Брайан Грин - Брайан Грин. Ткань космоса - Пространство, время и структура реальности

10. Особенно, мы знаем один путь, на котором это должно произойти: если несколькими днями ранее молекулы СО 2первоначально были в бутылке, тогда мы знаем из нашего обсуждения выше, что если прямо сейчас вы одновременно замените на противоположные скорости всех и каждой молекулы СО 2, также каждой молекулы или атома, которые любым образом взаимодействовали с молекулами СО 2, и подождете те же несколько дней, молекулы соберутся все назад вместе в бутылку. Но это обращение скорости не та вещь, которую можно исполнить на практике, не считая того, что это, возможно, произойдет по их собственному согласию. Я должен заметить, что было доказано математически, что если вы ждете достаточно долго, молекулы СО 2по своей собственной воле все найдут свой путь назад в бутылку . Результат, доказанный в 1800е французским математиком Жозе Лиувиллем, можно использовать для установления того, что известно как реккурентная теорема Пуанкаре. Эта теорема показывает, что если вы достаточно долго ждете, система с конечной энергией и ограниченная конечным пространственным объемом (вроде молекул СО 2в закрытом помещении) будет возвращаться в состояние, произвольно близкое к ее начальному состоянию (в нашем случае все молекулы СО 2расположились в бутылке колы). Загвоздка в том, как долго вам придется ждать, чтобы это случилось. Для систем с любым, даже малым числом составляющих теорема показывает, что вы, как правило, будете ждать намного дольше возраста вселенной, пока составляющие по своему собственному согласию перегруппируются в их начальную конфигурацию. Тем не менее, с принципиальной точки зрения, соблазнительно отметить, что любая пространственно ограниченная физическая система при бесконечном терпении и долговечности будет возвращаться к своей начальной конфигурации.

11. Вы можете удивиться тогда, почему вода всегда превращается в лед, поскольку это приводит к тому, что молекулы Н 2О становятся более упорядоченными, что означает, достигшими меньшей, а не высокой энтропии. Ну, грубый ответ в том, что когда жидкая вода превращается в твердый лед, она отдает энергию в окружающую среду (в противоположность тому, что происходит когда лед тает, когда он берет энергию из окружения), а это повышает энтропию окружающей среды. При достаточно низких температурах окружения, это значит, ниже 0 градусов Цельсия, возрастание в окружающей энтропии превосходит уменьшение энтропии воды, так что замерзание становится интересным с точки зрения энтропии. Поэтому холодной зимой формируется лед. Аналогично, когда кубики льда формируются в морозильнике вашего холодильника, их энтропия уменьшается, но сам холодильник накачивает тепло в окружающую среду, и если это принять во внимание, получим полное нетто-возрастание энтропии. Более точный ответ для склонного к математике читателя заключается в том, что спонтанные явления того сорта, который мы обсуждаем, управляются тем, что известно как свободная энергия . Интуитивно свободная энергия есть та часть энергии системы, которая может быть использована для совершения работы. Математически свободная энергия F определяется соотношением F = U – TS , где U обозначает полную энергию, T обозначает температуру, а S обозначает энтропию. Система будет подвержена спонтанному изменению, если это приведет к уменьшению ее свободной энергии. При низких температурах падение в U , связанное с жидкой водой, переведенной в твердый лед, перевешивает уменьшение в S (перевешивает возрастание в –TS ), поэтому переход будет происходить.

12. По поводу более ранней дискуссии о том, как прямое применение энтропийных рассуждений приведет нас к заключению, что память и исторические записи не являются заслуживающими доверия оценками прошлого, см. C. F von Weizsäсker in The Unity of Nature (New York: Farrar, Straus, and Giroux, 1980), 138-46, (первоначально опубликовано в Annalen der Physik 36 (1939)). По поводу превосходной недавней дискуссии см. David Albert in Time and Chance (Cambridge, Mass.: Harvard University Press, 2000).

13. Фактически, поскольку законы физики не видят отличий между направлениями вперед и назад во времени, объяснение полностью сформированных кубиков льда получасом раньше, в 10:00 вечера, будет точно столь же абсурдным, – говоря на языке энтропии, – как и предсказание, что на полчаса позже, в 11 вечера маленькие кусочки льда вырастут в полностью сформированные кубики льда. Напротив, объяснение наличия жидкой воды в 10:00 вечера, которая медленно формирует маленькие кусочки льда к 10:30 вечера является точно столь же осмысленным, как и предсказание, что в 11:00 вечера маленькие кусочки льда растают в жидкую воду, что является привычным и полностью ожидаемым. Это последнее объяснение с точки зрения наблюдения в 10:30 вечера является совершенно симметричным во времени и, более того, согласуется с последующими наблюдениями.