Читать книгу Романтика реальности. Как Вселенная самоорганизуется, порождая жизнь, сознание и сложность Космоса - - Страница 10

Как бы странно это ни звучало для нас сейчас, всего пару сотен лет назад идея о том, что физические объекты состоят из крошечных частиц, называемых атомами, не была общепринятой даже среди физиков. Однако во второй половине девятнадцатого века атомная теория быстро обретала поддержку, и физики начали искать микромасштабные объяснения всех ранее объясненных явлений – поскольку в господствующей редукционистской парадигме они считались более фундаментальными. Вскоре законы термодинамики были переформулированы в терминах процессов, идущих в системах на атомном или молекулярном уровне, где крошечные частицы движутся хаотично и непрерывно. В основе своей природа оказалась «шумной», поскольку ее фундаментальные составляющие постоянно колеблются и сталкиваются.

Опираясь на предыдущие работы Клаузиуса и Джеймса Клерка Максвелла (шотландского математика, прославившегося теорией электромагнетизма), австрийский физик по имени Людвиг Больцман намерился объяснить второй закон, а именно естественную тенденцию к рассеиванию тепла и энергии в результате статистического поведения огромного числа молекул, которые, предположительно, движутся в соответствии с простыми законами механики. Взглянуть на это в микроскопическом масштабе Больцмана вдохновило сделанное незадолго до того открытие: кинетическая[3] энергия газа оказалась прямым следствием того, насколько быстро движутся его отдельные молекулы. Больцман задался вопросом, можно ли объяснить второй закон, представляя потоки энергии в терминах движения молекул и их взаимодействий?

Он рассудил, что если тепловая энергия есть не что иное, как интенсивное движение молекул, то ее диссипация должна включать постепенную диффузию и затухание этого возбужденного движения с течением времени, а это, как он подозревал, может быть связано со случайными столкновениями между соседними молекулами. Чтобы исследовать эту модель рассеивания энергии (или образования энтропии, поскольку это обратная сторона медали), он дальновидно выбрал гипотетическую систему, причем бесконечно менее сложную, чем Вселенная: идеальный газ в изолированном контейнере. Чтобы провести мысленный эксперимент Больцмана, вообразите, будто вы можете уменьшить себя до микроскопических размеров и наблюдать поведение каждой отдельной молекулы газа. Что тогда вы увидите?

Больцман представил себе группу молекул, носящихся во всех направлениях, часто натыкаясь друг на друга, словно бильярдные шары на столе, передающих импульс между собой и расталкивающих друг друга в пространстве. Поскольку кинетическая энергия каждой молекулы пропорциональна ее скорости, то при случайном столкновении молекул более быстрые из них естественным образом замедляются, а более медленные ускоряются, пока в конечном итоге скорость их всех не станет примерно одинаковой. В отсутствие каких-либо различий в энергии между молекулами нет ни температурных градиентов, ни теплового потока, необходимого для выполнения работы. Согласно этому объяснению, изолированная система молекул газа неизбежно приблизится к термодинамическому равновесию вследствие бесчисленных невидимых молекулярных взаимодействий.