Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Вот почему фраза, которую некогда любил повторять французский математик Э. Пикар — «Мы измеряем время с помощью движения, а движение — с помощью времени» — в свете новых взглядов потребовала уточнения, ибо, как стало ясно, не всяким движением можно измерять время. По мнению французского физика О. Коста де Борегара, формулировку Пикара следовало бы скорректировать так: «Мы измеряем время с помощью изменений, а изменения — с помощью времени».

А что такое изменения? Да ведь это наши старые знакомые — компенсации Клаузиуса, те самые компенсации, по которым можно безошибочно определить, был или не был тот или иной процесс необратимым. Те самые компенсации, которые только тогда и возможны, когда в дело вмешивается необратимость.

Почему так? Да потому, что только при наличии устойчивых изменений — компенсаций — можно отличить прошлое от будущего, предшествующий момент от настоящего, причины от следствий. В обратимом мире причины и следствия бесконечно и непрерывно меняются местами. К примеру, упавший с высоты шар вызывает следствие — сжимает пружину. Это следствие становится причиной того, что шар снова выбрасывается на прежнюю высоту. Это следствие, в свою очередь, снова становится причиной падения шара. И так до бесконечности. И в этой череде бесконечно повторяющихся состояний теряется время — путеводная нить, позволяющая отличить настоящее от прошедшего…

Представим себе положение: перед нами находится черный, полностью изолированный ящик, внутри которого происходят какие-то процессы. Мы не можем заглянуть внутрь этого ящика, не можем просветить его рентгеновскими лучами или ультразвуком. Единственный прибор, имеющийся в нашем распоряжении, — это термометр. Если, поместив этот прибор внутрь черного ящика, мы увидим, что показания его не меняются, какие заключения можем мы сделать из этого факта? Прежде всего мы можем предположить, что в ящике происходят только обратимые процессы. При таком предположении «молчание» термометра объясняется наиболее просто: запрет, налагаемый в обратимой системе на теплообмен, лучше всякой теплоизоляции предохранит шарик термометра от нагрева.

Но вот — удивительное дело — столбик термометра начинает увеличиваться, мы можем уверенно сказать: в ящике происходят необратимые процессы. Прошлое в нем стало отличаться от будущего, предшествующий момент от предыдущего, причины стали отделяться от следствий. Другими словами, в системе появилось время. Однако так продолжается не вечно. Наступает в конце концов момент, когда столбик термометра останавливается. Хотя и на более высокой отметке, но останавливается.

Это означает, что все необратимые процессы, которые могли произойти, — произошли, все движения — остановились, все температуры — выравнялись, и система достигла состояния термического равновесия.

В этом состоянии, которое Клаузиус называл «некоторым мертвым состоянием инерции», компенсации не появляются не потому, что в системе происходят только обратимые процессы, а потому, что в ней не происходит больше никаких процессов вообще. На языке термодинамики это означает, что в состоянии термического равновесия в изолированной системе достигает своего максимального значения энтропия. Нетрудно понять, что в тот самый момент, когда столбик термометра останавливается, в черном ящике снова исчезает время, и находящаяся в нем система приобретает сходство с пространством в том смысле, что она простирается, но не «продвигается». Так выявляется связь между временем и возрастанием энтропии в изолированной системе.

Примерно такая линия рассуждений привела английского физика А. Эддингтона к парадоксальному на первый взгляд утверждению: время следует измерять не часами, а термометрами… Действительно, проанализировав проблему и убедившись: «Ничто не может выделить направление времени, если этого не может сделать энтропия», Эддингтон понял, что, строго говоря, время следует измерять только энтропиометром. А такой прибор в принципе должен состоять из двух термометров, измеряющих температуры горячего и холодного тел, находящихся в тепловом контакте. Из двух моментов времени тот, который соответствует меньшей разности температур, будет последующим. И это — единственный признак, по которому мы можем определить направление времени — «стрелу времени», как говорил Эддингтон. Так время — возвышенное время поэтов и философов — оказалось неожиданным и причудливым образом связанным с «чумазой» энтропией физиков и инженеров.