Концепция «тепловой смерти» Вселенной

Реально все процессы, происходящие в природе, являются необратимыми. С другой стороны, энтропия изолированной системы растет до тех пор, пока система не придет в состояние термодинамического равновесия, когда в ней прекратятся все необратимые процессы. Клаузиус формулирует второе начало термодинамики в виде положения: «Энтропия Вселенной стремится к максимуму». Так Клаузиус пришел к концепции «тепловой смерти» Вселенной. Согласно этой концепции, все виды движения в силу принципа возрастания энтропии должны, в конечном счете, превратиться в тепловую форму; Вселенная должна прийти в состояние теплового равновесия, и оно окажется концом ее развития.

Естественно, что этот вывод является следствием детерминистического характера термодинамики. В общем-то, он ничем не ужаснее картины детерминированного будущего, следующей из механики Ньютона. И так же, как и в случае механики Ньютона, невозможно опровергнуть этот вывод термодинамики, не выходя за ее рамки.

Строго говоря, вопрос о справедливости вывода о «тепловой смерти» Вселенной не может считаться окончательно решенным и сегодня. Однако, современное понимание этой проблемы гораздо глубже существовавшего во времена Клаузиуса. В частности, вызывает сомнение корректность применения закона возрастания энтропии к миру в целом. Действительно, утверждение о том, что система должна в течение достаточно длительного времени перейти в состояние теплового равновесия, справедливо лишь для замкнутых систем. Но имеем ли мы право считать замкнутой системой всю Вселенную? Современная физика показывает, что скорее всего это не так.

«Демон» Максвелла

Постулат Клаузиуса и концепция тепловой смерти Вселенной вызвали бурную дискуссию. Были придуманы многочисленные эксперименты, которые, казалось бы, должны были опровергнуть второе начало термодинамики. Однако время шло, а второе начало оставалось незыблемым.

Очень тонкий мысленный эксперимент предложил Максвелл в 1870 году. Он считал, что второе начало имеет ограниченную область применимости. «Это положение, – писал Максвелл, – несомненно верно, пока мы имеем дело с телами большой массы и не имеем возможности ни различать отдельных молекул в этих массах, ни работать с ними». Но если считать атомы и молекулы вещества материальными точками, подчиняющимися законам механики, то справедливость закона возрастания энтропии становится, по меньшей мере, подозрительной. Если можно, смешав порцию атомов, движущихся быстро (газ при высокой температуре), с атомами, движущимися медленно (газ при низкой температуре), получить систему атомов, движущихся так, что их скорости описываются распределением Максвелла с некоторой промежуточной температурой, то почему нельзя провести и обратную процедуру – разделить каким-либо образом быстрые и медленные молекулы? Законам ньютоновской механики такая идея не противоречит.

Для осуществления подобной идеи в мысленном эксперименте Максвелл придумал своего «демона». «Если представить себе существо, – писал Максвелл, – со столь изощренными способностями, что оно было бы в состоянии следить за каждой отдельной молекулой во всех ее движениях, то подобное существо было бы способно сделать то, что для нас в настоящее время невозможно… . Представим себе, что какой-нибудь сосуд разделен на две части А и В перегородкой с маленьким отверстием в ней. Пусть существо, способное различать отдельные молекулы, попеременно то открывает, то закрывает отверстие, и притом таким образом, чтобы только быстро движущиеся могли переходить из А в В, и только медленнее движущиеся, наоборот, из В в А. Следовательно, такое существо без затраты работы повысит температуру в В и понизит ее в А – вопреки второму началу термодинамики».

«Демон Максвелла» работает в соответствии с основными положениями молекулярно-кинетической теории, согласно которым молекулы движутся с различными скоростями, а температура пропорциональна средней кинетической энергии молекул. Молекулярная теория допускает существование процессов, происходящих в противоречии со вторым началом термодинамики, ибо второе начало является не абсолютным, а статистическим законом. Порожденная мысленным экспериментом Максвелла дискуссия привела в конце концов к пониманию, что законы микромира делают принципиально невозможным его осуществление.

Парадокс был разрешен в 1928 году Лео Сциллардом. Для того чтобы «демон» мог измерять скорость отдельных молекул, он должен быть микроскопических размеров (порядка размеров самих молекул). Но в этом случае он сам бы участвовал в хаотическом тепловом движении, и в его системе координат (скорость которой будет хаотически изменяться) ему было бы невозможно измерять скорость других молекул относительно стенок сосуда, не говоря о том, что он не смог бы находиться все время вблизи отверстия, чтобы регулировать прохождение через него молекул.

Правда, можно было бы поддерживать «демона» при очень низкой температуре (например, охлаждая его жидким водородом или гелием), чтобы подавить его тепловое движение. В этом случае «демон» мог бы выполнять свою функцию по разделению молекул, но термодинамическая система, включающая «демона», уже не была бы изолированной, а энергия, затраченная на охлаждение «демона», по меньшей мере была бы равна энергии, извлеченной им.

Итак, второе начало термодинамики – закон возрастания энтропии в замкнутых системах – является одним из самых универсальных свойств нашего мира. Возрастание энтропии определяет и направление времени. Радиоактивный распад, расход энергии пружины заведенных часов, реакции термоядерного синтеза в недрах звезд – все эти процессы происходят в одном и том же временном направлении; во всей наблюдаемой области Вселенной время течет в одну сторону. При этом уравнения классической механики симметричны по отношению к замене t на – t, т.е. все движения, происходящие по законам классической механики, обратимы. Но статистические закономерности, действующие в системах, содержащих большое количество частиц, приводят к росту энтропии, задающему, по образному выражению А. Эддингтона, так называемую «стрелу времени».