Статистические закономерности в приРОДЕ

Стрела времени» и проблема необратимости

В естествознании

Одной из основных проблем в классической физике долгое время оставалась проблема необратимости реальных процессов в природе [42]. Если снять кинофильм о движении одной частицы в некотором замкнутом объеме и показать этот фильм, прокручивая пленку в обратном направлении, то ничего «неправдоподобного» в поведении частицы не обнаружится. Более того, фактически невозможно будет даже определить, в какую сторону прокручивается пленка. В этом случае говорят, что движение частицы обратимо. Практически ничего не изменится и в ситуациях, когда снимается «фильм» о движении двух, трех и вообще любого небольшого числа независимых частиц.

Однако, когда частиц становится достаточно много, в их совместном поведении проявляется новая закономерность. Если, например, в начале «фильма» все частицы находились в каком-то определенном месте объема, то в дальнейшем они распределяются по объему более или менее равномерно, и если при демонстрации «фильма» обнаруживается, что частицы самопроизвольно скапливаются в каком-то месте, можно быть уверенным, что пленка прокручивается в обратном направлении. Такое поведение, когда отдельные состояния системы могут появляться только в определенной последовательности, называется необратимым.

Почти все реальные процессы в природы являются необратимыми: это и затухание маятника, и эволюция звезды, и человеческая жизнь. Необратимость процессов в природе как бы задает направление на оси времени от «прошлого» к «будущему». Это свойство времени английский физик и астроном А. Эддингтон образно назвал «стрелой времени».

Почему же несмотря на обратимость поведения одной молекулы, ансамбль из большого числа таких молекул ведет себя существенно необратимо? В чем природа необратимости? Как обосновать необратимость реальных процессов, опираясь на законы механики Ньютона? Эти и другие аналогичные вопросы волновали умы самых великих ученых XVIII - XIX веков.

Первоначально с проблемой необратимости столкнулись в области термодинамики, которая занимается тепловыми явлениями в природе. Следует отметить, что вплоть до начала XVIII века считалось, что эти явления обусловлены наличием в телах определенной «жидкости» теплорода. Этой концепции придерживались многие выдающиеся ученые. Гипотеза теплорода, хорошо объясняла процессы нагревания тел, их теплового расширения, теплообмен, и многие другие явления, она «не помешала» великому С. Карно заложить основы термодинамики и создать теорию тепловых машин. Именно Карно первым обратил внимание на необратимость тепловых процессов, которая, в частности, проявляется в том, что тепло не может самопроизвольно перетекать от холодного тела к горячему.

После отказа от гипотезы теплорода и перехода к молекулярно-кинетической модели тепловых явлений возникла надежда свести теплоту к механике, что на заре классического естествознания являлось «конечной целью» любой теории. Формально для этого надо было записать уравнения движения (m a = F) и задать начальные состояния каждой молекулы нагретого тела (например, газа). Однако ни решить такую «чудовищно» большую систему уравнений, ни, самое главное, проанализировать полученное решение, если бы даже его и удалось получить, оказалось невозможным. А значит, и природа необратимого поведения при механическом подходе к этой проблеме не раскрывается.