Почему время необратимо?

Выше мы уже предлагали для объяснения необратимости времени эксперимент, в ходе которого пленку какого-нибудь фильма запускают в обратном направлении. Зрители довольно быстро обнаружат подвох, даже не разобравшись в сюжете. В первую очередь из-за несоответствия физических процессов их естественному ходу. Поскольку нас здесь интересуют именно эти процессы, разберем их обстоятельнее.

Вот, например, брошенный кверху мяч снова будет пойман руками бросавшего его спортсмена. При обратном прокручивании почти ничего не изменится - мяч взлетит кверху и опять опустится. Почти! – и все-таки кое-что в движении мяча изменится. Взлетит он в прямом фильме с большей скоростью, чем упадет, а в обратном станет подниматься с меньшей, чем падать. Получается, что трение мяча о воздух не препятствует его полету, а подталкивает. Но в реальной жизни так не бывает.

Если мы попробуем проанализировать все несуразности "обратного" фильма с точки зрения физики, то обнаружим, что у них нарушаются два основных закона:

1. Закон постоянного увеличения энтропии (второе начало термодинамики);

2. Закон постоянного уменьшения потенциальной энергии взаимодействия частиц и образованных ими объектов.

Действительно, что такое трение? Это процесс, при котором направленное движение одного предмета относительно другого превращается в хаотическое движение близлежащих молекул обоих. Оба предмета нагреваются.

Что такое испарение воды? Это снижение степени упорядоченности в расположении молекул – молекулы пара более хаотичны в своем движении, чем воды, так как в ней у них есть граница – поверхность воды. И так далее.

Энтропия, как указывалось в предыдущей главе, свидетельствует о степени хаотичности движения. А хаотичное движение более вероятно, нежели упорядоченное. Поэтому все процессы в природе протекают так, что энтропия возрастает.

Во второй половине девятнадцатого века усилиями таких ученых, как Р. Клаузиус, лорд У. Кельвин, У. Гиббс и ряда других, был сформулирован [16] второй закон термодинамики, согласно которому нельзя преобразовать тепловое, хаотическое движение молекул в упорядоченное, не произведя в природе еще больше хаоса, т. е. не увеличив число или энергию хаотически движущихся молекул (первый законтермодинамики - закон сохранения энергии). Иными словами, все процессы в природе протекают в направлении увеличения энтропии, увеличения хаоса.

Все это дало основание английскому физику У. Томпсону (лорду Кельвину) сформулировать идею о тепловой смерти мира. Казалось бы, действительно, если все процессы связаны с увеличением энтропии, то, постепенно накопившись, она приведет к разрушению всех наблюдающихся миров – планет, звездных систем, Галактик, растений, животных, кристаллов. Все они превратятся в газ – хаотическое скопление элементарных частиц.

Произойдет ли это? И если да, то, как получилось, что все ныне наблюдающиеся мировые порядки возникли? Что, был творец, который их создал? И был момент сотворения мира? Или в природе есть что-то такое, что препятствует этому неудержимому сползанию к хаосу? Более того, ведет к постепенному, но неуклонному накоплению гармонии, порядка?

Прежде, чем начать отвечать на этот вопрос, следует установить, а является ли тенденция к постепенному нарастанию хаоса, определяемая вторым началом термодинамики, единственным необратимым процессом.

Даже небогатый опыт физических наблюдений подсказывает, что существует ещё немало необратимых процессов. Например, волны от брошенного в воду камня расходятся, а не сходятся. Аналогично свет от лампочки, или радиоволны от антенны.

Необратимыми являются процессы радиоактивного распада радия и других радиоактивных материалов.

Огромное количество космических тел ежедневно падает на Землю, Луну и другие планеты Солнечной системы в виде метеоритов. Однако о противоположных процессах – вылетанию с поверхности нашей планеты или других планет в космическое пространство тел в виде метеоритов – наблюдаемых данных почти нет.

Если свести воедино большинство необратимых во времени процессов, непосредственно не связанных с увеличением энтропии, то их можно определить как следствие фундаментальных взаимодействий – ядерных, электромагнитных и гравитационных [21].

Основная тенденция, вызываемая в природе этими взаимодействиями (кроме магнитного, о чём сказано ранее) – стремление к уменьшению потенциальной энергии.

В подавляющем большинстве случаев это ведёт к притяжению частиц и их скоплению в малом объёме. Действительно, у гравитационного и сильного ядерного взаимодействий минимум потенциальной множества частиц соответствует их максимальному сближению друг с другом.

Что касается электрического взаимодействия зарядов, то следует иметь в виду следующее. Суммы положительных и отрицательных зарядов всех объектов природы в их обычном, стационарном состоянии равны между собой. Поэтому следует рассмотреть множество одинакового числа положительных и отрицательных зарядов – рис.2.1. Нетрудно заключить, что минимум потенциальной энергии этого множество так же соответствует такому их расположению, при котором расстояния между зарядами минимально. Для доказательства выберем из множества частиц (рис.2.1) положительный заряд +q_к. Ясно, что суммарный заряд остального множества будет отрицательной -q_к.Следовательно, заряд +q_к будет притягиваться к центру масс остального подмножества [ ]. Если масса одного заряда +q_к намного меньше массы всех остальных зарядов, то центр масс подмножества практически совпадает с центром масс всего множества. Отсюда и следует, что все заряды смешанного множества притягиваются к этому центру масс.

Рисунок 2.1

Понижение потенциальной энергии множества равных количеств положительных и отрицательных электрических зарядов

Следует учесть, что при ускоренном движении заряженных частиц происходит излучение электромагнитной энергии в окружающую среду, что вызывает дополнительный хаос [21 ]. Кроме того, на достаточно близком расстоянии возникают так называемые квантовые эффекты.

Несмотря на все указанные дополнительные эффекты, стремление к уменьшению потенциальной энергии – также необратимый во времени процесс, направленный на увеличение плотности частиц в единице объёма. Это соответствует уменьшению энтропии и увеличению порядка.

Тенденция, вызываемая магнитным взаимодействием между движущимися заряженными частицами, хотя и приводит к возрастанию энергии магнитного поля [21,26 ],но тоже направлена в сторону увеличения порядка. Максимум этой энергии соответствует параллельному движению одноименных частиц на максимально близком расстоянии с одинаковой скоростью. Такое движение является упорядоченным. Как видим, и магнитное взаимодействие вызывает необратимый во времени процесс, направленный в сторону увеличения порядка.

Таким образом, можно заключить, что все виды фундаментальных взаимодействий создают в физической реальности устойчивую тенденцию к возрастанию порядка.

Поиск по сайту: