Уставы небес, 16 глав о науке и вере

Трудность проблемы необратимости времени для современной науки связана с тем обстоятельством, что почти все фундаментальные физические законы являются обратимыми. Слово "почти" означает очень небольшое нарушение обратимости времени для некоторых процессов, обусловленных так называемым слабым взаимодействием элементарных частиц, которое может нарушать зарядовую и временную (СР и Т) инвариантность. Эта необратимость по-видимому играла важную роль на ранних этапах эволюции нашей Вселенной, то есть в эпоху, близкую к Большому Взрыву. Согласно идее А. Сахарова, именно эта необратимость в конечном счете ответственна за преобладание в нашей Вселенной вещества над антивеществом. Тем не менее, согласно естественнонаучной картине мира, в современной Вселенной почти все определяется электромагнитными и гравитационными взаимодействиями, а их законы полностью обратимы. Это резко противоречит необратимости почти всех процессов, протекающих в реальном мире на макроуровне (например, переход механической энергии в тепло при трении, денатурация белка при нагревании, расширение газа в пустоту, и т. д.). Существование таких процессов постулируется одним из наиболее надежно экспериментально подтвержденных законов природы - вторым началом термодинамики. Согласно формулировке этого закона, предложенной Р. Клаузиусом, можно ввести некоторую функцию состояния системы, называемую энтропией. При некоторых (очень немногих) процессах энтропия сохраняется; такие процессы в принципе обратимы. Практически при всех реальных процессах энтропия возрастает; процессы с убыванием энтропии невозможны.

Нелегкую проблему вывода второго начала термодинамики из обратимых законов механики и электродинамики поставил и попытался решить в конце XIX века Л. Больцман. В общих чертах его подход к проблеме состоит в признании вероятностного, или статистического, смысла второго начала. Согласно Больцману, процессы, запрещенные вторым началом термодинамики, не невозможны, но чрезвычайно маловероятны. Рассмотрим в качестве примера расширение газа в пустоту. Обратный процесс, когда газ собирается снова в баллон, из которого он выпущен, не противоречит закону движения молекул. Однако он произойдет таким образом только если строго обратить скорости всех молекул. Уже небольшая ошибка в обращении движения (скажем, из- за малого, но конечного взаимодействия с окружением) приведет к тому, что газ не соберется в баллон. В природе реализуются только "грубые" состояния, возможность реализации которых слабо чувствительна к таким ошибкам. Проблема микроскопического обоснования второго начала термодинамики с точки зрения классической физики тесно связана таким образом с устойчивостью движения (в квантовой физике источником необратимости, согласно теории измерений Дж. фон Неймана, являются измерения, то есть неконтролируемая процедура взаимодействия микрообъекта с прибором, подробнее см. гл.11). Соответствующая математическая теория была разработана во второй половине XX века трудами А. Колмогорова, Я. Синая, Д. Аносова, В. Арнольда, С. Смейла и других математиков (подробнее об этих вопросах можно прочитать в относительно популярно написанных книгах: Г.А. Гальперин, А.Н. Земляков, Математические биллиарды, М., Наука, 1990, и И. Пригожин, От существующего к возникающему).