В океане энергии

- Второе. Тепловые, или термодинамические, процессы исчерпывающим образом описываются двумя законами, получившими название двух начал термодинамики. Оба закона имеют универсальный характер. Первое начало представляет собой следствие симметрии окружающего нас мира во времени, второе же, по существу, не имеет отношения к термодинамике, а есть просто свойство любой смеси, состоящей из большого числа взаимодействующих друг с другом объектов. Именно простота обоснования первого и второго начал термодинамики обусловливает их универсальность.

Согласно второму началу термодинамики энтропия любой системы, предоставленной самой себе, может лишь увеличиваться, а увеличение энтропии сопровождается установлением равновесия и выравниванием температуры. Наша Вселенная представляет собой физическую систему, по всей вероятности, предоставленную самой себе. Значит, согласно второму началу все процессы во Вселенной направлены к тому, чтобы в ней установилось полное равновесие, температура всех частей стала одинаковой и всякое макроскопическое движение прекратилось. Это и есть гипотеза так называемой тепловой смерти Вселенной. Тепловой не в том смысле, что не хватит тепла, а в том, что всюду станет одинаково тепло. Справедлива ли гипотеза тепловой смерти Вселенной? Попробуем разобраться в этом.

Умрет ли Вселенная?

Сначала попробуем восстановить в памяти ход рассуждений, которые проводятся для обоснования первого и второго начал термодинамики. Первое начало мы приняли безусловно. Что касается второго, то рассуждение о нем каждый раз начинается с предположения, что все частицы, участвующие в процессе, совершенно одинаковы, неразличимы, как зайцы, и энергия между ними распределяется равномерно. А если на самом деле это не так, то рассуждения, приводящие к выражению второго начала термодинамики, окажутся неверными. О том же свидетельствует и опыт. Например, при хорошо известном процессе кристаллизации молекулы стройными рядами располагаются в заранее предназначенных для них местах и ясно, что процесс кристаллизации сопровождается уменьшением энтропии. Правда, кристаллизация, как правило, происходит при охлаждении, т. е. при уменьшении количества тепловой энергии. Но какие-то основания для того, чтобы усомниться во всеобщей значимости второго начала термодинамики, у нас появляются.

Или, скажем, такой вопрос: чему равна энтропия одной молекулы? Если считать, как мы это делали раньше, молекулу однородным шариком, не имеющим внутренней структуры, то любое ее состояние может быть реализовано одним-единственным способом и, следовательно, энтропия молекулы равна нулю. Так что же, второе начало термодинамики, или, даже проще, понятие энтропии, существует в мире вещей, состоящих из большого числа частиц, и не существует для самих этих частиц?

На самом деле это не так. Не только молекулы, но и элементарные частицы — электроны, протоны, нейтроны — подчиняются соотношению неопределенностей, и любое их состояние может осуществиться, вообще говоря, несколькими способами. Но согласитесь, что здесь уже нет столь простого и ясного обоснования необходимости возрастания энтропии, как для случая, когда все зайцы, то бишь молекулы, одинаковы. Поэтому пока ограничимся утверждением, что второе начало термодинамики, безусловно, справедливо в мире вещей, состоящих из одинаковых, неразличимых частиц. И не станем пророчить гибель миру, который мы познали далеко не до конца.

Третий важный вывод состоит в следующем. Существуют как бы два различных мира. Один — мир реальных вещей, таких, как электроны, протоны, нейтроны, атомные ядра, молекулы. Каждый такой объект обладает некоторым запасом энергии, некоторой скоростью, а вернее, количеством движения, которые можно определить с точностью до соотношения неопределенностей. Современная техника экспериментов не дает нам возможности проследить все события, происходящие с отдельной молекулой, но современный уровень знаний в большинстве случаев позволяет нам описать эти события.

Второй мир — это мир больших вещей: пятаков, зайцев, автомобилей. Мы наивно полагаем, что знаем об этих вещах многое, но на самом деле не можем даже разобраться, тот это пятак или другой. Важнее всего то, что величины, с помощью которых описывается поведение больших вещей,— это, как правило, средние величины. Например, скорость автомобиля — средняя скорость поступательного движения всех его молекул. Что самое замечательное? Скорость автомобиля — это мысленная величина; из всех частиц, составляющих автомобиль, нет ни одной, скорость которой в точности равнялась бы скорости автомобиля. То же самое справедливо для давления, температуры и других термодинамических величин. Вся классическая физика — это система соотношений между мысленными величинами. Ну а современная квантовая физика?

ГЛАВА 2

Движение

Каковы они, кванты?