Эдуардо Арройо - Том 42. Путешествие от частицы до Вселенной. Математика газовой динамики

Воздух, которым мы дышим, — это система вне равновесия, ее состояние нестабильно из-за постоянного поступления солнечной энергии. Другие системы, находящиеся вне состояния равновесия, — это морские течения, экосистемы или человеческое общество. Изучение таких систем необходимо для понимания подавляющего большинства процессов, происходящих во Вселенной и не поддающихся строгому математическому описанию. Науке еще далеко до их полного понимания, но некоторый прогресс в этой области начиная с 70-х годов прошлого века позволяет нам отметить основные характеристики таких систем.

Вспомним, что газ представляет собой совокупность частиц, движущихся стихийно. В равновесии его состояние задано давлением, температурой и объемом, который он занимает. Равновесие характеризуется либо тем, что газ погружен в какую-либо емкость при постоянной температуре, либо тем, что общая энергия его молекул не изменяется. Но если поместить сосуд, наполненный газом при низкой температуре, например, в духовку, то мы заметим, что газ, находящийся внизу сосуда, будет нагреваться, и молекулы в этой области начнут двигаться быстрее, в то время как молекулы верхней части сосуда сохранят прежнюю температуру. Поскольку температура пропорциональна средней кинетической энергии молекул, частицы газа сверху и снизу сосуда будут иметь различное распределение скоростей, и решение проблемы газа, находящегося вне состояния равновесия, окажется очень сложным.

Если разница в температуре верхней и нижней частей не очень выражена, мы можем откорректировать уравнения для расчетов, чтобы получить решение, похожее на решение проблемы газа в состоянии равновесия, с некоторыми поправками. Но когда разница температур растет, газ начинает вести себя непредсказуемым образом, и его поведение становится невозможно объяснить с помощью правил Больцмана. В этот момент нужно изменить набор инструментов и вернуться к динамическим системам.

В предыдущих главах речь шла о системах в равновесии, но исчерпывающее определение понятия равновесия так и не прозвучало. Существуют различные типы равновесия, но когда мы говорим о газе, то имеем в виду стабильное равновесие.

Идею стабильного равновесия легко понять с помощью рисунка. У треугольника длинная сторона находится внизу. Если толкнуть его вправо или влево, он будет стремиться в свое начальное положение. Мы говорим, что его равновесие стабильно: при небольшом нарушении система сама возвращается в исходное состояние. В случае с газом хаотичное движение молекул играет роль таких небольших нарушений. Если бы газ не находился в стабильном равновесии, мы не могли бы гарантировать сохранение его макросостояния.

Стабильное равновесие можно понимать как точку, в которой система имеет минимальную потенциальную энергию, следуя принципу наименьшего действия Эйлера. То есть на графике уровня энергии относительно положения система будет занимать низшую точку.

Нестабильное равновесие — это противоположное понятие, которое также можно объяснить с помощью рисунка.

Мы имеем треугольник, поставленный на вершину. Даже самый минимальный толчок в одну или другую сторону вызовет изменение состояния, и фигура уже не сможет вернуться в исходное положение. Это равновесие нестабильно, поскольку любое, даже самое маленькое, нарушение полностью меняет состояние системы. Газ, находящийся в состоянии нестабильного равновесия, практически невозможно наблюдать, поскольку само движение его молекул играло бы роль таких нарушений и привело бы газ в состояние стабильного равновесия.

Система в состоянии нестабильного равновесия имеет максимальную энергию, так что любое движение в любом направлении способствует ее уменьшению. Следуя принципу наименьшего действия Эйлера, в момент, когда система отклонится от средней точки, она будет стремиться в области меньшей энергии, как показано на графике.

Любопытный аспект системы с нестабильным равновесием — это нарушение симметрии, математическое понятие, которое также применяется в фундаментальной физике для объяснения того факта, что частицы имеют массу. Ситуация, когда треугольник перевернут на вершину, симметрична относительно правой и левой стороны. Нельзя утверждать, что объект упадет в ту или другую сторону. На самом деле уравнения сами по себе также симметричны и не могут использоваться для подобного прогноза. Однако в конце концов треугольник в любом случае упадет и нарушит симметрию исходной ситуации и симметрию уравнений. Невозможно спрогнозировать, в какую сторону будет направлено нарушение симметрии, известно только то, что оно произойдет.

Это принцип справедлив для любой математической проблемы, в которой уравнения имеют симметрию, но их решения могут быть самыми разными.

Другая форма равновесия — это метастабильное равновесие. В этом случае мы имеем систему, которая находится на минимуме локальной энергии, что не соответствует минимально возможной энергии. Это утверждение можно проиллюстрировать с помощью графика.

Система в метастабильном равновесии. Речь идет о локальном минимуме: существует другая точка меньшей энергии, но не непосредственно рядом.

* * *

МЕГАСТАБИЛЬНАЯ ВСЕЛЕННАЯ

Недавнее открытие бозона Хиггса с помощью Большого адронного коллайдера вызвало тревожный прогноз: наша Вселенная находится в метастабильном состоянии.

В квантовой механике, то есть теории, описывающей микромир, вакуум имеет энергию. Существуют различные возможные уровни энергии, но только наименьшая соответствует стабильному состоянию. Когда вакуум находится в нестабильном состоянии, это означает, что можно ожидать его изменения до достижения состояния с меньшим уровнем энергии, но вся произведенная энергия в конце концов полностью меняет вид Вселенной.

Некоторые признаки указывают на то, что вакуумное пространство находится в метастабильном состоянии, и это означает, что рано или поздно оно перейдет в стабильное состояние, разрушив при этом известную нам Вселенную. Переход в стабильное состояние может произойти завтра или через 100 тысяч миллионов лет. Впрочем, физики полагают, что у нашей Вселенной осталось еще по меньшей мере 10 тысяч миллионов лет.