Седьмое доказательство
Шрифт:
– А как вы определяли среднюю температуру? – поинтересовался главврач.
– У половины больных температура 42 °С – у них жар, а у второй половины 30 °С, поскольку они уже померли. А в среднем – 36 °С.
Суть вопроса заключается вот в чём: могут ли внутри системы, в целом обладающей нулевой энергией, сами собой, без какого бы то ни было внешнего воздействия, возникнуть разности потенциалов, позволяющие ей совершать некоторую работу?
Для наглядности рассмотрим два простых примера.
Предположим, у нас есть система, состоящая из двух сообщающихся сосудов, в которые налита вода. Уровни воды в обоих сосудах одинаковы – так всегда бывает в сообщающихся сосудах. Возможно ли, что бы уровни воды в сосудах сами собой вдруг изменились?
Теперь возьмем более простую систему,
Ответ представляется очевидным. Конечно, ни то, ни другое – невозможно!
Однако не торопитесь с выводами.
Правильный ответ, – говорит нам наука, – такой: уровень воды самопроизвольно подниматься, конечно, не может, а вот плотность её увеличиться без постороннего вмешательства – пожалуйста!
Да в чем же разница? – спросите вы, – и почему никто никогда такого явления не наблюдал?
А разница между двумя рассмотренными нами случаями в том, что переход на более высокий уровень запрещает Первое начало термодинамики, имеющее безусловный характер, тогда как внутренними свойствами вещества ведает Второе начало термодинамики, которое носит вероятностный характер. Объясняется это довольно просто. Первое начало имеет дело с макрообъектом, в данном случае – с жидкостью, поведение которой предсказуемо, и мы точно знаем, чего можно от нее ожидать, а чего нельзя. А Второе начало определяет поведение частиц, составляющих вещество, предсказать поведение каждой из которых в принципе невозможно – мы можем говорить лишь о вероятности того, где каждая из этих частиц окажется в тот или иной момент времени. Поэтому, не запрещая, вроде бы, самопроизвольно менять плотность жидкости, Второе начало лишь замечает, что вероятность такого события исчезающее мала. То есть, в принципе такое событие могло бы иметь место, однако вряд ли такое случится на самом деле. Сильная вещь – наука!
Обычно, когда речь заходит о Втором начале термодинамики, приводят другой пример. Представьте себе замкнутую систему, состоящую из двух сосудов, соединенных трубкой. Сосуды заполнены каким-нибудь газом, да хоть обычным воздухом, который, само собой, равномерно распределяется по всему предоставленному ему объему. Как сделать так, чтобы в одном сосуде воздух нагрелся, а в другом охладился? Вспомним, что температура тела (и газа тоже) определяется интенсивностью колебаний составляющих его частиц. Чем быстрее движутся частицы, тем выше температура (и ниже плотность). При любой исходной температуре в газе имеются частицы, колеблющиеся с разной скоростью. Вот если бы мы могли разделить их: медленные – налево, быстрые – направо – тогда бы между сосудами возникла разница температур. Но как это сделать?
Наука убеждает нас: если сидеть у таких сосудов очень долго, очень-очень долго, века, тысячелетия, миллионы, а может быть и миллиарды лет, или еще дольше, то однажды произойдет чудо, и все быстрые частицы соберутся в одном сосуде, а медленные – в другом.
Можно этому верить, можно нет.
Вот, у Максвелла, например, не хватило терпения: он предложил на трубке, соединяющей сосуды, установить кран и посадить у крана демона, который бы в одну сторону пропускал только быстрые частицы, а в другую – только медленные. Этот неутомимый демон вошел в учебники под названием «демон Максвелла».
Но в жизни таких демонов не бывает, а потому и самопроизвольного возникновения разности потенциалов в замкнутой системе не бывает тоже.
На практике Второе начало термодинамики означает, что равномерное, равновесное состояние Вселенной является наиболее вероятным, и поэтому она всегда, в любой момент времени, стремится именно к такому состоянию, что сопровождается неуклонным возрастанием энтропии.
Это явление выражает закон возрастания энтропии, который можно сформулировать следующим образом: «В изолированной термодинамической системе энтропия не может убывать: она или сохраняется, если в системе происходят только обратимые процессы, или возрастает, если в системе протекает хотя бы один необратимый процесс».
По существу это утверждение является ещё одной формулировкой Второго начала термодинамики.
Таким образом, изолированная термодинамическая система стремится к максимальному значению энтропии, при котором наступает состояние термодинамического равновесия.
А когда такое равновесие наступило, выйти из него (перейти в неравновесное состояние) система самостоятельно уже не может.
Согласно Второму началу термодинамики, для того, чтобы вывести Вселенную из равновесного состояния, её необходимо «раскачать», а для этого на неё должно быть оказано некоторое внешнее воздействие. Иначе говоря, процессы, происходящие во Вселенной, необъяснимы в рамках самой Вселенной, и для того, чтобы их объяснить, надо выйти за эти рамки!
Таким образом, физика, в лице термодинамики, привела нас к следующему парадоксальному выводу: если в системе, которую мы полагаем замкнутой, вдруг появляются какие-то энергетические аномалии (неравномерности), приводящие к убыванию энтропии, то причину этих аномалий с большей вероятностью следует искать не внутри системы, а вовне. Применительно к Вселенной этот вывод можно сформулировать так: хотя Вселенная является абсолютно замкнутой (в физическом смысле) системой, на самом деле должно быть нечто, что существует за ее пределами и способно оказывать на нее воздействие.
Большой взрыв
Хотя в физике, по старой материалистической привычке, считается хорошим тоном придерживаться представления о вечной, не возникшей Вселенной, из открытых физиками законов вытекает, как мы убедились выше, совершенно обратное.
Теперь от физики перейдем к астрономии. Нас интересует: можно ли из наблюдений астрономов за окружающим нас космическим пространством сделать вывод о конечности или бесконечности Вселенной?
Астрономы подошли к проблеме таким образом. Если Вселенная вечна, рассуждали они, то она должна быть бесконечной в пространстве, не должна иметь ни границ, ни центра. И тогда к ней неприменимы такие понятия, как расширение или сжатие. Если же она конечна, т. е. временна, то, наоборот, должна находиться в динамическом состоянии – либо сжиматься, либо расширяться, либо сжиматься и расширяться попеременно.
Остается только понаблюдать: пребывает ли Вселенная в неизменности, или же ее состояние меняется в ту или иную сторону?
Что же показали наблюдения?
В 1929 году американский астроном Э. Хаббл опубликовал статью «Связь между расстоянием и лучевой скоростью внегалактических туманностей», в которой сделал такой вывод: «Далекие галактики уходят от нас со скоростью, пропорциональной удаленности от нас. Чем дальше галактика, тем больше ее скорость». Коэффициент пропорциональности получил название «параметра Хаббла». Значение «параметра Хаббла» определяет время, истекшее с начала расширения Вселенной, которое сейчас оценивается в 13,7 ± 0,13 млрд. лет. Такой вывод получен на основе эмпирически установленного физического эффекта – красного смещения, т. е. смещения длин волн в спектрах галактик в сторону красной части спектра по сравнению с эталонными спектрами. Это явление обусловлено эффектом Допплера 30 . Открытие Хабблом разбегания галактик лежит в основе концепции расширяющейся Вселенной.
30
Эффект Доплера – изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Эффект назван в честь австрийского физика К. Допплера.