Необратимость процессов в природе и "стрела времени"

       Пусть в некоторый момент времени нам  удалось загнать все молекулы с помощью диафрагм (перегородок) в правую верхнюю часть сосуда. Остальные 3/4 объема сосуда оставались при этом пустыми. Далее уберем диафрагмы и увидим, что молекулы заполнят весь объем сосуда, то есть перейдут из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью. То есть процессы в системе идут только в одном направлении: от некоторой структуры (порядка, когда все молекулы содержались в верхнем правом углу объема сосуда) к полной симметрии (хаосу, беспорядку, когда молекулы могут занимать любые точки пространства сосуда).

       Больцман  первым увидел связь между энтропией  и вероятностью. При этом он понял, что энтропия должна выражаться через логарифм вероятности. Ибо если мы рассмотрим, скажем, две подсистемы одной системы, каждая из которых характеризуется статистическим весом, соответственно W₁ и W₂, полный статистический вес системы равен произведению статистических весов подсистем:

W=W₁∙W₂, 

в то время как энтропия системы S равна сумме энтропии подсистем: 

S = S₁ + S₂,

ln W = ln (W₁∙W₂) = ln W₁ + ln W₂, 

       Больцман  связал понятие энтропии S с lnW. В 1906 году Макс Планк написал формулу, выражающую основную мысль Больцмана об интерпретации энтропии как логарифма вероятности состояния системы: 

       S = k lnW. 

       Коэффициент пропорциональности k был рассчитан Планком и назван постоянной Больцмана. Формула «S = k lnW» выгравирована на памятнике Больцману на его могиле в Вене.

       Идея  Больцмана о вероятностном поведении отдельных молекул явилась развитием нового подхода при описании систем, состоящих из огромного числа частиц, впервые развитого Максвеллом. Максвелл пришел к пониманию того, что в этих случаях физическая задача должна быть поставлена иначе, чем в механике Ньютона. Очевидно, что наш пример с мечеными молекулами сам по себе неосуществим, ибо в принципе невозможно проследить в течение значительного интервала времени за движением отдельной молекулы. Невозможно также определить точно координаты и скорости всех молекул макроскопического тела одновременно в данный момент времени. Задачу следует ставить иначе, а именно — попытаться найти вероятность того, что данная молекула обладает таким-то значением скорости. Максвелл ввел для описания случайного характера поведения молекул понятие вероятности, вероятностный (статистический закон). Используя новый подход, Максвелл вывел закон распределения числа молекул газа по скоростям. Этот закон вызвал длительную дискуссию, длившуюся десятилетия вплоть до изготовления молекулярных насосов, позволивших произвести экспериментальную проверку закона. В 1878 году Больцман, как уже говорилось, применил понятие вероятности, введенное Максвеллом, и показал, что второй закон термодинамики также является следствием более глубоких статистических законов поведения большой совокупности частиц.

       Таким образом, с развитием статистической физики и термодинамики на место причинных динамических законов становятся статистические законы, позволяющие предвидеть эволюцию природы не с абсолютной достоверностью, а лишь с большой степенью вероятности. 

4. Понятие «стрелы времени» 

       [1] Точка зрения Больцмана означала, что необратимое возрастание энтропии в изолированной системе, которая не обменивается энергией с окружающей средой, следует рассматривать как проявление все увеличивающегося хаоса, постепенного забывания начальной асимметрии, ибо асимметрия приводит к уменьшению числа способов, которыми может быть осуществлено данное макросостояние, то есть к уменьшению термодинамической вероятности W. Так что любая изолированная система самопроизвольно эволюционирует в направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопическое состояние с максимальной W, соответствующего состоянию хаоса и максимальной симметрии. При этом энтропия возрастает, что соответствует самопроизвольной эволюции системы. Закон этот обойти нельзя, возрастание энтропии является платой за любой выигрыш в работе, оно присутствует во всех физических явлениях. В состоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимального значения. Иными словами, в равновесном состоянии существует состояние молекулярного хаоса, что означает полное забвение системой своего начального состояния, несохранения системой информации о своем прошлом.

       По  словам Эддингтона, возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени». Для изолированной системы будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого. То есть возрастание энтропии определяет направление, стрелу времени. Энтропия же возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Поэтому любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку. Старая концепция движения, которая не обращала должного внимания на необратимые процессы, по существу, описывала движение как постоянное повторение одного и того же круга превращений. Сформулировав II начало термодинамики, Клаузиус проводит четкую границу между движением как повторением и движением как необратимым процессом. «Часто приходится слышать, - пишет он, - что все в мире происходит в замкнутом круге... Когда первый основной принцип механической теплоты был сформулирован, его, пожалуй, можно было счесть за блестящее подтверждение вышеупомянутого мнения... Но второй основной принцип механической теплоты противоречит этому мнению решительным образом...» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

       Важным  моментом в разработке проблем неравновесной термодинамики является ее отношение к проблеме необратимости времени. Самоорганизация не подчиняется статистическим законам, но при ее протекании в явном виде обнаруживается «стрела времени» - процесс скачка невозможно повернуть вспять. Классическая механика, основанная на динамических законах, не исключает возможности обращения времени. Так, поменяв в уравнениях, описывающих движение тела, знак плюс на минус перед временем и скоростью, мы получим описание движения этого тела по пройденному пути в обратном направлении. В классической динамической системе всегда можно, варьируя начальные условия, привести систему в определенное, «нужное», заранее выбранное состояние. Иными словами, жесткая детерминированность законов классической физики, отсутствие в ней элементов вероятности, случайности определяют возможность воздействия на систему, управления системой. И хотя весь наш опыт убеждает в невозможности повернуть время вспять, такая возможность теоретически не исключалась. Другое дело - статистические законы, в том числе законы термодинамики. Для систем, состоящих из очень большого числа частиц, неизбежно вытекает однонаправленность процессов природы.

       Второе  начало термодинамики указывает  на то обстоятельство, что вследствие необратимого характера протекания процессов в термодинамических системах, они не могут быть управляемыми до конца. И. Пригожин и И. Стенгерс очень образно выразили этот факт словами: «Необратимое увеличение энтропии описывает приближение системы к состоянию, неодолимо «притягивающему» ее, предпочитаемому ею перед другими, — состоянию, из которого система не выйдет по «доброй воле». 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ГЛОССАРИЙ 

Асимметрия – отсутствие или нарушение симметрии.

Детерминированность процессов в мире – однозначная предопределённость.

Динамические  законы – законы, характеризующие поведение относительно изолированных систем, состоящих из небольшого числа элементов, предсказания являются однозначными и достоверными.

Идеальная тепловая машина – машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны.

Классическая  механика – вид механики (раздела физики, изучающей законы изменения положений тел в пространстве со временем и причины, это вызывающие), основанный на законах Ньютона и принципе относительности Галилея.

Макроскопическая  система – система, состоящая из большого числа частиц и характеризующаяся такими понятиями, как температура, давление, теплота и некоторыми другими.

Макроскопическое  состояние (макросостояние) системы – определяется значениями её термодинамических параметров: давления р, температуры Т, удельного объёма v, внутренней энергии U и т. п.

Микроскопическое  состояние (микросостояние) системы – определяется в классической механике заданием координат и импульсов всех частиц системы.

Необратимый процесс – который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния.

Неравновесная термодинамика – раздел термодинамики, изучающий системы вне состояния термодинамического равновесия и необратимые процессы.

Обратимый процесс (то есть равновесный) – термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.

Постоянная  Больцмана (k или k_b) — физическая постоянная, определяющая связь между температурой и энергией. k=1,38∙10^-23 Дж/К.

Самоорганизация – процесс упорядочения в системе за счёт внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия.

Симметрия – неизменность при каких-либо преобразованиях.

Специальная теория относительности (СТО) – теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при скоростях движения, близких к скорости света.

Статистическая  физика – это раздел теоретической физики, посвященный изучению систем с большим (а часто – бесконечным или несчетным) числом степеней свободы.

Статистические  законы – законы, имеющие вероятностный характер, который обусловлен действием множества случайных факторов внутри статистических коллективов, или массовых, повторяющихся событий (напр., большого числа молекул в газе, особей в биологических популяциях, людей в социальных коллективах).

Статистический  вес – число способов, которыми может быть реализовано данное макроскопическое состояние системы.

Тепловая  машина – устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник).

Тепловое движение – процесс хаотического (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество. Чаще всего рассматривается тепловое движение атомов и молекул.

Теплопроводность – это перенос теплоты структурными частицами вещества (молекулами, атомами, электронами) в процессе их теплового движения.

Термодинамика – наука о наиболее общих свойствах макроскопических физических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и о процессах перехода между этими состояниями.

Термодинамическое равновесие – состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление и т.д.).

Электродинамика – теория поведения электромагнитного поля, осуществляющего взаимодействие между электрическими зарядами.

Энтропия – мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов; в статистической физике – мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ 

1. Концепции современного естествознания: учеб. пособие /                    В.О. Голубинцев [и др.]; под общ. ред. С.И. Самыгина. – Изд. 10-е. – Ростов н/Д: Феникс, 2008. – (Высшее образование), с.182-190
2. Галактионов А. Природа необратимости http://www.chronos.msu.ru/ RREPORTS/galaktionov_neobratimost.html