Часть 2 МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

Раздел 7 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

7.11. Философские выводы из второго принципа термодинамики

Второй принцип термодинамики является обобщением огромного количества экспериментального материала и блестяще подтверждается для всех известных макроскопических процессов. Однако выводы из него разные ученые делали диаметрально противоположные. Уже авторы второго принципа В. Томсон (Кельвин) и Г. Клаузиус распространили его на мир в целом и сделали вывод о неизбежной тепловой смерти мира.

Закон возрастания энтропии определяет направление энергетических превращений: все они в замкнутых системах происходят лишь в одном направлении. Достижения замкнутой системой максимально возможной энтропии соответствует достижению в ней теплового равновесия. Разница температур, которые характеризуют отдельные части системы, исчезает, и макроскопические процессы становятся невозможными. Вся присущая системе энергия превращается в энергию неупорядоченного, хаотического движения микрочастиц системы и обратный переход теплоты в работу невозможен. С этой точки зрения энтропия характеризует способность энергии к превращениям. Это можно понять из анализа понятия свободной энергии ψ = U - TS, где ψ - свободная энергия; T - абсолютная температура; S - энтропия. В работу может быть преобразована не вся энергия U, а лишь часть ее за исключением величины TS. Эту величину можно назвать связанной, «обесцененными» энергией, которая не может быть превращена в работу. Следовательно, чем больше энтропия, тем меньше свободная энергия и тем больше обесценена полная энергия, хотя качественно она остается той же самой.

За Клаузіусом, все процессы в природе происходят в направлении роста энтропии, что означает неуклонное обесценение энергии, связано с ее превращением в теплоту, и выравнивание температур вследствие теплообмена. Рано или поздно это приведет к абсолютной тепловой равновесия во Вселенной и, следовательно, к тепловой смерти. Энергия хоть и сохранится количественно, но исчезнет в качественном отношении. Эту мысль в лаконичной форме изложил Г. Клаузиус так: энергия Вселенной стала, энтропия Вселенной стремится к максимуму.

Рассматривая второй принцип термодинамики как закон «обесценения» энергии во Вселенной, Дж. Джине считал, что при полном превращении вещества в излучение температура мирового пространства поднимется лишь на несколько десятков градусов, оставаясь все-таки значительно ниже температуры жидкого воздуха.

К выводам Дж. Джинса присоединился также А. Эддингтон, который считал, что со временем все вещество Вселенной превратится в излучение и мир будет напоминать радіохвильову шар расширяется. А. Эддингтон как раз считал роста энтропии показателем направления изменения времени от прошлого к будущему. Поскольку при тепловой смерти энтропия достигнет максимума, то время в этом случае остановится. Если за конец света А. Эддингтон брал состоянии термодинамического равновесия, то за начало - такое состояние мира, когда материя и энергия имели максимум возможной организации. Получается, что за вторым принципом конец света должен быть с наступлением его тепловой смерти, то тогда должно существовать начало его, как утверждает А. Эддингтон. Сторонником тепловой смерти был, например, известный американский ученый Н. Винер - один из создателей кибернетики.

С критикой теории тепловой смерти Вселенной выступил выдающийся физик-материалист Л. Больцман (1844-1906). В классической термодинамике считается, что при достижении в системе тепловой равновесия в ней прекращаются любые активные процессы, связанные с отклонением от этого состояния. Л. Больцман подошел к проблеме теплового равновесия с позиций молекулярно-кинетической теории теплоты, связал понятие энтропии с состоянием молекулярной системы, с его вероятностью (7.36). Однако он допускал возможность изменения состояния системы даже при статистическом равновесии. Поскольку состояние крупнейшей вероятности близок к состоянию несколько меньшей вероятности, то в системе будут происходить небольшие отклонения от этого состояния, или флуктуации, в течение которых энтропия будет уменьшаться. За Больцманом, энтропия замкнутой системы со временем увеличивается, но в отдельные моменты времени наблюдается ее уменьшение, обусловленное флуктуациями вещества.

Л. Больцман перенес эти представления на Вселенная. Он считал, что второй принцип справедлив для Вселенной, который в целом находится уже в состоянии теплового равновесия. В отдельных частях его с уменьшением энтропии происходят отклонения от этого состояния, или флуктуации, которые охватывают иногда гигантские по размерам области. Подобные флуктуации характеризуются законами вероятности, после каждой из таких флуктуаций система возвращается в прежнее состояние равновесия. Л. Больцман допускал, что область звездного пространства, которая окружает нас, является именно такой гигантской по размерам флуктуацією, во время которой возникли возможности для возникновения жизни на Земле.

Флуктуаційна гипотеза Л. Больцмана сыграла прогрессивную роль в борьбе против теории тепловой смерти, поскольку она допускала возможность постоянных изменений в мире. Однако ученый отстаивал позиции метафизического и механистического материализма и выдвинутая им гипотеза имела принципиальные недостатки, которые обесценивали ее положительный критический смысл. Дав статистическое толкование второму принципу, он отверг лишь идею неизменности Вселенной после установления теплового равновесия, но не само положение о тепловое равновесие.

Если применить положения статистической механики Вселенной, который существует неограниченно во времени, то мы, казалось бы, с необходимостью должны прийти к выводу, что Вселенная (точнее, любая сколь угодно большая его область) должен находиться в состоянии термодинамического равновесия. Время релаксации любой конечной области не может быть бесконечным. На самом же деле ничего такого не наблюдается. Вся и область Вселенной, из которой доходит до нас информация, находится в состоянии очень далеком от равновесия. Сконцентрирована в галактиках и звездах материя непрерывно теряет энергию, которая рассеивается в пространстве, а это ведет к сложной эволюции звездных систем, звезд и планет.

Одним из первых глубокую критику теории тепловой смерти Вселенной дал Ф. Энгельс. Он указывал на несовместимость этой теории с материалистическим мировоззрением. Она противоречит принципу неуничтожимости движения, поэтому должно быть отвергнуто философией. Опровергая утверждение о неизбежности превращения всех форм движения в теплоту, которая необратимо рассеивается в пространство, Ф. Энгельс отмечал, что движение материи сохраняется в количественном и качественном отношениях, т.е. неограниченно превращается из одних форм в другие. Он писал, что излучаться в мировое пространство теплота должна иметь возможность каким-то путем - путем, установление которого будет когда-нибудь в будущем задачей естествознания, - превратиться в другую форму движения, в которой она может снова сосредоточиться и начать активно функционировать.

Нетрудно убедиться, что второй принцип термодинамики имеет ограниченную сферу действия, характеризует не все формы движения, а только те, которые связаны с преобразованием теплоты. Он не распространяется на гравитационные, ядерные и электромагнитные процессы, хотя именно они предопределяют концентрацию рассеянной материи и привлекают ее в новые циклы развития. Второй принцип не распространяется также на броуновское движение, которое не проявляет никакой тенденции к прекращения, поэтому его нельзя считать таким же общим законом, которым является, например, закон сохранения энергии действует во всех без исключения процессах, как единичных, так и массовых. Кроме того, при обобщениях надо иметь в виду ту грань, где количественные накопления в системе приводят к новых качеств. Энтропией также можно характеризовать большие и малые тела, но она не имеет смысла в отношении отдельных молекул. Некоторые физические понятия и законы качественно меняются при переходе от макрофізичних процессов до процессов мегамира. Суть методологической ошибки в выводу о тепловой смерти кроется также в пренебрежении качественных изменений основных понятий (изолированная система, энтропия, равновесное состояние) при распространении термодинамики на мир в целом. Закон роста энтропии действует только в замкнутой, то есть скінченній, системе. Мир же бесконечен в пространстве и времени и является незамкнутой совокупности систем. Поэтому безосновательно распространять закон, справедливый для ограниченных областей, который действует на Вселенную только при определенных условиях. При этом допускается абсолютизация второго принципа. Даже если считать, что мир бесконечен в пространстве и конечен во времени, как это допускается в концепции тепловой смерти, то и тогда она никогда бы не наступила. Опыт показывает, что любые взаимодействия распространяются с конечной скоростью. Тогда мир, бесконечный в пространстве, пришел бы к тепловой смерти только через бесконечно большой промежуток времени, то есть практически никогда не смог бы прийти к термодинамического равновесия.

Энтропия - это единственная известная функция состояния, которая однозначно увеличивается со временем. Эта особенность энтропии позволяет иногда считать ее своеобразным показателем направления времени от прошлого к будущему. Попытка связать текучесть времени с изменением энтропии имеет некоторые основания. Направление времени нельзя вывести из усложнение материи в процессе развития, поскольку распад систем нужно было бы связать с обратным направлением текучести времени, недопустимо. Однако рост энтропии нельзя считать единственным и универсальным показателем направления времени для всех процессов. Для процессов, в которых понятие энтропии неприменимо, показатель направления времени должен быть другим. Этот показатель не всегда действителен и для тех процессов, к которым можно применять понятие энтропии. Эти процессы связаны в основном с тепловой формой движения. Например, если в изолированной системе наступает термодинамическое равновесие, энтропия достигает своего наибольшего из возможных значений, то нужно было бы признать, что при этом время в такой системе остановился бы. Такой вывод не имеет смысла, поскольку даже после установления статистической равновесия движение в системе не прекращается. Хотя в среднем скорости молекул станут примерно одинаковыми, однако они будут значительно отличаться от нуля. Будет происходить также движение атомов в молекулах, элементарных частиц в атомах, разная их взаимодействие. Эти формы движения принципиально неистребимы, а само их существование предполагает текучесть времени, который выступает как объективная мера продолжительности любого изменения. Понятие энтропии к ним применить невозможно.

Однако в случае макроскопических явлений возникают значительные трудности и противоречия в связи с таким пониманием энтропии. Иногда, как показал Больцман, возможно не только рост, но и уменьшение энтропии за счет флуктуаций. Если текучесть времени от прошлого к будущему отождествлять с ростом энтропии, то уменьшение энтропии следовало бы связать с обратным направлением времени - от будущего к прошлому.

Следовательно, рост энтропии нельзя считать критерием текучести времени к будущему. Не время является производным от отдельной физической характеристики - энтропии, а, наоборот, рост энтропии является производным относительно изменений материи во времени.

Увеличение энтропии на участке расширения Вселенной согласуется с законами классической механики. Только в сверхплотных состояниях Вселенной, видимо, окажется необходимым учет квантовых эффектов, а следовательно, характер изменения энтропии обусловлен на определенных этапах эволюции Вселенной квантовыми законами поведения частиц.

Быстрое развитие теории эволюции Вселенной стал возможным лишь на основе новой теории гравитации, которая учитывает релятивистскую космологию. Современные представления о развитии Вселенной изложены в подразделении 14.15.