Лев Шеромов - Прозрение

Это заключение здравого смысла, подтвержденное всем опытом создания тепловых машин, было принято как научный закон – второй закон термодинамики.

Термодинамика, в своем практическом применении, содержит специфические величины трех видов: параметры, функции состояния и термодинамические процессы. Параметры это давление, температура, объем. Функции показывают возможные зависимости этих параметров между собой. Это, например, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и т.д. Процессов всего два – отвод или подвод теплоты к системе и процесс механической работы, которую совершает термодинамическая система, или работа совершается над ней.

Как видим, энтропия находится в ряду обыкновенных термодинамических функций. Она может увеличиваться или уменьшаться как угодно, в зависимости от принципа действия конкретной тепловой машины. Например, в двигателе автомобиля она меняет знак своего изменения пропорционально частоте вращения вала.

Но необратимость во времени действительна для всей Природы – живой и неживой. И не объясняется термодинамикой. Всё в природе стареет и разрушается. Все родившиеся люди, рано или поздно, умрут, сгладятся горы, потухнет Солнце и т.д. Но только невозможно распространить этот вывод на всю Вселенную. Не имеем права, так как ещё многого не знаем! Но как бы нам «выйти из оков» термодинамики, термодинамической системы, объяснить эту «всеобщую необратимость»?

В природе есть множество систем, которые имеют другую структуру, другие характерные особенности, чем термодинамическая система. Это, например, биологические системы, технические системы. Все они, конечно, состоят из более или менее хаотично движущихся молекул, но имеют свои, более сложные закономерности, которые и определяют их сущность. Но, очевиден факт, что во всех, без исключения, системах и в других объектах реального мира необратимость также присутствует. Например, любой индивидуальный объект в природе стареет, разрушается, изнашивается. На первый взгляд, исключение составляют атомы и молекулы стабильных химических веществ. Но и тут нет уверенности. Они, может быть, тоже разрушатся, но для этого нужен очень большой промежуток времени, на котором возникнут такие внешние условия, которые преодолеют их стабильность.

Но некоторые материальные системы идут в противоположном направлении, развиваются, эволюционируют, накапливают информацию, со временем делаются все сложнее и сложнее – отдаляются от хаоса. Хочется сказать, что энтропия в них снижается, но подождем; рассмотрим сначала причину роста неопределенности в реальном мире.

Начнем с простого примера. Многократно подбрасывая монету, мы опытным путем приходим к заключению, что вероятность выпадения«орла» или «решки» равна 0,5. Почему так происходит? Может быть, мы не знаем некоторых тонких физических закономерностей этого явления, которые позволяют точно рассчитать это число. Оказывается, мы в принципе не можем этого сделать. Попытка идеализации модели подбрасывания монеты, ее начального положения, геометрической формы, механизма подбрасывания и т. д. не приводит к решению этой проблемы. Для идеального опыта можно написать уравнения движения монеты. Но и они не помогут. Мы встречаемся с неопределенностью. При подбрасывании мы толкаем монету вверх; но она будет находиться во время действия силы в неустойчивом равновесии (как палка, вертикально поставленная на палец) и наклонится в любую сторону с одинаковой вероятностью. Имея теперь эту начальную информацию о вероятностных явлениях в природе, попробуем обосновать необратимость, нарастание неопределенности состояния со временем вообще в природе, не только в термодинамических системах.

В истории науки успехи развития ньютоновской механики привели к идее, что все в мире следует строгим законам движения. Грандиозное подтверждение этого предстало при использовании этих законов в описании движения небесных тел. Все элементы их движения: скорость, форма пути движения планет (орбиты), моменты нахождения небесных объектов в некотором месте небосвода рассчитывались с небывалой точностью, до многих знаков после десятичной запятой. Предсказывались солнечные затмения на десятилетия в будущее, получили объяснение сложные петли движения по небосводу планет солнечной системы и Луны. И если иногда в земной практике получался неточный результат, с определенной вероятностью (подбрасывание монеты или игральной кости), то это объяснялось тем, что мы еще не всё знаем, поэтому не можем учесть все факторы, влияющие на данное явление. Но в будущем, несомненно, все будет предсказано точно. Тогда в воображении людей и появилось фантастическое существо – демон Лапласа , который мог бы рассчитать как угодно далекое будущее 1 1 ЛАПЛАС Пьер Симон – французский ученый, астроном, физик, математик, основоположник теории вероятности. В 36 лет он уже был членом Парижской академии наук. . Дайте только ему положение в пространстве всех частиц материи в данный момент времени и их скорости. Хотите увидеть отдаленное прошлое, пожалуйста, посчитаем по уравнениям и покажем. Все в мире предопределено. И это создает спокойствие и чувство защищенности в психике человека, в его душе – все закономерно, все можно предвидеть, обдумать и действовать соответственно.

В истории науки концепция причинного объяснения движения больших систем по жестким динамическим законам Ньютона получила наименование лапласовского детерминизма). Он имеет глубокие корни и в современной науке. А откуда берется неопределенность и есть ли она вообще, остается неясным.

Поэтому в науке сложилась традиция, когда природные явления всегда пытались выразить в виде детерминированных уравнений (математических моделей), в частности дифференциальных уравнений. Типов математических моделей много. Все крупные разделы математики, так или иначе, разработаны, исходя из практических потребностей моделирования. Главной особенностью детерминированных математических моделей является то, что они всегда исходят из начальной, простой сущности изучаемых явлений. Законы: Архимеда, Гука, Ома, Бернулли, Максвелла и т.д. Можно привести еще много точных закономерностей и не названных по имени ученых. Вообще исторически сложилось мнение «интеллектуальной уверенности», всемогущества познавательной деятельности человека: «Если мы пока не знаем объяснения некоторым явлениям, то нет никакого сомнения в том, что мы разберемся в них в будущем». В начале XX века вся вселенная представлялась большим механизмом, работающим четко и однозначно. Некоторый диссонанс создавала теория вероятностей, но для большинства ученых и инженеров ее выводы опять были лишь следствием нашего временного незнания более глубоких закономерностей.