второго начала термодинамики больцманом
Леонард Сасскинд
Профессор физики Стэнфордского университета, директор Стэнфордского института теоретической физики; автор книги The Black Hole War: My Battle with Stephen Hawking to Make the World Safe for Quantum Mechanics («Битва при черной дыре. Мое сражение со Стивеном Хокингом за мир, безопасный для квантовой механики». СПб., Питер, 2013)
«Какое объяснение вы считаете самым глубоким, элегантным или красивым?» Трудный вопрос для физика-теоретика, потому что теоретическая физика вся состоит из глубоких, элегантных или красивых объяснений, так что есть широкий выбор. На мой взгляд, лучшие объяснения те, что делают из малого великое. Применительно к физике, это подразумевает простое уравнение или очень широкое обобщение. Должен признаться, что ни одно уравнение или обобщение не привлекает меня так, как дарвиновская эволюция с включением в нее механизма эгоистичного гена. По-моему, она обладает тем же качеством, что и лучшие физические теории, – своего рода математической неизбежностью. Но существует множество людей, которые могут объяснить эволюцию лучше меня, поэтому я буду говорить о том, что знаю лучше других.
Путеводной звездой для меня как физика всегда служило объяснение, данное Людвигом Больцманом второму началу термодинамики – закону, утверждающему, что энтропия никогда не уменьшается. В конце XIX века это было совсем неочевидно. В природе часто встречаются необратимые явления – события, которые легко случаются, но не могут происходить в обратном направлении. Тем не менее фундаментальные законы физики полностью обратимы. Каждое решение уравнений Ньютона может быть прочитано в обратном направлении и при этом оставаться решением. Таким образом, если энтропия способна уменьшаться, то, согласно законам физики, она способна и увеличиваться. Но опыт показывает иное. Например, если вы смотрите прокрученный назад фильм с ядерным взрывом, то прекрасно понимаете, что так не бывает. Как правило, события происходят в одном направлении. Энтропия увеличивается.
Больцман понял, что второй закон термодинамики – энтропия никогда не уменьшается – не является законом в общепринятом понимании, как закон гравитации Ньютона или закон электромагнитной индукции Фарадея. Это вероятностный закон, который имеет ту же силу, что и очевидное утверждение: если вы миллион раз подбросите монету, то у вас не выпадет миллион раз орел. Но это в принципе возможно? Да, возможно, так как не нарушает ни одного закона физики. Это вероятно? Не совсем. Больцмановская формулировка второго закона очень напоминает предыдущее рассуждение. Вместо утверждения «энтропия не уменьшается» он высказывает предположение: «энтропия, возможно, не уменьшается». Но если вы будете достаточно долго ждать в замкнутом пространстве, то, в конце концов, увидите, как энтропия уменьшается. Случайным образом частицы и пыль соединятся