Тайны природы. Синергетика: учение о взаимодействии

Разумеется, для достижения полного понимания принципа Больцмана процессы следует рассматривать в движении. Это, собственно, относится уже к вычислению тех вариантов, которые могут быть осуществлены. Если посмотреть на письменный стол, скажем, некоего профессора, то нам может показаться, что здесь царит полный беспорядок. Однако стоит только кому-нибудь (например уборщице) навести на этом столе порядок, профессор будет весьма рассержен: теперь он оказывается просто не в состоянии отыскать на собственном столе и одной из нужных ему бумаг, хотя до сих пор — до наведения этого якобы порядка — ему с легкостью удавалось быстро найти все необходимое. В чем же тут дело? Может быть, это просто каприз старого чудака? Или его затруднения имеют какую-то реальную причину?

Объясняется все следующим образом. Профессор точно знал, где на его столе, который непосвященным казался царством беспорядка, лежат нужные книги и рукописи. Поэтому, несмотря на кажущийся беспорядок, здесь — как и в примере с газом — все же существовало лишь единственное состояние, при котором профессор легко находил свои вещи. После «наведения порядка» это состояние было заменено новым, при котором профессор уже не смог найти нужные ему бумаги на «правильных» местах. Таким образом, в понятие неупорядоченности входит также и случай, когда постоянно реализуются все новые и новые возможности, о которых уже шла речь в примере с молекулами; иными словами, письменный стол профессора разупорядочен, если вещи, находящиеся на нем, без конца меняются местами.

Как раз так и поступает Природа с молекулами газа: двигаясь со скоростью 460 метров в секунду (скорость молекул кислорода при комнатной температуре), они безостановочно проносятся перед нами, осуществляя все новые и новые варианты распределения. Природа похожа на карточного игрока, который с необычайной скоростью перемешивает у нас на глазах колоду, и мы оказываемся уже не в состоянии проследить за какой-либо отдельной картой. Упомянутое движение молекул и само является неупорядоченным: его называют также тепловым движением.

Деградация энергии

Вновь воспользовавшись для примера автомобилем, можно сформулировать то же самое несколько иначе. Пока автомобиль едет, вся его энергия является энергией поступательного движения, или кинетической энергией. Поскольку поступательное движение направленно в определенную сторону, движущийся автомобиль, как говорят физики, имеет одну степень свободы. Когда автомобиль начинает тормозить, его энергия движения преобразуется в тепловую, и его тормозные колодки и покрышки колес нагреваются (рис. 2.6). Однако теплота — это микроскопическое движение огромного количества молекул и атомов. Общеизвестно, что одно тело теплее другого тогда, когда молекулы первого движутся интенсивнее, чем молекулы другого. Но так как молекулы — по крайней мере на микроскопическом уровне — могут двигаться в различных направлениях и количество самих молекул чрезвычайно велико, тепловая энергия характеризуется множеством степеней свободы. Иначе говоря, при торможении автомобиля энергия с единственной степенью свободы становится энергией со многими степенями свободы, и при этом появляется неимоверное количество возможностей реализовать такое новое распределение. Обратный процесс означал бы, что все молекулы разом, как по команде, вдруг самопроизвольно полетели бы в одном направлении, и все множество степеней свободы свелось бы к од-ной-единственной. Однако такое развитие событий — согласно основному закону термодинамики — невозможно. Действительно, энергию поступательного движения автомобиля, т. е. энергию с одной степенью свободы, можно превратить в тепло; обратный же процесс мы осуществить не в состоянии — по крайней мере в полном объеме. Все дело в том, что энергия, заключенная в рамки единственной степени свободы, является энергией более высокого уровня, нежели энергия, распределяемая по множественным степеням свободы.

^{Рис. 2.6. Движущийся автомобиль (слева) имеет только одну степень свободы. При торможении эта единственная степень свободы преобразуется в огромное множество степеней свободы теплового движения (например в покрышках колес и тормозных колодках)}