Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности.

Нагретые тела сами собой остывают, передавая свою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но на самом деле не происходит.

Другой пример. Колебания маятника, выведенного из положения равновесия, затухают (рис. 5.11; 1, 2, 3, 4 - последовательные положения маятника при максимальных отклонениях от положения равновесия). За счет работы сил трения механическая энергия убывает, а температура маятника и окружающего воздуха слегка повышается. Энергетически допустим и обратный процесс, когда амплитуда колебаний маятника увеличивается за счет охлаждения самого маятника и окружающей среды. Но такой процесс никогда не наблюдался. Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю, но не наоборот. При этом упорядоченное движение тела как целого превращается в неупорядоченное тепловое движение слагающих его молекул.

Число подобных примеров можно увеличить практически неограниченно. Все они говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них - старение и смерть организмов.

Уточним понятие необратимого процесса. Необратимым процессом может быть назван такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Так, в примере с маятником можно вновь увеличить амплитуду колебаний маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличение амплитуды возникает не само собой, а становится возможным в результате более сложного процесса, включающего толчок рукой. Можно в принципе перевести теплоту от холодного тела к горячему, но для этого нужна холодильная установка, потребляющая энергию, и т. д.

Математически необратимость механических процессов выражается в том, что уравнения движения макроскопических тел изменяются с изменением знака времени. Они, как говорят, не инвариантны при преобразовании t ® -t. Ускорение не меняет знака при t ® -t. Силы, зависящие от расстояний, также не меняют знака. Знак при замене t на -t меняется у скорости. Именно поэтому при совершении работы силами трения, зависящими от скорости, кинетическая энергия тела необратимо переходит во внутреннюю.

Хорошей иллюстрацией необратимости явлений в природе служит просмотр кинофильма в обратном направлении. Например, падение хрустальной вазы со стола будет выглядеть следующим образом. Лежащие на полу осколки вазы устремляются друг к другу и, соединяясь, образуют целую вазу. Затем ваза возносится вверх и вот уже спокойно стоит на столе. То, что мы видим на экране, могло бы происходить в действительности, если бы процессы можно было обратить. Нелепость происходящего проистекает из того, что мы привыкли к определенной направленности процессов и не допускаем возможности их обратного течения. А ведь такой процесс, как восстановление вазы из осколков, не противоречит ни закону сохранения энергии, ни законам механики, ни вообще каким-либо законам, кроме второго закона термодинамики, который мы сформулируем в следующем параграфе.

Процессы в природе необратимы. Наиболее типичными необратимыми процессами являются:

1) переход теплоты, от горячего тела к холодному;

2) переход механической энергии во внутреннюю.

Научный метод имеет строго определенные «правила» построения любой науки. Каждая наука имеет предмет изучения и справедлива только в определенных границах. Создание упрощенной модели любого явления – необходимость. Без упрощений, создания некоторой модели явления невозможно осуществить его количественную оценку. Здание внутренне непротиворечивой теории можно возвести только на фундаменте четко оговоренных постулатов, допущений. Современные приборы, более совершенные, чем те, которыми пользовались Галилей и Ньютон, позволяют повысить точность измерений и расширяют границы исследуемого. Но закон всемирного тяготения, установленный Ньютоном, как обобщение известных экспериментальных фактов, не претерпел изменений, также как и закон падения тел, открытый Галилеем. Законы движения планет не изменились, планеты Нептун и Плутон были открыты именно вследствие справедливости теории, в основе которой лежит закон всемирного тяготения. Именно в этом принципиальное их отличие от, например, диаграммы Герцшпрунга- Рессела, иллюстрирующей «эволюцию» звезд. Не говоря уже о том, что далеко не все звезды «укладываются» в эту диаграмму, она базируется на знании массы звезд, которую невозможно измерить прямыми методами, и на никогда не наблюдавшихся экспериментально превращениях звезд одного типа в другие. Т.е. представляет собой наукообразный вымысел, или более мягко говоря непроверенную и непроверяемую гипотезу. Тем не менее, она (диаграмма) украшает форзацы учебников астрономии, вкладывая в головы школьников все те же эволюционные идеи.
В чем здесь дело? В желании убедить! К науке такие методы отношения не имеют!
Современная наука, развивающаяся по своим объективным законам, достигла огромных результатов, о чем свидетельствуют достижения техники. Прикладная наука базируется на фундаментальной, которая в свою очередь расширяет свои возможности за счет создания и внедрения новых более совершенных приборов и даже методов исследования. Это объективная реальность. Но нельзя не понимать, что возможности науки в познании мира ограничены, о чем говорилось ранее. И любой выход за границы ведет к ошибке. К сожалению, желание убедить в некоторых случаях оказывается сильнее, чем научная достоверность. Учебник по астрономии – яркий пример пестрой смеси из научных фактов и «смелых гипотез».
Галилео Галилей
Галилео Галилей родился 15 февраля 1564 г. в Пизе в обедневшей дворянской семье, а умер 3 января 1642 г. в Арчетри. Погребен он во Флоренции рядом с Микеланджело Буанаротти и Данте Алигьери. Ученым надо родиться, занятия наукой для великих людей это не профессия, а образ жизни. Поэтому слова Винченцо Вивиани (1622 - 1703), ученика Галилея о том, что Галилей открыл закон постоянства периода качания маятника, наблюдая раскачивание лампады в Пизанском соборе и измеряя время по биению собственного пульса, безусловно справедливы (хотя скептики считают это легендой).
Отец будущего ученого был видным теоретиком музыки и математиком. Подростком, в монастырской школе во Флоренции, Галилей впервые познакомился с трудами греческих и латинских авторов. В 1581 г. Галилей начал обучаться медицине в Пизанском университете. Там он самостоятельно изучает физику Аристотеля, сочинения Евклида и Архимеда. В 1589 г. он был уже назначен профессором в Пизанский университет, и сразу же проявляет независимость своего мышления. В трактате « О движении», написанном по-латыни, он опровергает господствовавшее в науке мнение Аристотеля о пустоте и о теории движения, поддерживаемого воздухом. Если средой, пишет Галилей, в которой движутся тела, является не воздух, а вода, то некоторые тела, например дерево, становятся легкими и изменяют направление своего движения. Следовательно, движутся они вверх или вниз зависит от их удельного веса по отношению к окружающей среде. Кроме того, в присутствии учеников Аристотеля (перипатетиков) Галилей доказал с большой торжественностью в опытах на Пизанской башне, что скорость падающих тел не зависит от их веса. Эти опыты стали «классическими» и были повторены многими естествоиспытателями: Д.Б. Бальяни, В. Раньери, и т. д. К пизанскому периоду относятся и изобретение «биланчетты» - гидравлических весов для измерения плотности твердых тел, и исследование центров тяжести, которое принесло Галилею славу опытного геометра. Но, как это часто бывает в жизни, все это вызвало недоброжелательное отношение к ученому, поэтому он стал искать себе более удобное место.
В 1592 г. Галилей получил место профессора математики в Падуанском университете, где он пробыл 18 лет; эти годы были наиболее спокойные и продуктивные в его бурной жизни. Галилей читал лекции по геометрии, астрономии, механике для теологов, философов и медиков. В этот период был составлен трактат « О механической науке и о пользе, которую можно извлечь из механических инструментов». Кроме того, к этому периоду относится и опыт с термоскопом - прообразом термометра. До Галилея сама возможность измерения степени тепла и холода казалась невероятной, так как холод и тепло представлялись различными свойствами, перемешанными в материи.
Разделение свойств на первичные и вторичные - характерная особенность научной позиции Галилея, за что он и подвергался критике, обвиняющей его в философском дуализме. Аналогичной позиции придерживался и Демокрит, которого Галилей цитировал в своих работах.
В конце 1608 начале 1609 г. в Венеции распространились слухи об изобретении подзорной трубы. Галилей в это время в области оптики имел слабую подготовку, тем не менее, он взялся за изготовление этого инструмента. Талант ученого и наблюдательность (посещение стекольных мастерских своего друга Маганьяти в Мурано) позволили Галилею и в этой области достичь успеха, и об этом он рассказал в «Звездном вестнике». Безусловно, изобретение Галилеем телескопа (хотя первоначальное его увеличение составляло 3 , а затем 32) колоссально расширило возможности изучения окружающего мира. Галилей обнаружил в облаках Млечного пути скопище звезд, которые раньше казались маленькими млечными пятнами. Впоследствии он изучил поверхности Луны и Солнца (обнаружил солнечные пятна, доказал, что Солнце вращается вокруг своей оси), открыл спутники у Юпитера и фазы у Венеры, объяснил «пепельный свет» Луны, показал, что Луна, Земля и все планеты светят отраженным светом. Кроме того, Галилей убедился в истинности гелиоцентрической системы мира Коперника.
Громкая слава, которую принес Галилею его «Звездный вестник» , позволила ему занять место первого математика Пизанского университета без обязательства жить там и читать лекции. Поэтому Галилей поселился в Арчетри, близ Флоренции. Там он продолжил свои астрономические наблюдения и физические исследования. Было показано различными способами, что воздух имеет вес (это утверждал и Аристотель, но его комментаторы сочли нужным исправить это мнение!). Галилей получил соотношение удельного веса воздуха к удельному весу воды 1:400. Современные ему критики нашли экспериментальное искусство ученого очень незначительным, а нам, учитывая экспериментальные возможности того времени, эта точность кажется замечательной. Более точное значение было получено через полстолетия Бойлем, который уже имел к тому времени пневматический насос.
В 1632 г. во Флоренции вышел знаменитый труд Галилея «Диалог о двух главнейших системах мира - птоломеевой и коперниковой». Это произведение состоит из четырех диалогов, каждый из которых считается происходившим в течение одного дня. В диалоге участвуют три человека, один из которых представляет самого Галилея, другой (перипатетик) защищает философию последователей Аристотеля, третий - просвещенный человек со здравым смыслом, который как бы является беспристрастным судьей. «День первый» посвящен главным образом обсуждению учения о неизменности и нетленности небесного мира, в частности, солнечным пятнам, гористой поверхности Луны. При этом второй собеседник отрицает все научные достижения и открытия. «День второй» посвящен, в основном, обсуждению вопроса о движении Земли. Здесь закладываются основы современной динамики: принцип инерции и классический принцип относительности. Принцип инерции доказывается с помощью рассуждения, напоминающего доказательство «от противного» в математике. Принцип относительности Галилея (или преобразования Галилея) не потерял своего огромного значения и в наше время, заняв прочное и почетное место в классической физике. «Неторопливо и обстоятельно описывает великий ученый свой принцип: уединитесь с кем-либо из друзей в просторное помещение под палубой корабля, запаситесь мухами, бабочками и другими летающими насекомыми, пусть у вас будет сосуд с плавающими рыбками; подвесьте наверху ведерко, из которого вода будет капать капля за каплей в другой сосуд с узким горлышком, поставленный внизу. Пока корабль стоит неподвижно, наблюдайте прилежно! ...хотя у вас не возникает сомнения, что корабль стоит неподвижно. Заставьте теперь корабль двигаться с любой скоростью (только без толчков и качки) так же рыбы будут плавать безразлично в любых направления, насекомые летать с одной и той скоростью в разные стороны, капли падать в узкое отверстие, как и раньше! Во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения! И причина согласованности всех этих явлений в том, что движение корабля обще всем находящимся в нем предметам...». Лучше не скажешь! Современный язык лаконичнее и «переведен» на язык математики: принцип относительности означает инвариантность законов механики по отношению к преобразованиям Галилея, но неторопливая «музыка» подлинника восхищает и сегодня.
«День третий» начинается продолжительной дискуссией о новой звезде 1604 г. Затем разговор переходит на главную тему - о годичном движении Земли. Наблюдения движения планет, фаз Венеры, спутников Юпитера, солнечных пятен - все эти аргументы позволяют Галилею показать несоответствие учения Аристотеля данным астрономических наблюдений и обосновать возможность гелиоцентрической системы мира и с геометрической и с динамической точек зрения.
«День четвертый» посвящен морским приливам и отливам, которые Галилей ошибочно связывает с движением Земли, хотя в то время уже существовала гипотеза о возникновении приливов и отливов под действием Луны и Солнца. Действие Луны и Солнца в данном случае ученый считал «оккультным свойством притяжения небесных тел» и не разделял его.
Опубликование «Диалога» - источника несчастий всей его последующей жизни - знаменательное событие в истории всей человеческой мысли. Борьба мировоззрений - борьба не на жизнь, а на смерть!
Следующий великий труд «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению», который сам Галилей справедливо называл шедевром, был опубликован в Лейдене в 1638 г. В нем было приведено систематическое изложение всех открытий Галилея в области механики. Работа так же написана в форме диалога тех же участников. Но общий тон работы более спокойный, как будто уже не существует противников - приверженцев идей Аристотеля, и восторжествовало новое мировоззрение.
«День первый» начинается с дискуссии о скорости света. Фактически опыт, описанный в этой работе, повторил Физо через 250 лет. Галилей в то время не сумел провести этот сложный эксперимент, но его заслуга в постановке этой экспериментальной и теоретической задачи бесспорна. Дальше рассматриваются проблемы движения, изучаются колебания маятников, обсуждаются акустические явления: получение звука с помощью колебаний, частота которых определяет высоту тона звука, волновое распространение в воздухе, явление резонанса, акустические интервалы. Таким образом, Галилей заложил основы современной акустики.
«День второй» посвящен сопротивлению материалов при различных способах воздействия на них. И хотя эти рассуждения не имеют в настоящее время практического применения, их научная ценность, как прообраза науки о сопротивлении материалов бесспорна. Следующий этап, переходящий в третий и четвертый дни, - динамика. Торжественно звучит фраза - «о предмете древнейшем создаем науку новейшую». Кратко рассматривается равномерное движение, подробно и интересно рассматривается ускоренное движение. Рассматриваются законы пропорциональности скорости падения и времени падения, и формулируется принцип (названный впоследствии принципом Торричелли) о движении центра тяжести механической системы. Кроме того, выполнены оригинальные работы по движению тел по наклонной плоскости и о движении «брошенных» тел. Впервые показывается, что в этом случае траектория движения - парабола, доказывается целый ряд теорем.
Хронологический метод изложения, применявшийся до сих пор, позволил показать глубину и широту научных интересов и фундаментальных открытий Галилея. Но, может быть, еще важнее новый образ мышления, который ввел Галилей при исследовании природы.
Когда говорят, что Галилей был основателем экспериментального метода, то это следует понимать не просто как применение эксперимента для познания природы (в грубой форме опыты ставились еще со времен античности), но как некой философской концепции, заключающейся в беспристрастности оценок и обязательной проверки истинности результата. То есть то, что мы сейчас называем научной достоверностью и научной добросовестностью (от слова совесть).
Таким образом, задача физика - придумать эксперимент, повторить его несколько раз, исключив или уменьшив влияние возмущающих факторов, уловить в неточных (так как точность любого опыта зависит от его методики, и «абсолютно» точных результатов не может быть) экспериментальных данных математические законы, связывающие величины, характеризующие явление, предусмотреть новые эксперименты для подтверждения - в пределах экспериментальных возможностей - сформулированных законов, и найдя подтверждения, идти дальше с помощью дедуктивного метода и найти новые следствия из этих законов, в свою очередь подлежащие проверке. (Некоторые философы, чисто теоретически разрабатывали экспериментальные методы, которым ни один физик никогда не следовал.)
Галилей нигде не дает абстрактного изложения своего экспериментального метода. Весь этот подход дан в конкретном приложении к исследованию частных явлений природы. Во всех его изысканиях можно выделить четыре момента. Первый - это чувственный опыт, привлекающий наше внимание к изучению природы, но не устанавливающий ее законы. Второй - аксиома или рабочая гипотеза. В этом центральный момент - момент творческого осмысления увиденного, сходный с интуицией художника, не поддающийся теоретическому обоснованию. Третий - математическое развитие - нахождение логических закономерностей и следствий. Четвертый - опытная проверка как высший критерий всего пути развития.
Такая личность, как Галилей, движимый столь разнообразными побуждениями, столь свободный от груза традиций, не может быть втиснута в какую-то жесткую схему. Вопрос о философских воззрениях Галилея обсуждался и обсуждается и сейчас. Его называли и последователем Платона, и Демокрита, и Канта, и позитивистом и т.д. Сам он на обложке собрания своих сочинений хотел видеть слова «Отсюда станет понятным на бесчисленных примерах, сколь полезна математика в заключениях, касающихся того, что предлагает нам природа и насколько невозможна настоящая философия без помощи геометрии, в соответствии с истиной, провозглашенной Платоном».

Список литературы
1. Марио Льоцци. История физики. Москва, Мир, 1970. -464 с.
2. М. Лауэ. История физики. Москва., Гос. изд-во технико- теоретической лит-ры,1956. -230 с.
3. А.И. Еремеева., Ф.А. Цицин. История астрономии. Москва, Изд-во МГУ.1989. -349с.
и т.д.................

Устранение из термодинамики "закона" возрастания энтропии или даже понятия энтропии не устранит из нее посылок, на основе которых возможно получение противоречащих диалектическому материализму следствий. Существует еще одно сомнительное с точки зрения диалектического материализма положение термодинамики -- утверждение, будто неравновесные процессы, протекающие в природе, являются необратимыми. Согласно определению, "любой процесс, переводящий изолированную систему из состояния 1 в состояние 2, есть процесс необратимый, если процесс, имеющий единственным своим результатом возвращение системы из состояния 2 в 1, невозможен" 3 .

Допущение необратимости природных процессов в сочетании с пониманием того, что совокупность всех природных процессов есть движение материи (Вселенной), влечет заключение о необратимой эволюции Вселенной. Если допустить, что "невозможно каким бы то ни было способом сполна обратить процесс, при котором тепло возникает благодаря трению" 4 , что "фактически в природе нет процессов, которые бы не сопровождались трением" 1 , то нельзя избежать заключения о постоянном накоплении во Вселенной тепла и движении Вселенной к тепловой смерти.

Соответственно, для опровержения вывода о необратимой эволюции материи необходимо доказать, что процессы превращения форм движения и материи не являются необратимыми. А для опровержения вывода о грядущем превращении всех форм энергии в тепло необходимо опровергнуть представление, будто необратимым является процесс образования тепла путем трения. Это несложно сделать, если учитывать одно обстоятельство, которое касается сущности термодинамической необратимости.

"Из того, что процесс сам по себе не идет в обратном направлении, еще не следует, что он необратим".

То, что какой-то процесс является необратимым (обратимым), не может быть очевидным. Поэтому в курсах термодинамики приводят доказательства существования необратимых процессов. Доказательство состоит из двух частей. Сначала доказывают необратимость ряда процессов (образования тепла путем трения, расширения газа в пустоту, перехода тепла от нагретого тела к холодному, смешения газов), основываясь на постулатах Клаузиуса либо Томсона-Планка, а затем делают заключение:

"Так как фактически в природе нет процессов, которые бы не сопровождались трением или переходом тепла благодаря теплопроводности, то все природные процессы в действительности необратимы...".

Отсюда следует вывод, все процессы превращения конечных форм движения материи во Вселенной являются непосредственно необратимыми, поскольку являются процессами развития. Но при этом Вселенная в целом не меняется -- это и есть мировой круговорот.

Заключение

В заключении подведем некоторые выводы:

Логическими основаниями гипотезы тепловой смерти Вселенной являются:

Ложное положение о невозможности полного превращения теплоты в другие формы движения;

Ложное положение о невозможности превращения теплоты в другие формы движения при постоянной температуре и необходимости разности температур для такого превращения;

Ложное положение о деградации (потере способности к дальнейшим превращениям) энергии в природных процессах;

Ложное положение о "второсортности" теплоты как вида энергии, ее меньшей, по сравнению с другими формами движения, способности к превращению в другие формы движения (виды энергии);

Ложное положение о неизбежном переходе всякой изолированной системы в равновесие;

Не имеющий исключений "закон" возрастания энтропии, который не позволяет сделать никакого заключения о естественных процессах, кроме того, что во всех этих процессах энтропия возрастает;

Гипотетическое положение о необратимости процессов преобразования форм движения, протекающих в природе.

Также хочется сказать, что Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма заложена присущая материи способность к самоорганизации, проявляющаяся в критических точках системы. Самая крупная из известных человеку систем - это развивающаяся Вселенная.

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности.

Примеры необратимых процессов. Нагретые тела постепенно остывают, передавая свою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного

тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но такой процесс никогда не наблюдался.

Другой пример. Колебания маятника, выведенного из положения равновесия, затухают (рис. 49; 1, 2, 3, 4 - последовательные положения маятника при максимальных отклонениях от положения равновесия). За счет работы сил трения механическая энергия убывает, а температура маятника и окружающего воздуха (а значит, и их внутренняя энергия) слегка повышается. Энергетически допустим и обратный процесс, когда амплитуда колебаний маятника увеличивается за счет охлаждения самого маятника и окружающей среды. Но такой процесс никогда не наблюдался. Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю, но не наоборот. При этом упорядоченное движение тела как целого превращается в неупорядоченное тепловое движение слагающих его молекул.

Общее заключение о необратимости процессов в природе. Переход теплоты от горячего тела к холодному и механической энергии во внутреннюю - это примеры наиболее типичных необратимых процессов. Число подобных примеров можно увеличить практически неограниченно. Все они говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них - старение и смерть организмов.

Точная формулировка понятия необратимого процесса. Для правильного понимания существа необратимости процессов необходимо сделать следующее уточнение. Необратимым называется такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Так, можно вновь увеличить размах колебаний маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличение возникает не само собой, а становится возможным в результате более сложного процесса, включающего движение руки.

Можно в принципе перевести теплоту от холодного тела к горячему. Но для этого нужна холодильная установка, потребляющая энергию.

Кино «наоборот». Яркой иллюстрацией необратимости явлений в природе служит просмотр кинофильма в обратном направлении. Например, прыжок в воду будет при этом выглядеть следующим образом. Спокойная вода в бассейне начинает бурлить, появляются ноги, стремительно движущиеся вверх, а затем

и весь ныряльщик. Поверхность воды быстро успокаивается. Постепенно скорость ныряльщика уменьшается, и вот уже он спокойно стоит на вышке. То, что мы видим на экране, могло бы происходить в действительности, если бы процессы можно было обратить. «Нелепость» происходящего проистекает из того, что мы привыкли к определенной направленности процессов и не сомневаемся в невозможности их обратного течения. А ведь такой процесс, как вознесение ныряльщика на вышку из воды, не противоречит ни закону сохранения энергии, ни законам механики, ни вообще каким-либо законам, кроме второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.

Есть несколько формулировок второго закона, которые, несмотря на внешнее различие, выражают, в сущности, одно и то же и поэтому равноценны.

Немецкий ученый Р. Клаузиус сформулировал этот закон так: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.

Здесь констатируется опытный факт определенной направленности теплопередачи: теплота сама собой переходит всегда от горячих тел к холодным. Правда, в холодильных установках осуществляется теплопередача от холодного тела к более теплому, но эта передача связана с «другими изменениями в окружающих телах»: охлаждение достигается за счет работы.

Важность этого закона состоит в том, что из него можно вывести заключение о необратимости не только процесса теплопередачи, но и других процессов в природе. Если бы теплота в каких-либо случаях могла самопроизвольно передаваться от холодных тел к горячим, то это позволило бы сделать обратимыми и другие процессы. В частности, позволило бы создать двигатели, полностью превращающие внутреннюю энергию в механическую.

Второй закон термодинамики констатирует факт необратимости процессов в природе, но не дает ему никакого объяснения. Это объяснение может быть получено только на основе молекулярно-кинетической теории, и оно является далеко не простым.

Противоречие между обратимостью микропроцессов и необратимостью макропроцессов

Необратимость макропроцессов выглядит парадоксально, потому что все микропроцессы обратимы во времени. Уравнения движения отдельных микрочастиц, как классические, так и квантовые, обратимы во времени, ибо никаких сил трения, зависящих от скорости, не содержат. Сила трения - это макроскопический эффект от взаимодействия большого тела с огромным количеством молекул окружающей среды, и появление этой силы само нуждается в объяснении. Силы, посредством которых взаимодействуют микрочастицы (в первую очередь это электромагнитные силы), по времени обратимы. Уравнения Максвелла, описывающие электромагнитные взаимодействия, не меняются при замене t на - t .

Если взять простейшую модель газа - совокупность упругих шариков, то газ в целом будет обнаруживать определенную направленность поведения. Например, будучи сжат в половине сосуда, он начнет расширяться и займет весь сосуд. Снова он не сожмется. Уравнения же движения каждой молекулы-шарика обратимы по времени, так как содержат только силы, зависящие от расстояний и проявляющиеся при столкновении молекул.

Таким образом, задача состоит не только в объяснении происхождения необратимости, но и в согласовании факта обратимости микропроцессов с фактом необратимости макропроцессов.

Заслуга в нахождении принципиально правильного подхода к решению этой проблемы принадлежит Больцману. Правда, некоторые аспекты проблемы необратимости до сих пор не получили исчерпывающего решения.

Житейский пример необратимости

Приведем простой житейский пример, имеющий, несмотря на свою тривиальность, прямое отношение к решению проблемы необратимости Больцманом.

Допустим, с понедельника вы решили начать новую жизнь. Непременным условием этого обычно является идеальный или близкий к идеальному порядок на письменном столе. Вы расставляете все предметы и книги на строго определенные места, и у вас на столе царит состояние, которое с полным правом можно назвать состоянием «порядок».

Что произойдет с течением времени, хорошо известно. Вы забываете ставить предметы и книги на строго определенные места, и на столе воцаряется состояние хаоса. Нетрудно понять, с чем это связано. Состоянию «порядок» отвечает только одно определенное расположение предметов, а состоянию «хаос» - несравнимо большее число. И как только предметы начнут занимать произвольные положения, не контролируемые вашей волей, на столе само собой возникает более вероятное состояние хаоса, реализуемое гораздо большим числом распределений предметов на столе.

В принципе именно такие соображения были высказаны Больцманом для объяснения необратимости макропроцессов.

Микроскопическое и макроскопическое состояния

Нужно прежде всего различать макроскопическое состояние системы и ее микроскопическое состояние.

Макроскопическое состояние характеризуется немногим числом термодинамических параметров (давлением, объемом, температурой и др.), а также такими механическими величинами, как положение центра масс, скорость центра масс и др. Именно макроскопические величины, характеризующие состояние в целом, имеют практическое значение.

Микроскопическое состояние характеризуется в общем случае заданием координат и скоростей (или импульсов) всех частиц, составляющих систему (макроскопическое тело). Это несравненно более детальная характеристика системы, знание которой совсем не требуется для описания процессов с макроскопическими телами. Более того, знание микросостояния фактически недостижимо из-за огромного числа частиц, слагающих макротела.

В приведенном выше житейском примере с предметами на столе можно ввести понятия микро- и макросостояний. Микросостоянию отвечает какое-то одно определенное расположение предметов, а макросостоянию - оценка ситуации в целом: либо «порядок», либо «хаос».

Вполне очевидно, что определенное макросостояние может быть реализовано огромным числом различных микросостояний. Так, например, переход одной молекулы из данной точки пространства в другую точку или изменение ее скорости в результате столкновения изменяют микросостояние системы, но, конечно, не меняют термодинамических параметров и, следовательно, макросостояния системы.

Теперь введем гипотезу, не столь очевидную, как предшествующие утверждения: все микроскопические состояния замкнутой системы равновероятны; ни одно из них не выделено, не занимает преимущественного положения. Это предположение фактически эквивалентно гипотезе о хаотическом характере теплового движения молекул.