В океане энергии

Предположим для простоты, что в барабане находятся 10 шариков и их суммарная кинетическая энергия также равна 10 —единицу измерения выберете сами. Такое может быть, например, в случае, если из десяти шариков один движется и обладает кинетической энергией 10, а остальные неподвижны и энергии их равны нулю. Назовем подобный случай состоянием. Описанное состояние может быть реализовано десятью различными способами: первый шарик движется — остальные неподвижны, второй шарик движется — остальные неподвижны и т. д.

А если в движении находятся два шарика, каким количеством способов может быть реализовано заданное состояние? Сначала выбираем два шарика из десяти. Простой подсчет показывает, что это можно осуществить 45, способами. Дальше опять-таки все 10 единиц кинетической энергии могут принадлежать одному шарику, или 9 единиц одному н 1 — другому, или 8 единиц одному и 2— другому и так далее, всего 10 вариантов. Следовательно, существует—45 помножить на 10 — всего 450 способов реализовать второе состояние.

Не станем утомлять читателя дальнейшими расчетами, хотя при желании проделать их достаточно легко. Число способов, с помощью которых реализуется данное состояние, стремительно растет по мере увеличения числа шариков. Скажем лишь, что состояние, в котором энергия как-то распределена между всеми десятью шариками, реализуется 3 628 800 различными способами. Это число способов, которыми можно распределить 10 значений энергии между десятью шариками.

Конечно, это еще не все. Мы предполагали, что энергия распределяется между шариками целыми порциями: 1, 2, 3 и т. д. А ведь есть варианты, когда один шарик обладает энергией, например 1,5 или 1,75 единицы, а второй — соответственно 8,5 и 8,25 единицы.

Все эти расчеты не были бы нужны, если бы можно было видеть шарики и каким-то способом измерять их энергию. Но это невозможно, когда имеешь дело с молекулами, а тем более с атомами. И вот тут-то приходится занять противоположную позицию. Приходится исходить из того, что мы не знаем и принципиально не можем знать ни того, какой энергией обладает каждая молекула в каждый момент времени, ни того, какую часть этой энергии она отдает или приобретает в результате очередного столкновения.

Еще одно начало

Но все же мы кое-что знаем. Энергия в результате взаимодействия распределяется между шариками н между молекулами равномерно. Если в лотерейной машине каждый раз приводить в движение только один шарик, то, сталкиваясь с соседями, очень скоро он передаст свою энергию всем остальным. Картина будет точно такой, какая наблюдается на самом деле, т. е. все шарики движутся хаотично, и невозможно предсказать заранее, на какой лотерейный билет выпадет выигрыш в тираже. Так что пример с лотереей мы выбрали не случайно. На научном языке говорят, что все состояния физической системы, включающей в себя большое число неразличимых объектов, равновероятны.

Продолжим наблюдение за лотерейной машиной» Попробуем посчитать, сколько времени длится то или иное состояние шариков. Для этого предполагаем, что все состояния равновероятны. Иными словами, с совершенно одинаковыми шансами в данный момент времени можно наблюдать любое состояние.

Вспомните наши подсчеты в разделе «Кто выиграл?». Предположим, что одно состояние удерживается в системе очень недолго, скажем, одну миллионную долю секунды. Что отсюда следует? Правильно, в состоянии, когда лишь один шарик обладает энергией 10 единиц, а остальные неподвижны, система будет находиться в течение десяти миллионных долей секунды; в состоянии, когда в движении находятся два шарика, система будет находиться в течение срока пяти стотысячных долей секунды, а в состоянии, когда полная энергия каким-то образом распределена между всеми шариками, система будет находиться примерно три и шесть десятых секунды.

Три и шесть десятых — это настолько больше десяти миллионных и даже сорока пяти стотысячных, что у нас есть все основания утверждать: подавляюще большую часть времени физическая система проводит в состоянии, когда ее полная энергия тем или иным способом распределена между всеми шариками (молекулами).

Только что сказанное — одна из формулировок важнейшего закона природы, называемого вторым началом термодинамики. Его можно выразить иначе: если в некоторый момент наблюдается состояние, когда вся энергия системы принадлежит лишь одному шарику, то уже через десять миллионных долей секунды это состояние сменится другим, с более равномерным ее распределением, или, еще короче, всякая физическая система стремится к состоянию с более равномерным распределением энергии.