Страница 12 из 25
Фундаментальные законы физики обладают одной потрясающей особенностью: несмотря на то что они управляют поведением всей материи во Вселенной, вам не нужно знать их для того, чтобы жить обычной жизнью и справляться с повседневными задачами. Более того, вам было бы чрезвычайно затруднительно обнаружить их всего лишь на основе непосредственного опыта. Так происходит потому, что очень большие наборы частиц подчиняются отдельным, независимым правилам поведения, не привязанным к мелкомасштабным структурам, образующим окружающие нас объекты. Глубинные правила, действующие на эти структуры, называют микроскопическими, или просто фундаментальными, тогда как специальные правила, применимые только к большим системам, — это макроскопические, или эмергентные, правила. Без сомнения, поведение температуры, тепла и т. д. поддается описанию в терминах атомов; это предмет изучения особой дисциплины, называемой статистической механикой. Однако точно так же можно разобраться в поведении этих явлений, не зная об атомах абсолютно ничего. Именно этот феноменологический подход, называемый термодинамикой, мы обсуждаем в этой главе. В физике очень часто случается так, что в сложных макроскопических системах возникают динамические закономерности, являющиеся следствием из микроскопических правил. Несмотря на то что зачастую об этом говорят совсем иначе, никакой конкуренции между фундаментальной физикой и изучением эмергентных явлений нет; это две захватывающие области науки, и развитие обеих принципиально важно для понимания того, как устроен мир вокруг нас. Одним из первых физиков, поддержавших атомную теорию, был шотландец Джеймс Клерк Максвелл, которому мы также должны быть благодарны за окончательную формулировку современной теории электричества и магнетизма. Максвелл совместно с Больцманом в Австрии (и продолжая работу многих других ученых) использовал идею атомов для объяснения поведения газов в рамках того, что было в то время известно под названием кинетической теории. Максвеллу и Больцману удалось установить, что атомы газа, заключенного в контейнер и содержащегося при определенной температуре, характеризуются определенным распределением скоростей: столько-то атомов двигаются быстро, столько-то медленно и т. д. Конечно же, эти атомы ударяются о стенки контейнера, каждый раз оказывая на нее крошечное воздействие. У суммарного влияния этих крошечных сил есть название: это всего-навсего давление газа. Таким образом, кинетическая теория объяснила свойства газов с помощью более простых правил.
Энтропия и беспорядок
Величайшим триумфом кинетической теории стало ее применение Больцманом для толкования энтропии на микроскопическом уровне. Больцман заметил, что при рассмотрении какой-то макроскопической системы мы не обращаем особого внимания на конкретные свойства каждого отдельного атома. Предположим, перед нами стоит стакан с водой, и кто-то украдкой заменяет несколько молекул воды, не изменяя при этом общие температуру, плотность и другие свойства системы. В таком случае мы не заметим подмены. Множество различных конфигураций атомов неразличимы с нашей, макроскопической точки зрения. Однако также Больцман обратил внимание на то, что объекты с низкой энтропией намного более чувствительны к изменению этих конфигураций. Если вы возьмете яйцо и начнете менять местами кусочки желтка и белка, то очень скоро изменения станут заметны. Системы, обладающие низкой энтропией, гораздо проще изменить путем перестановки атомов, в то время как системы с высокой энтропией устойчивы к подобным воздействиям.
Таким образом, Больцман взял понятие энтропии, которую Клаузиус и другие называли мерилом бесполезности энергии, и переформулировал ее в терминах атомов:
Энтропия — это мера количества индивидуальных микроскопических расстановок атомов, которые для макроскопического наблюдателя неразличимы.[29]
Рис. 2.2. Памятник на могиле Людвига Больцмана на центральном кладбище Вены. Высеченное на могильном камне уравнение[30]: S = k log W — это формула Больцмана, связывающая энтропию с количеством перестановок микроскопических частей системы, которые можно совершить без изменения ее макроскопического состояния (подробнее об этом — в главе 8).
Трудно переоценить важность этой догадки. До Больцмана энтропию рассматривали как феноменологическую термодинамическую величину, которая живет по собственным правилам (например, подчиняется второму началу термодинамики). Благодаря Больцману стало возможно вывести свойства энтропии из более глубоких базовых принципов. В частности, внезапно становится совершенно ясно, почему энтропия увеличивается:
Энтропия изолированной системы увеличивается, потому что существует гораздо больше способов создать высокую энтропию, чем низкую.
По крайней мере, эта формулировка сразу расставляет все по местам. Тем не менее она основана на принципиально важном допущении о том, что вначале у системы энтропия низкая. Если мы возьмем в качестве примера систему с высокой энтропией, то она будет находиться в равновесии — в ней вообще ничего не будет происходить. Слово «вначале» подразумевает асимметрию направлений времени, давая прошлому преимущество перед будущим. Эта цепочка рассуждений отсылает нас в самое начало времен, к низкой энтропии Большого взрыва. По какой-то причине из великого множества способов скомпоновать все составляющие Вселенной в самом начале был выбран только один — Вселенная находилась в особой, исключительной конфигурации с низкой энтропией.
Если отбросить эту оговорку, то не остается сомнений в том, что определение понятия энтропии, предложенное Больцманом, стало огромным скачком вперед в понимании стрелы времени. Однако и у этого скачка была своя цена. До открытий Больцмана второе начало термодинамики не вызывало сомнений — это был безусловный закон природы. Но у определения энтропии в терминах атомов есть важное следствие: энтропия не обязательно возрастает даже в замкнутой системе; она всего лишь с большой вероятностью будет увеличиваться (даже с подавляющей вероятностью, как мы видим, но все же). Предположим, у нас есть контейнер с газом, равномерно распределенным по нему и имеющим состояние с высокой энтропией. Если мы подождем достаточно долго, хаотичное движение атомов в конечном итоге приведет к тому, что все они — всего лишь на мгновение — окажутся вплотную к одной из стенок контейнера. Это называется статистической флуктуацией. Однако если вплотную заняться цифрами, то подсчеты покажут, что время, в течение которого имеет смысл ожидать такого статистического колебания, намного превышает возраст Вселенной. На практике мы вряд ли когда-нибудь застанем подобное событие. Тем не менее оно вероятно.
Некоторым людям это не нравилось. Они хотели, чтобы второе начало термодинамики было совершенно и абсолютно нерушимым, им претил тот факт, что это всего лишь утверждение, которое «истинно большую часть времени». Предположение Больцмана повлекло за собой массу споров и разногласий, однако в наши дни оно общепризнано.
Энтропия и жизнь
Все это очень увлекательно, по крайней мере для физиков. Однако следствия этих идей выходят далеко за пределы паровых двигателей и чашек кофе. Стрела времени заявляет о своем существовании самыми разными способами: наши тела с возрастом меняются, мы помним прошлое, а не будущее, следствие всегда появляется после причины. Оказывается, все эти явления можно отнести на счет второго начала термодинамики. Энтропия в буквальном смысле обеспечивает возможность существования жизни.
Основной источник энергии для жизни на Земле — это солнечный свет. Как объяснил нам Клаузиус, теплота естественным образом переносится от горячего объекта (Солнца) к более холодному (Земле). Однако если бы этим все и заканчивалось, то довольно скоро два объекта пришли бы в состояние равновесия друг относительно друга — достигли бы одинаковой температуры. В действительности так бы и произошло, если бы Солнце занимало все небо, а не было бы для нас небольшим диском с угловым диаметром около одного градуса. Да, в этом случае мы бы увидели очень грустный мир. Он был бы абсолютно непригоден для существования жизни — и не только из-за чрезвычайно высокой температуры, а потому что этот мир был бы статичным. Ничто никогда не менялось бы в мире, достигшем равновесия.
29
Конкретнее, под формулировкой «мера количества расстановок отдельных частей» мы подразумеваем «пропорциональность логарифму количества перестановок отдельных частей». Подробное обсуждение логарифмов вы найдете в приложении, а в девятой главе детально рассматривается статистическое определение энтропии.
30
В англоязычной литературе универсальное обозначение «log» используется для обозначения любых логарифмов — как десятичных, так и натуральных. Это неудобно, поэтому десятичный логарифм иногда обозначают «lg», а натуральный — «ln». — Примеч. пер.