Карло Ровелли - Сім основних уроків з фізики

Таке внесення поняття ймовірністі до серця фізики і використовування його для пояснення основ термодинаміки спочатку вважалося абсурдним. Як часто буває, ніхто не сприймав Больцмана серйозно. П’ятого вересня 1906 року, в Дуїно, поблизу Трієста, він повісився, так і не ставши свідком подальшого загального визнання справедливості своєї ідеї.

На другому уроці я розповів про те, як квантова механіка припускає, що рух кожної речі у кожну хвилину відбувається випадково. Це також вводить у гру ймовірність. Але та ймовірність, яку мав на увазі Больцман, ймовірність, що лежить в основі тепла, має іншу природу і не залежить від квантової механіки. Ймовірність, що грає роль у вченні про тепло, у певному сенсі пов’язана з нашим незнанням .

Я не можу знати чогось напевне, але все ж таки можу припускати щось із більшою або меншою мірою ймовірності. Наприклад, я не знаю, чи піде завтра дощ тут або у Марселі, а може, буде сонячно чи піде сніг; але ймовірність того, що сніг піде тут, завтра – у Марселі, у серпні – є низькою. Точно так само стосовно багатьох фізичних об’єктів: ми знаємо дещо, але не все про їхній стан і можемо лише прогнозувати, ґрунтуючись на ймовірності. Уявіть собі надуту повітряну кулю. Я можу її виміряти: виміряти її форму, об’єм, тиск, температуру… Але молекули повітря всередині кулі стрімко рухаються, і я не знаю розташування кожної з них. Це заважає мені точно передбачити, як поводитиметься повітряна куля. Наприклад, якщо я розв’яжу вузол, що утримує повітря всередині, і відпущу кулю, вона буде шумно здуватися, літаючи туди-сюди по маршруту, який я не зможу передбачити. Не зможу, тому що я знаю тільки, яка в неї форма, об’єм, тиск і температура. Які петлі буде виписувати повітряна куля, залежить від конкретного розташування молекул усередині неї, якого я не знаю. Але навіть якщо я не можу передбачити все і точно, я можу передбачити ймовірність того, що станеться з тим чи іншим об’єктом. Наприклад, дуже малоймовірно, що повітряна куля вилетить з вікна, облетить навколо маяка там, вдалині, а потім повернеться, приземлившись мені на долоню, в ту саму точку, звідки була випущена. Певна форма поведінки є більш ймовірною, інша – малоймовірною.

У цьому ж сенсі ймовірність того, що, коли молекули стикаються, тепло переходить від гарячіших тіл до холодніших, може бути розрахована і виявляється набагато більшою, ніж ймовірність того, що тепло рухатиметься у бік гарячого тіла.

Галузь науки, яка роз’яснює ці речі, називається статистичною фізикою, і одним з її тріумфів, починаючи з Больцмана, було зрозуміння імовірнісного характеру тепла і температури, тобто термодинаміки.

На перший погляд, думка, що наше незнання дає можливість передбачати щось у поведінці світу, здається ірраціональною: холодна чайна ложка нагрівається в гарячому чаї, а повітряна кулька летить, якщо її випустити, незалежно від того, що я знаю і чого не знаю. Як наше знання чи незнання стосується законів, які керують світом? Правомірне запитання; відповісти на нього не так просто.

Чайна ложка і кулька поводяться так, як вони мусять, за законами фізики, абсолютно не зважаючи на те, що ми знаємо, а чого не знаємо про них. Передбачуваність або непередбачуваність поведінки не стосується їх точного стану; вона належить до обмеженого набору їхніх властивостей, з якими ми взаємодіємо. Цей набір властивостей залежить від нашого конкретного способу взаємодії з чайною ложкою або кулькою. Ймовірність, власне, не належить до еволюції матерії. Вона належить до еволюції тих конкретних величин, з якими ми взаємодіємо. Тут знову вимальовується глибоко відносна сутність понять, які ми використовуємо для упорядкування світу.

Холодна чайна ложка нагрівається в гарячому чаї, тому що чай і ложка взаємодіють з нами через обмежену кількість змінних з незліченної кількості змінних, які характеризують їхній мікростан. Значень цих змінних недостатньо, щоб точно передбачити майбутню поведінку (приклад із кулькою), але досить для прогнозування з оптимальною ймовірністю того, що ложка нагріється.

Сподіваюся, що не втратив уваги читача, заглибившись у ці тонкі відмінності…

Протягом ХХ століття термодінамика (тобто наука про тепло) і статистична механіка (тобто наука про ймовірність різних рухів) поширилися на електромагнітні та квантові явища. Однак поширити їх також на гравітаційне поле виявилося проблематичним. Як гравітаційне поле поводиться при нагріванні – і досі невирішене питання.