Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство
Шрифт:
Хорошо, рассуждали философы, что термодинамика объяснила нам, почему так происходит. Любое упорядочение требует затрат энергии, любой шаг от порядка к хаосу приводит к превращению части энергии в тепло, к рассеянию этого тепла. Бороться со Вторым началом термодинамики невозможно. Нужно учитывать его и по возможности уменьшать неизбежные потери.
Многие ученые, узнав о тепловой смерти Вселенной, утешали себя тем, что это наступит очень и очень не скоро. Что наши далекие потомки погибнут много раньше — когда остынет Солнце.
Они говорили: Второе начало — величайший закон природы, наконец-то он объяснил, почему
Но не все физики предавались отчаянию, не все довольствовались самоутешением (нефизики — те просто ни о чем не подозревали. Газеты и журналы тех времен не интересовались наукой).
Были и такие ученые, которые указывали на непримиримое противоречие между термодинамикой и механикой Ньютона. Термодинамика (что означает — наука о движении теплоты) утверждает, что тепловые процессы идут в одну сторону, в сторону охлаждения, от прошлого в будущее. Законы же Ньютона, уравнения, основанные на этих законах, таковы, что сохраняют свою силу при любом направлении течения времени. Они позволяют вычислять не только будущее, но и прошедшее. Зная, когда поезд пришел в пункт А и с какой скоростью он двигался на каждом участке пути, сколько времени он стоял на станциях, нетрудно вычислить, когда он выехал из пункта Б.
Почему механика разрешает углубляться в прошлое, а термодинамика запрещает это? — спрашивали они. И почему все же нельзя вернуться в прошлое? В этом следует разобраться. Что же более верно отображает природу термодинамика или механика?
То, что механика, вопреки опыту, допускает обращение времени, тревожило самого Ньютона. Но верный своему девизу, он не создавал гипотез для объяснения этой тайны. А опыт не давал даже намека на какую-либо скрытую причину. В конце жизни Ньютон сослался на бога. Бог подвигнул Ньютона на создание механики и ее уравнений. Весь мир подчиняется этим уравнениям. Но одних уравнений мало. Для того чтобы вычислять, необходимо еще знать начальные условия. Знать, с чего все началось. А начальные условия задал бог, и изменить их невозможно. Поэтому все движется от начала в будущее. До начала не было ничего. Так рассуждал в старости уставший Ньютон.
Не все соглашались с этим. Ученые, как и сам Ньютон в годы, когда был полон сил, крупные ученые — теоретики и экспериментаторы, в своих лабораториях и за своими письменными столами, — выступали и выступают как материалисты. Одни стихийно, неосознанно. Другие сознательно. Богу — божье, считают те из них, кто не порвал с религией, но науке — научное.
Ссылка на начальные условия ненаучна.
Ссылка на начальные условия может стать научной, считали некоторые, если подойти к ней с позиции науки.
Дальше всех по этому пути продвинулся Людвиг Больцман, крупнейший физик-материалист прошлого века. Сознательный и убежденный материалист.
Он доказывал: невозможно задать начальные условия абсолютно точно, а значит, невозможно и получить абсолютно точные решения уравнения. А исходя из неточных решений и изменив в уравнениях Ньютона течение времени, возможно прийти к исходным начальным условиям. Решения, полученные таким способом для нулевого момента времени, будут отличаться от тех начальных условий, которые были положены в основу решений. Так, повернув к прошлому, мы придем в будущее.
На деле, пояснял Больцман, ни один механический процесс нельзя описать совершенно точными уравнениями. Положите в лотерейное колесо слой белых шаров, а на него слой черных. Теперь вращайте колесо. Шары перемешаются. Бесполезно надеяться на то, что, повернув колесо обратно точно столько раз и точно с такой скоростью, с какой мы вращали его вперед, мы добьемся того, что из хаоса восстановится порядок, что шары снова улягутся слоями, как было вначале. Мельчайшие дефекты шаров и поверхности колеса не были учтены в уравнениях. Думая, что мы ведем опыт в обратном направлении, мы продолжаем идти вперед.
Значит ли это, что Больцман примирил термодинамику с механикой Ньютона, что их можно объединить или получить одну из другой? Отнюдь. Для термодинамики движение от прошлого к будущему имеет принципиальное значение. Запрет обратного движения от будущего к прошедшему является для термодинамики безусловным и нерушимым. Таково свойство природы. Это нужно принять как непреложный факт. Но объяснить, почему это так, оставаясь в границах термодинамики, невозможно.
Для механики движение во времени остается обратимым, во всяком случае, в принципе. Движение лишь в одном направлении следует из практической невозможности воспроизвести еще раз условия, существовавшие в начальный момент, в начале пути в будущее.
Для механики в принципе допустимо возвращение от хаоса к порядку. Лишь неучитываемые случайности мешают достичь этого без нарушения закона сохранения энергии, играющего в механике столь же важную роль, как в термодинамике.
Для термодинамики возвращение от хаоса к порядку является абсолютно запретным. Этот запрет воплощен во Втором начале термодинамики, в постулате, никак не связанном с законами механики.
Триединство
Теперь мы должны перешагнуть через четверть века, минуя открытие квантовых скачков, совершенное Планком, создание первого варианта квантовой механики, порожденной соединенными усилиями Эйнштейна и Бора, создание теории относительности, поставившее Эйнштейна в глазах людей рядом с Ньютоном.
Мы совершим скачок в начало двадцатых годов двадцатого века, когда три молодых гения создали то, что сперва называли новой квантовой механикой, то, что затем стало квантовой физикой, породило квантовую химию, вторглось в астрофизику и биологию, вырвалось из микромира в наш обычный мир с его металлами и диэлектриками, полупроводниками и сверхпроводимостью, привело к созданию новой техники и, увы, к появлению ядерного оружия.
Бакалавр по разделу истории Луи де Бройль начал свой путь в физику с диссертации, поразившей научный мир своим новаторством и блеском. В ней он вывернул наизнанку идею Эйнштейна, увязавшего в 1905 году световые волны с квантами света, частицами света, позже получившими наименование фотонов. Де Бройль связал микрочастицы (он рассматривал электроны) с особыми волнами, определяющими движение этих электронов. Не часто встречаются случаи, когда в диссертации создается новая наука. Здесь это произошло. Так родилась волновая механика.