6.4. Закон возрастания энтропии и необратимость времени

Таким образом, сами собой в изолированной системе могут протекать только такие процессы, при которых энтропия системы возрастает. Несамопроизвольные процессы приводили бы к уменьшению энтропии системы. Неравенство указывает направление естественных процессов в изолированной системе: все естественные (самопроизвольные) процессы в изолированной системе протекают в направлении возрастания энтропии. Тем самым второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, т.е. однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Считается, что с этой асимметрией течения естественных процессов связана и асимметрия течения времени: Рассмотрим этот вопрос более подробно.

Существование необратимых процессов является особенностью молекулярных явлений. Все чисто механические явления, т.е. все процессы без сил трения и сопротивления, которые всегда можно повернуть вспять, являются обратимыми. При обратном движении тело проходит те же точки пространства с теми же скоростями, что и в исходном движении, но только в обратном направлении. Так, маятник при движении вправо проходит в обратном порядке все те состояния, которые проходились им при движении влево; биллиардный шар, отскочивший от борта в каком-либо направлении, если на пути его поставить упругую стенку, отскочит от нее и повторит в обратном порядке весь путь, который был пройден им при прямом движении. Полная эквивалентность прямого и обратного движений очевидна для чисто механических процессов. Строгая обратимость механических процессов, как было показано в разделе «Физическая механика», непосредственно следует из классических уравнений движения. Эти уравнения являются уравнениями второго порядка относительно времени, вследствие чего они симметричны к обоим направлениям времени, т.е. оказываются инвариантными по отношению к обращению знака времени – замены t на – t. Поэтому если эти уравнения допускают какое-либо движение, то они же допускают и прямо противоположное движение (если направления всех скоростей и сил изменить на обратные), при котором механическая система проходит через те же самые положения в обратном порядке. Обратимыми являются и электромагнитные явления.

Временное уравнение Шредингера также инвариантно по отношению к замене времени t на – t. Тем не менее, несмотря на эту инвариантность, квантовая механика в действительности существенным образом содержит неэквивалентность обоих направлений времени. Такие, например, процессы, как распад нестабильных микрочастиц (в частности, нейтронов и мезонов) с излучением нейтрино, демонстрируют необратимость изменений в микромире. Установлено, что и протоны могут распадаться за период времени порядка 10³¹ лет. Этот процесс также является необратимым.

Асимметрия и необратимость времени имеет место во всех макроскопических системах. В макромире понятия прошлого, настоящего и будущего складываются под действием второго начала термодинамики, описывающего необратимые процессы, в которых принимает участие огромное число частиц. Именно необратимые процессы в макросистемах, сопровождающиеся ростом энтропии, и приводят к асимметрии и необратимости времени, к выделенности одного из направлений временного порядка, к направленности временного порядка, позволяют установить естественное направление времени – «стрелу времени» (термин, введенный Эддингтоном). Для изолированной системы будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии (неравенству ∆t > 0 соответствует неравенство ∆S > 0). Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого. Тем самым возрастание энтропии определяет направление, стрелу времени. В сущности, существование таких развивающихся лишь в определенных направлениях процессов и делает необходимым введение понятия времени. Таким образом, второе начало термодинамики связывает направленность времени с возрастанием энтропии. При этом будущее определяется как такое направление времени, в котором происходит увеличение энтропии.

Четкая последовательность событий и привычная однонаправленность времени приводят к очевидным аксиомам: время изменяется от прошлого к будущему; момент «теперь» есть настоящее время, отделяющее прошлое от будущего; прошлое порождает настоящее и будущее, переходит в них; прошлое никогда не возвращается; мы не можем изменить прошлое, но можем изменить будущее. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и превратились в последующие. Будущие события – это те, которые возникают из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. Настоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимоотношению между собой. Взаимодействие возможно лишь при одновременном сосуществовании объектов. Понятие настоящего многозначно (как и понятие современности), ибо охватывает различные временные интервалы. Для объективно существующих систем настоящее время охватывает тот интервал, в течение которого они физически могут взаимодействовать между собой путем обмена материей и энергией. Важную роль при этом играет конечность скорости распространения взаимодействий, величина которой не превышает скорость света в вакууме. Поскольку эта скорость конечна, то физически проявляющееся во взаимодействиях настоящее материальных систем охватывает тот временной интервал, в течение которого они способны взаимодействовать. Для элементарных частиц это будут очень малые отрезки, но для галактики они возрастут до сотни тысяч лет, а в больших системах они будут еще более значительными. Внутри этого настоящего для больших систем могут укладываться события прошлого, настоящего и будущего малых систем, существующих намного меньшее время. Мы сейчас воспринимаем свет от далеких галактик, испущенный миллионы лет назад. То, что для нас воспринимается как настоящее, для этих галактик является уже прошлым. Но при этом можно быть уверенным, что от событий и систем будущего никаких воздействий и информации не может поступать, ибо эти системы еще не возникли и реально не существуют. Действие всегда происходит только в одном направлении: от прошлого к настоящему и от него к будущему, но никогда наоборот.

Необратимость времени, неэквивалентность прошлого и будущего проявляется во всех явлениях, с которыми нам приходится иметь дело, будь то явления в области макроскопической физики, химии, биологии, гуманитарных наук, будущее и прошлое играют в них различные роли. Существование «стрелы времени» здесь очевидно. Обратное движение времени означало бы обращение вспять всех процессов развития в мире и причинных отношений, что привело бы к нарушению принципа причинности. Наглядной иллюстрацией обратного хода времени могут служить события на киноэкране при движении киноленты в обратном направлении. Здесь нарушаются все законы развития, причинности.

В настоящее время необратимость времени связывают с процессами самоорганизации материи, законами неравновесной термодинамики. Эти вопросы успешно разрабатываются Брюссельской школой неравновесной термодинамики во главе с И. Пригожиным. Закон возрастания энтропии и вытекающего из него существования стрелы времени признается Пригожиным и его школой в качестве основополагающего динамического принципа. Они ставят перед собой задачу изучения тех изменений в концептуальной структуре пространства, времени и динамики, к которым приводит принятие второго начала термодинамики в качестве основополагающего постулата. При обосновании своей точки зрения они исходят из того, что происходящие вокруг нас явления природы несимметричны во времени.

В соответствии с их представлениями стрела времени проявляет себя лишь в сочетании со случайностью. Только в этом случае, когда система ведет себя случайным образом, хаотично (а все реальные системы ведут себя именно так), в ее описании возникает различие между прошлым и будущим и, следовательно, необратимость. Будущее при таком подходе перестает быть данным; оно не заложено более в настоящем. По Пригожину, односторонне направленные во времени процессы не являются отклонениями от мира с обратимым временем. Гораздо ближе к истине обратное утверждение: редким явлением надлежит считать обратимое время, связанное с замкнутыми системами (если таковые существуют в действительности, ибо все реальные системы являются открытыми).

Развитие теории состояний, далеких от равновесия, показывает, что для диссипативных систем (открытых систем, в которых происходит прирост энтропии) с необходимостью возникают нелинейные уравнения, а с ними естественным образом возникает необратимость процессов, с которыми связывают необратимость времени. В таком случае необратимость времени оказывается тесно связанной с неустойчивостями в открытых системах. И. Пригожин вводит два времени: динамическое t и внутреннее T. Динамическое время – это время, позволяющее задать описание движения точки в классической механике или изменение волновой функции в квантовой механике. Оно выступает как некий внешний параметр, не имеющий выделенного направления. Внутреннее время – это время, которое существует только для неустойчивых динамических систем. Оно характеризует состояние системы, связанное с энтропией. В динамике, будь то классическая, квантовая или релятивистская динамика, нет ничего такого, что позволяло бы отличить прошлое от будущего. Иначе обстоит дело в термодинамике. Второе начало термодинамики вводит физическую величину (энтропию), наделяющую время выделенным направлением, задающую стрелу времени. Описание внутреннего времени сильно отличается от традиционного представления о времени как о величине, изоморфной прямой, идущей из далекого прошлого ) в далекое будущее ( ). Это время не является простым параметром, как в классической или квантовой механике, знак которого не существен. Его можно считать скорее оператором, подобным операторам, соответствующим различным величинам в квантовой механике. Но эта величина может быть измерена с помощью часов, как и обычное время.

Настоящее (время) в таком представлении соответствует единственной точке, отделяющей прошлое от будущего. Настоящее возникает ниоткуда и исчезает в никуда. Стянутое в точку, оно бесконечно близко к прошлому и будущему. В представлении Пригожина прошлое отделено от будущего интервалом, длина которого определяется характерным временем и настоящее обретает продолжительность. При этом происходит, по выражению Пригожина, овременивание пространства, поскольку его характеристики связаны с некоторым характерным временем

Принятие второго начала термодинамики в качестве фундаментального динамического принципа приводит к далеко идущим следствиям в наших представлениях о пространстве, времени и динамике. Применение второго начала позволяет определить внутреннее время T, которое дает возможность сформулировать нарушение симметрии, лежащее в основе второго начала. Важно, что внутреннее время существует только для неустойчивых динамических систем и тесно связано с флуктуационными процессами в макроскопических системах. Необратимость, неустойчивость и односторонность времени тесно и своеобразно связаны между собой. По Пригожину, необратимое, ориентированное время может появиться только потому, что будущее не содержится в настоящем.

Таким образом, концептуальная инновация, внесенная термодинамикой, заключается в том, что она ввела в теоретическое описание необратимость, которой нет ни в классической, ни даже в квантовой механике на уровне фундаментальных (основополагающих) законов. Тем самым она открыла возможность другого взгляда на время. Второе начало термодинамики утверждает, что необратимые процессы приводят к односторонности хода времени, к стреле времени: положительное направление времени второе начало связывает с возрастанием энтропии. Нарушенная временная симметрия является существенным элементом нашего понимания природы.