2.8. Философско-методологические основы второго закона термодинамики

Как уже указывалось, понимание второго закона термодинамики и его признание начинаются от вышеназванной работы Сади Карно (1824 г.). Позднее Клаузиус и Томсон по-новому обосновали теорему Карно. Второе начало приобрело характер закона о существовании и неубывании энтропии при любых процессах в изолированных системах и о росте энтропии в реальных процессах.

Клаузиус выдвинул положение о тепловой смерти Вселенной, предположив Вселенную изолированной системой и учитывая неизбежный рост энтропии в реальных необратимых процессах.

С философских позиций Ф. Энгельс в своей работе «Диалектика природы» отверг это положение, указав на то обстоятельство, что движение как форма существования материи не может быть уничтожено, а следовательно, неуничтожимы и все виды движения, в том числе превращение видов энергии.

Больцман выдвинул флуктуационную теорию, усилив ее значение противоположным направлением течения времени во флуктуациях развивающихся и угасающих.

Проследим за рассуждениями Больцмана, привлекши для этого один из многочисленных опубликованных иллюстративных примеров.

Проделаем два мысленных эксперимента.

Нальем в сосуд две одинаковые жидкости, различающиеся только цветом, и подождем. Они самопроизвольно смешаются. Сегодня и для школьника не секрет, что это результат хаотического теплового движения частиц жидкости.

Насыплем в барабан слой белых шаров, а на них слой черных и приведем барабан во вращение. Шары постепенно перемешаются, и, вынув из любой части барабана достаточно большую их порцию, мы обнаружим в ней одинаковое количество белых и черных шаров.

Вращая барабан в обратную сторону, можно ли добиться разделения шаров на белые и черные, то есть вернуть систему в первоначальное состояние, в прошлое? Этого сделать не удается. Не разделяются и смешавшиеся жидкости. Почему?

Чтобы шары, смешавшиеся в барабане, вновь разделились при вращении в обратном направлении, нужно обеспечить точное воспроизведение всех элементарных шагов. То есть каждый шар в отдельности и все вместе должны воспроизвести в обратном порядке все свои движения – возвращением в прошлое мы назвали бы точное повторение событий в обратном порядке. Точное! Но это невозможно уже потому, что «шероховатости» – мельчайшие неровности поверхности шаров – деформируются случайным образом. Вращая барабан обратно и думая, что возвращаем процесс в прошлое, мы на самом деле уводим его еще дальше в будущее, в сторону беспорядка.

Этим рассуждением Больцман не только не опроверг, но подкрепил вывод Томсона о неуклонном развитии природы от порядка к хаосу, о движении мира от состояния, при котором механическая, электрическая, химическая, тепловая и другие виды энергии распределены неравномерно, к состоянию, в котором все и везде одинаково, и одинаково навсегда: безжизненно, невозмутимо!

Но вернемся еще раз к барабану с шарами. Взяв из него тысячу шаров, мы почти всегда будем иметь 500 белых и столько же черных. Если же вынуть два шара, то часто оба будут белыми или черными, будут одинаковыми.

И вывод: в малых частях большой беспорядочной системы может самопроизвольно возникать упорядоченность! Самопроизвольно, то есть без помощи бога, лишь по воле случая...

Случай – вот всесильный джинн, которого обнаружил Больцман.

Мысль Больцмана сводится к тому, что Вселенная, огромная совокупность звездных систем, в целом находится в состоянии теплового равновесия – в полном беспорядке и в полном соответствии со вторым началом термодинамики. Но в отдельных ее частях и даже в объемах, колоссальных, с нашей точки зрения, но малых по сравнению со всей Вселенной, хозяином может стать случай. Он может породить всплеск энергии, как говорят ученые, флуктуацию. Из-за игры случая кое-где могут случайно возникнуть очаги повышенной температуры. Они дадут ту разность тепловых уровней, которая породит движение, жизнь.

«Этот метод, – пишет Больцман, – кажется мне единственным методом, при котором можно представить себе... тепловую смерть единичного мира, без одностороннего изменения всей Вселенной от определенного начала к заключительному состоянию.

Можно сказать, что существование Вселенной и состоит в том, что в ней постоянно возникают случайные неупорядоченности, которые «рассасываются», чтобы по закону случая возникнуть вновь. Мы живем в одной из таких «возмущенных» областей. Наш мир – видимая нами часть Вселенной – существует уже около десяти миллиардов лет и просуществует еще много больше. Человечество возникло лишь пару миллионов лет назад, а цивилизация развивается всего несколько тысячелетий. Масштабы времени таковы, что нам незачем беспокоиться о том, когда завершится «возбужденность» нашего мира».

Современные взгляды отвергают возможность тепловой смерти Вселенной, поскольку расширяющаяся (по взглядам одних астрономов) или пульсирующая (по взглядам других) Вселенная нестационарна (тепловая смерть – равновесное состояние). Возникновение звезд и галактик в гравитирующей Вселенной (Больцман не учитывал гравитацию) идет нормально с ростом энтропии. Учет гравитации во Вселенной на основе теории Эйнштейна приводит к тому, что для Вселенной не существует максимальной энтропии.