Ричард Мюллер - Сейчас. Физика времени

Серьезный ученый сравнивает второй закон термодинамики с творчеством Шекспира! Не уверен, что согласен со Сноу, хотя его статья и оказала большое влияние на мою жизнь (это было настольное издание для студента-первокурсника Колумбийского университета). Возможно, упомянутые Чарльзом Сноу «высокообразованные» люди никогда не слышали о втором законе термодинамики, но предполагаю, большинство из них все-таки имели достаточное представление о физике, чтобы грамотно объяснить уравнение E = mc 2. Наверное, все-таки аналогом Шекспира в физике могла бы быть теория относительности.

Эддингтон вознес второй закон термодинамики еще выше, отдав ему место вершины научной мысли. Он писал:

По моему мнению, второй закон термодинамики занимает главенствующее место среди законов природы. Если кто-либо скажет, что ваша любимая теория Вселенной противоречит уравнениям Максвелла, – тем хуже для уравнений Максвелла.

Если ваша теория не подтверждается экспериментальными данными… ну что же, экспериментаторы тоже иногда ошибаются. Но если ваша теория обнаруживает противоречия со вторым законом термодинамики, я не оставляю вам никакой надежды. Ей не остается ничего другого, как рассыпаться в глубочайшем уничижении.

Эти утверждения больше звучат как отрывок из религиозного трактата, чем как заявления выдающегося ученого. Однако его экстравагантная уверенность в «главенствующем месте» второго закона имеет довольно понятное основание. В самой глубинной сути этот закон гласит, что высоковероятностные события произойдут со значительно большей вероятностью, чем события низковероятностные. Звучит как сплошная тавтология, но это правда. Вскоре мы поговорим с вами о понимании вероятностей, но для начала давайте сделаем второй закон термодинамики менее загадочным. Так что же такое энтропия?

Физика привыкла давать непонятные и абстрактные определения повседневным явлениям. Если только вы не закончили университет со степенью бакалавра по этой науке, вы можете быть незнакомы, например, с определением энергии, разработанным Эмми Нётер (см. главу 3), которое изучают в самых продвинутых курсах по физике:

Энергия – это сохраняющаяся физическая величина, сохраняемость которой обусловлена отсутствием явной временн о й зависимости в лагранжиане.

Не стоит и говорить, что это непохоже на то, чему нас учат в старшей школе или даже на последних курсах университета. Однако это определение оказывается очень полезным, когда возникают новые обстоятельства. Например, если вы – Эйнштейн и только что создали новые уравнения, которые назвали теорией относительности. И хотите пересмотреть сохранение энергии с помощью этих новых уравнений. Тогда вам нужно применить теорему Нётер. (Более подробно об этом понимании энергии см. Приложение 2.)

Другие физические понятия имеют столь же абстрактные и таинственные определения, которые могут оказаться полезными для ученых, но весьма туманными для нефизиков. Одно из них – как раз продвинутое определение энтропии. В самом абстрактном виде оно может быть сформулировано следующим образом:

Энтропия – это логарифм количества квантовых состояний, которого может достичь система.

Это пояснение настолько же легко для понимания, как и определение энергии, данное Нётер. Энтропия начинает казаться чем-то загадочным, совершенно недоступным для большинства людей, за исключением наиболее продвинутых в математическом отношении физиков-статистиков.

Если у вас сложилось такое представление, вы очень удивитесь, узнав, что энтропия чашки кофе составляет около 700 калорий на 1 °С. Энтропия вашего тела – примерно 100 000 калорий на градус. С небольшими познаниями в физике и химии, а также при наличии химического справочника вы вычислите энтропию большинства окружающих объектов. Если вас это заинтересовало, откройте страничку «Энтропия воды» в интернете.

Калории на градус? Те самые единицы измерения количества теплоты, которые изучают на уроках физики в старшей школе? Той теплоты, которую нужно перенести на объект, чтобы повысить его температуру. Это очень далеко от «логарифма количества квантовых состояний», правда? Ничего в этом нет также от «степени хаоса» или «неупорядоченности». Энтропия может быть окружена каким-то налетом загадочности, но это не миф. Она присутствует в нашей жизни и очень важна в технике.