над нами реактивный самолет – все это, если задуматься, состоит из материи и энергии, которые образуют системы большей или меньшей степени сложности. Так что, если мы хотим понять физику окружающего нас мира, нам придется понять, как взаимодействует и ведет себя множество частиц в совокупности. Область физики, которая помогает нам понимать поведение большого количества взаимодействующих тел, называется статистической механикой.

Вспомним, что в главе 4 мы познакомились с понятиями материи и энергии и узнали, что энергия может трансформироваться из одной формы в другую, тогда как общее количество энергии в системе остается неизменным. Энергия прыгающего мяча постоянно превращается из потенциальной, когда он находится на некоторой высоте над землей, в кинетическую энергию движения. Таким образом, на максимальной высоте вся энергия является потенциальной, а непосредственно перед тем, как мяч коснется земли и движется с наибольшей скоростью, потенциальная энергия превращается в кинетическую. Все это кажется достаточно очевидным, но мы ведь знаем, что мячик не будет прыгать вечно: он теряет энергию в виде тепла, производимого за счет трения о воздух и ударов о землю. Превращение кинетической энергии в тепло имеет коренные отличия от преобразования потенциальной энергии в кинетическую: это процесс односторонний. Мы страшно бы изумились, если б на наших глазах без посторонней помощи мячик возобновил свое движение.

Как это получается? Почему процесс односторонний?

Мячик перестает прыгать потому же, почему тепло от чашки кофе всегда уходит в более холодную среду и никогда не возвращается обратно, почему сахар и сливки в кофе никогда не восстанавливаются из смеси до своего начального состояния. Добро пожаловать в область термодинамики, которая является третьим столпом физики (наряду с теорией общей относительности и квантовой механикой). Если статистическая механика описывает, как взаимодействуют и ведут себя большие количества частиц в одной системе, термодинамика описывает тепло и энергию в системе и то, как они изменяются во времени. Как станет ясно, эти области исследования во многом взаимосвязаны, так что физики часто изучают их в совокупности. Мы тоже рассмотрим их вместе.

Статистическая механика и термодинамика

Представьте себе заполненную воздухом емкость, в которой все молекулы хаотично движутся. Некоторые быстро, другие помедленнее. Но если в емкости поддерживаются одни и те же температура и давление, то общее количество содержащейся в ней энергии остается постоянным. Эта энергия распределяется между молекулами определенным образом: вся энергия рассредоточена согласно простому статистическому закону. Представьте, что мы вводим в емкость немного более теплого воздуха (более быстрые молекулы): случайные столкновения новых молекул с более прохладными «старожилами» перераспределят энергию. Одни молекулы замедлятся, а другие – ускорятся. В конечном счете молекулы опять стабилизируются в новом состоянии равновесия. На этот раз энергия любой молекулы будет с большой вероятностью несколько выше, чем ранее, а температура воздуха в емкости немного поднимется.

То, как энергия в емкости распределяется между молекулами, называется распределением Максвелла – Больцмана – в честь двух величайших ученых XIX века, которые и основали статистическую механику. Термин «распределение» относится к форме кривой, которая на графике показывает соотношение скорости и количества молекул, движущихся с этой скоростью. Или, иными словами, это линия, соединяющая точки, соответствующие степени вероятности того, что какая-то молекула движется с конкретной скоростью. Высшей точке на графике соответствует наиболее вероятная для молекул скорость, а более высокие или более низкие скорости являются менее вероятными. По мере увеличения температуры в емкости форма кривой изменяется, причем пик распределения вероятности сдвигается к более высоким скоростям. Когда распределение Максвелла – Больцмана восстанавливается, мы говорим, что воздух в емкости достиг термодинамического равновесия.