Довид Ласерна - На волне Вселенной. Шрёдингер. Квантовые парадоксы

Эта область математики позволяла тестировать атомарные модели вещества, широко экстраполируя их характеристики и сравнивая прогнозы с наблюдениями. Прекрасным примером является проведенный Эйнштейном анализ хаотических траекторий крошечных частиц, взвешенных в жидкости (броуновского движения), которые таким образом реагируют на постоянные столкновения с миллионами молекул воды.

Больцман заново открыл классическую термодинамику, введя концепцию энтропии, — ее часто определяют как измерение уровня хаоса в системе. Положение и скорость триллионов молекул — частиц, составляющих газ или вещество, — могут индивидуально варьироваться без каких-либо изменений — с нашей точки зрения — общего состояния образуемой ими системы. Другими словами, бесконечное количество различных состояний на атомном уровне (в микроскопическом масштабе) неразличимо на нашем (в макроскопическом). В терминах термодинамики мы говорим о разных конфигурациях вещества, соответствующих одному и тому же состоянию. Молекулы, находящиеся в воздухе комнаты, постоянно меняют свое положение, хотя человек при этом не заметит никаких изменений температуры, давления или объема, занимаемого молекулами. Энтропия становится мерой микроскопических изменений, которые могут происходить в системе незаметно для нас.

Скульптура, посвященная энтропии. Университет Монтеррея, Мексика.

Беспокойный дух Шрёдингера порождает еще один парадокс, не чуждый глубокой философичности, хотя и полностью подавленный квантовой славой пресловутого кота (см. главу 4).

Этот парадокс был представлен публике в 1943 году, в цикле лекций в Тринити-колледже в Дублине. Перед самой разношерстной аудиторией (в нее входили дипломаты, церковнослужители, студенты и дамы из высшего общества) ученый попытался ответить на вопрос: что такое жизнь? Если нам дают 60 кг атомов кальция, фосфора, углерода, водорода, азота и кислорода, а также разные другие элементы, такие как сера или натрий, то законы случайности диктуют столько комбинаций, что невозможно прогнозировать какой-либо результат. Эти комбинации характеризуются очень высоким уровнем энтропии. При смешении атомов становится невозможным различить изменения. По истечении огромного количества времени атомы начнут формировать длинные цепочки молекул, которые затем могут объединяться друг с другом, чтобы составить белки, организоваться в клетки, создать ткани, сформировать органы, построить живое существо. В этом существе, как в убранной детской комнате, любые изменения мгновенно бросаются в глаза. Организмы характеризует очень низкий уровень энтропии. Шрёдингер сформулировал свой парадокс следующим образом:

«Как организму удается достичь концентрации порядка и избежать беспорядка атомного хаоса второго закона термодинамики?»

Чтобы ответить на этот вопрос, он расширяет свою область исследования живых существ. Ценой воплощенного порядка для каждого организма является увеличение чистой энтропии вокруг него. Характерная организация живых существ компенсируется беспорядком, остающимся на их пути в виде накопления отходов, производства газов и экскрементов, деградации потребляемой энергии. Следовательно, жизнь возможна благодаря положительному балансу энтропии.

Эта концепция легко ассоциируется с порядком: чем более система упорядочена, тем легче обнаружить малейшие изменения, и наоборот. По мнению родителей, детские игрушки редко расположены так, что можно говорить о порядке в комнате; напротив, множество конфигураций игрушек свидетельствует о беспорядке. Детская комната может находиться в беспорядке совершенно по-разному, но привести ее к порядку можно всего несколькими способами. И при этом любой случайности достаточно, чтобы вновь посеять хаос.

Существует взаимосвязь между упорядоченностью структуры и вероятностью этой упорядоченности. Если предусмотреть место абсолютно для каждой игрушки, то в конечном итоге сохранить конфигурацию, заданную родителями, практически невозможно. Практика показывает, что, в соответствии со вторым принципом термодинамики, детская комната стремится к хаосу.

Природные системы развиваются спонтанно: их элементы распределяются в соответствии с конфигурациями наиболее вероятными или характеризующимися наиболее высокой энтропией, то есть наиболее неупорядоченными. Отдавшись случайному наиболее общему стремлению, материя распределяет атомы в соответствии со все более и более неорганизованными конфигурациями.