Порядок из хаоса

Мы уже упоминали об ответе на этот вопрос, который был дан Больцманом. Знаменитое соотношение Больцмана S KlnP связывает энтропию и вероятность: энтропия возрастает потому, что возрастает вероятность. Сразу же подчеркнем, что в этом плане второе начало имело бы огромное практическое значение, но не было бы столь фундаментальным. В своей превосходной книге «Этот правый, левый мир» Мартин Гарднер пишет: «Некоторые явления идут в одну сторону не потому, что не могут идти в другую, а потому, что их протекание в обратом направлении весьма маловероятно»^[198]. Усовершенствуя наши возможности измерять все менее и менее вероятные события, мы могли бы достичь такого положения, когда второе начало играло бы сколь угодно малую роль. Такой точки зрения придерживаются некоторые современные физики. Но Макс Планк считал иначе:

«Нелепо было бы предполагать, что справедливость второго начала каким бы ни было образом зависит от большего или меньшего совершенства физиков и химиков в наблюдательном или экспериментальном искусстве. Содержанию второго начала нет дела до экспериментирования, оно гласит in nuce (в самом главном): «В природе существует величина, которая при всех изменениях, происходящих в природе, изменяется в одном и том же направлении». Выраженная в таком общем виде, эта теорема или верна, или не верна; но она остается тем, что она есть, независимо от того, существуют ли на Земле мыслящие и измеряющие существа и если они существуют, то умеют ли они контролировать подробности физических или химических процессов на один, два или сто десятичных знаков точнее, чем в настоящее время. Пределы для этого начала, если только они действительно существуют, необходимо должны находиться в той же области, в которой находится и его содержание, — в наблюдаемой природе, а не в наблюдающих людях. Обстоятельства нисколько не изменяются от того, что для вывода начала мы пользуемся человеческим опытом; для нас это вообще единственный путь для исследования законов природы»^[199].

Взгляды Планка не получили особого распространения среди его современников. Как уже отмечалось, большинство физиков склонны были считать второе начало следствием приближенного описания, вторжения субъективных взглядов в точный мир физики. Эту точку зрения отражает, например, знаменитое высказывание Борна: «Необратимость есть результат вхождения элемента нашего незнания в основные законы физики»^[200].

В настоящей главе мы намереваемся осветить некоторые основные этапы в развитии интерпретации второго начала. Прежде всего необходимо понять, почему эта проблема оказалась столь трудной. В гл. 9 мы изложим новый подход, из которого, как нам хотелось бы надеяться, читателю станут ясны и принципиальная новизна, и объективное значение второго начала. Вывод, к которому мы придем, совпадает с точкой зрения Планка. Мы покажем, что второе начало, отнюдь не разрушая величественное здание динамики, дополняет его существенно новым элементом.

Рис. 23. Модель урн Эренфестов. N шаров распределены между двумя урнами А и В. Через равные промежутки времени (которые можно принять за единицу) из урны, выбираемой наугад, извлекается шар и кладется в другую урну. В момент времени п в урне А находится k шаров, а в урне В остальные N—k шаров.

Прежде всего необходимо пояснить установленную Больцманом связь между вероятностью и энтропией. Воспользуемся для этого моделью урн, предложенной П. и Т. Эренфестами^[201]. Рассмотрим N предметов (например, шаров), распределенных между двумя контейнерами (урнами) А и В. Предположим, что через одинаковые промежутки времени (например, через секунду) мы извлекаем наугад шар либо из урны А, либо из урны В и перекладываем его в другую урну. Пусть через п шагов в урне А находится k шаров, а в урне В — остальные N—k шаров. Тогда на (n+1)-ом шаге в урне A может оказаться либо k—1, либо k+1 шаров и вероятность перехода равна k/N для k->k—1 и 1—k/N для k->k+1. Предположим, что мы продолжаем извлекать шары наугад из урн и перекладывать их в другую урну. Мы ожидаем, что в результате перекладывания шаров установится наиболее вероятное их распределение по урнам в смысле Больцмана. Если число шаров N достаточно велико, то шары с наибольшей вероятностью распределятся между урнами А и В поровну: в каждой урне по N/2 шаров. В этом нетрудно убедиться, проделав соответствующие вычисления или выполнив экспериментальную проверку.

Рис. 24. Приближение к равновесию (k=N/2) в модели урн Эренфестов (ход кривой изображен схематически).

Модель Эренфестов — простой пример марковского процесса (или цепи Маркова), названного так в честь выдающегося русского математика академика А. А. Маркова, одним из первых исследовавшего такие процессы (Пуанкаре был вторым). Кратко отличительную особенность марковских процессов можно сформулировать следующим образом: вероятности переходов однозначно определены и не зависят от предыстории системы.