Шон Кэрролл - Вечность. В поисках окончательной теории времени

Так каким же образом закон Клаузиуса (теплота не течет спонтанно от холодных тел к горячим) связан со вторым началом термодинамики (энтропия не уменьшается спонтанно)? Ответ прост: это один и тот же закон. В 1865 году Клаузиус переформулировал свой исходный принцип, используя новую величину, которой он дал название «энтропия». Рассмотрим постепенно остывающий объект, то есть объект, передающий тепло в окружающую среду. В каждый момент этого процесса возьмем количество потерянной теплоты и разделим на температуру объекта. Энтропия – это накопленное значение этой величины (количества теплоты, поделенного на температуру тела) за весь период действия процесса. Клаузиус доказал, что стремление теплоты покидать горячие объекты и перетекать к холодным в точности эквивалентно заявлению о том, что энтропия замкнутой системы может только увеличиваться и никогда не уменьшается. Состояние равновесия – это всего лишь такое состояние, в котором энтропия достигла максимального значения и ей некуда больше деваться; у всех соприкасающихся объектов одинаковая температура.

Если предыдущее объяснение вам кажется несколько абстрактным, то энтропию можно описать и гораздо более простыми словами: энтропия измеряет бесполезность определенного количества энергии. [27]У галлона бензина есть энергия, и она полезна, – мы можем заставить ее работать. Процесс сжигания бензина для обеспечения работы двигателя не меняет полную энергию; если тщательно отслеживать все происходящее, то будет понятно, что энергия остается постоянной. [28]Однако с течением времени эта энергия становится все более бесполезной. Она превращается в теплоту и шум, а также в движение транспортного средства, на котором установлен двигатель, и даже это движение в конечном счете замедляется из-за трения. Пока энергия превращается из полезной в бесполезную, энтропия увеличивается.

Второе начало термодинамики не подразумевает, что энтропия системы никогда не может уменьшаться. Например, мы могли бы изобрести машину, которая отделяла бы молоко от кофе. Но хитрость в том, что уменьшить энтропию одной вещи можно, лишь увеличив энтропию вокруг нее. У нас, людей, и у машин, которые мы могли бы применять для разделения молока и кофе, у еды и топлива, которые мы потребляем, – у всего этого есть энтропия, которая неизменно будет увеличиваться. Физики проводят различие между открытыми системами – объектами, которые взаимодействуют с внешним миром, обмениваясь энтропией и энергией, – и замкнутыми системами – объектами, которые, по сути, изолированы от внешнего влияния. В открытой системе, такой как кофе с молоком, которые мы помещаем в нашу машину, энтропия, несомненно, может уменьшиться. Однако в замкнутой системе, скажем, включающей кофе с молоком, а также машину, оператора машины, топливо и т. д., – энтропия всегда будет увеличиваться или, в крайнем случае, оставаться постоянной.

Возвышение атомов

Великолепные догадки Карно, Клаузиуса и их коллег о сути термодинамических явлений лежат все же в области «феноменологических» размышлений. Эти ученые видели общую картину, но не понимали механизмов, которыми она управляется. В частности, они не знали о существовании атомов, поэтому не могли рассматривать температуру, энергию и энтропию как свойства микроскопической среды; они мыслили о них как о реальных объектах, которые существуют сами по себе. В те дни, в частности, довольно распространено было представление об энергии как о некой жидкости, умеющей перетекать из одного тела в другое. У этой «энергии-жидкости» даже было свое название: «теплород». И такого уровня понимания было совершенно достаточно для формулировки законов термодинамики.

Однако в ходе XIX века физики постепенно убеждались, что многие виды материи, с которыми мы имеем дело в реальном мире, можно рассматривать как различные конфигурации фиксированного числа одних и тех же элементарных составляющих – атомов (на самом деле в вопросе принятия атомной теории физиков в то время опережали химики). Это не новая идея, о ней упоминал еще Демокрит и другие мыслители античной Греции, но именно в XIX веке она завоевала популярность и начала развиваться по одной простой причине: только существование атомов могло объяснить многие наблюдаемые свойства химических реакций, которые до этого приходилось принимать как данность. Ученым нравится, когда одна простая идея способна объяснить широкий диапазон наблюдаемых явлений.

Сегодня роль демокритовых атомов играют элементарные частицы, такие как кварки и лептоны, однако идея остается неизменной. То, что современный ученый называет атомом, – это самая маленькая частица материи, которая может выступать как отдельный химический элемент, такой как углерод или азот. Но теперь мы понимаем, что атомы – не неделимые частицы; они состоят из электронов, вращающихся вокруг атомного ядра, а ядро состоит из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, представляют собой различные комбинации кварков. Поиск правил, которым подчиняются эти элементарные строительные кирпичики материи, часто называют «фундаментальной» физикой, хотя более точным (и менее напыщенным) было бы название «элементарная» физика. Впредь я буду использовать термин «атом» в установившемся в XIX веке смысле – как определение химического элемента, а не согласно существовавшему в Древней Греции пониманию об элементарных частицах.

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.