Вечность. В поисках окончательной теории времени - Кэрролл Шон - Страница 56

Это подразумевает необходимость иного подхода к определению энтропии, и альтернативный взгляд традиционно связывают с именем Джозайи Уилларда Гиббса (в действительности Больцман исследовал похожие определения, но нам удобнее ассоциировать новый подход именно с Гиббсом, потому что у Больцмана уже один есть). Вместо того чтобы рассматривать энтропию как характеристику состояний, а именно числа других состояний, макроскопически неотличимых от рассматриваемого, — мы могли бы считать энтропию мерой того, что нам известно о состоянии. В больцмановском подходе сведения о том, в каком макросостоянии мы находимся, по мере увеличения энтропии теряют информативность: мы не понимаем, о каком микросостоянии идет речь. Гиббс то же самое рассматривает с другой стороны, и у него энтропия определяется в терминах того, как много мы знаем. Вместо того чтобы фильтровать пространство состояний, мы начинаем с распределения вероятностей, указывающего для каждого возможного микросостояния шанс, что система действительно сейчас находится в нем. Также Гиббс дает нам формулу, аналогичную больцмановской, для расчета энтропии, связанной с данным распределением вероятностей.[144] Ничего огрублять не приходится.

И все же ни больцмановскую формулу для энтропии, ни формулу Гиббса нельзя назвать «правильной». Мы сами вводим эти определения, манипулируем ими и используем для того, чтобы лучше понять мир; у каждой свои преимущества и недостатки. Формулу Гиббса часто применяют в прикладных задачах по одной простой причине: ее проще использовать. Поскольку огрубление отсутствует, дискретного изменения значения энтропии при переходе системы от одного макросостояния к другому не происходит — это важное преимущество, упрощающее решение уравнений.

Однако подход Гиббса обладает двумя заметными недостатками. Один из них эпистемологический: идея «энтропии» здесь связывается с нашими знаниями о системе, а не с самой системой. У людей, старающихся с большой осторожностью рассуждать о том, что же такое на самом деле энтропия, это продолжает вызывать страшную головную боль, и споры насчет обоснованности этого подхода не утихают. Но тот подход, которого я решил придерживаться в этой книге: считать энтропию характеристикой состояния, но не характеристикой наших знаний о нем, — вроде бы позволяет избежать большинства проблемных вопросов.

Второй недостаток куда значительнее: если вам известны законы физики и вы примените их для изучения эволюции «энтропии Гиббса» с течением времени, вы обнаружите, что ее величина не меняется. Если вдуматься, то никакой ошибки здесь нет. Энтропия Гиббса описывает то, насколько хорошо мы понимаем текущее состояние системы. Однако при условии обратимости физических законов данная величина меняться не будет, ведь информация не возникает и не разрушается. Для того чтобы энтропия увеличивалась, в будущем у нас должно стать меньше сведений о состоянии системы, чем есть сейчас; но мы всегда можем прокрутить пленку назад и посмотреть, что было раньше, поэтому такая ситуация невозможна. Вывести второе начало термодинамики или что-то подобное, придерживаясь подхода Гиббса, можно только в том случае, если «забыть» часть информации о движении. Но если копнуть поглубже, то станет очевидно, что с философской точки зрения это то же самое, что огрубление, с которым мы имели дело в больцмановском подходе; просто мы перенесли процедуру «забывания» из пространства состояний на уравнения движения.

Тем не менее практическая польза формулы Гиббса для определенных приложений не вызывает сомнения, и ученые продолжают активно пользоваться ею. Однако и это еще не конец истории; существует несколько других известных подходов к изучению энтропии, а в литературе непрерывно продолжают появляться упоминания о новых. Ничего странного в этом нет; в конце концов, определения Больцмана и Гиббса должны были заменить вполне достойное определение энтропии, данное Клаузиусом, но оно и по сей день используется под названием термодинамической энтропии. После появления на сцене квантовой механики Джон фон Нейман предложил формулу для энтропии, особым образом адаптированную под квантовый мир. Клод Шеннон сформулировал определение энтропии, очень близкое по духу к гиббсоновскому, однако в рамках информационной теории, а не физики — об этом мы поговорим в следующей главе. Смысл не в том, чтобы найти одно-единственное истинное определение энтропии. Ученые придумывают понятия, служащие полезным целям в определенных случаях, и это абсолютно нормально. Не позволяйте никому одурачить вас заявлениями о «единственно верном определении», уникальным образом раскрывающем суть такого явления, как энтропия.

Точно так же, как существует несколько определений энтропии, есть множество различных «стрел времени» — еще один потенциальный источник мошенничества. Мы рассматривали термодинамическую стрелу времени, определяемую энтропией и вторым началом термодинамики. Но можно также говорить о космологической стреле времени (Вселенная расширяется), психологической стреле времени (мы помним прошлое, но не будущее), стреле времени излучения (электромагнитные волны расходятся прочь от движущихся зарядов, а не притягиваются к ним) и т. д. Все это разнообразие стрел времени естественным образом подразделяется на несколько категорий. Часть из них, например космологическая стрела, отражает факты об эволюции Вселенной, но тем не менее обладает свойством обратимости. Вполне возможно, что окончательное объяснение термодинамической стрелы времени также раскроет нам глаза на космологическую стрелу (и это действительно кажется весьма вероятным); в то же время с точки зрения микроскопических законов физики расширение Вселенной не представляет никакой загадки в отличие от увеличения энтропии. Другие стрелы, отражающие поистине необратимые процессы, — психологическую стрелу, стрелу излучения и даже стрелу, определяемую квантовой механикой, мы будем исследовать позже. Все они кажутся отражениями одних и тех же глубинных причин, характеризуемых изменением энтропии. Разобраться в подробностях, как они все взаимосвязаны, несомненно, важно и интересно, однако я продолжу использовать термин «стрела времени», имея в виду одну конкретную стрелу — ту, что основывается на увеличении энтропии.

Доказательство второго начала термодинамики

После того как Больцману открылся смысл энтропии как меры количества микросостояний, соответствующих выбранному макросостоянию, он поставил себе новую цель: уже на этом уровне понимания установить происхождение второго начала термодинамики. Я уже рассказывал об основных причинах, почему второе начало действительно работает: состояний с высокой энтропией намного больше, чем с низкой, а разные начальные состояния в процессе развития приходят к разным конечным состояниям, поэтому большую часть времени (с действительно подавляющей вероятностью) можно ожидать, что энтропия будет увеличиваться. Однако Больцман был истинным ученым, и ему недостаточно было лишь этого. Он хотел доказать, что второе начало термодинамики следует из его определения.

Довольно непросто вообразить себя на месте ученого, занимающегося исследованием термодинамики в конце XIX века. Эти ребята чувствовали, что неспособность энтропии уменьшаться в замкнутой системе не просто отличная идея, а закон. Мысль о том, что энтропия, вероятно, будет увеличиваться, казалась им не более правдоподобной, чем, например, предположение о том, что энергия, вероятно, будет сохраняться. И правда, числа настолько ошеломляюще велики, что вероятностные выводы статистической механики можно было бы использовать как абсолютно верные для всех практических задач. Тем не менее Больцман стремился продемонстрировать нечто более определенное.

В 1872 году Больцман (в то время ему было двадцать восемь лет) опубликовал статью, в которой предлагал использовать для доказательства того, что энтропия всегда будет либо увеличиваться, либо оставаться постоянной, кинетическую теорию. Этот результат называется H-теоремой, которая с того самого времени остается источником множества споров в научной среде. Даже сегодня одни люди уверены, что H-теорема объясняет незыблемость второго начала термодинамики в реальном мире, тогда как другие полагают ее всего лишь забавным пережитком истории интеллектуальной мысли. Правда в том, что это действительно чрезвычайно интересный результат для статистической механики, но «доказать» второе начало он все же не в силах.