Остров неопытных физиков (илл. Г. Валька) - Домбровский Кирилл (лучшие книги читать онлайн TXT) 📗
В древности астрономию изучали, в частности, для определения сроков посева и жатвы. Открытие Ньютоном закона всемирного тяготения сыграло решающую роль в развитии мореплавания. Законы механики Ньютона позволяют точно определять местонахождение судна в море. Без них мы никогда не сумели бы изучить нашу планету так, как мы ее знаем сейчас.
Логические следствия из основных законов механики объединили в одно целое самые отвлеченные представления о строении солнечной планетной системы и чисто практическую деятельность людей.
По мере расширения наших знаний мы вновь и вновь обращаемся к поискам основных законов, управляющих миром.
Развитие в прошлом веке кинетической теории газов привело к созданию гипотезы (научного предположения) о тепловой смерти Вселенной. Для того чтобы яснее понять, о чем идет речь, представим себе простой опыт.
Возьмем два баллона с газом или, чтобы было еще нагляднее, два стакана с водой. Пусть в одном стакане вода холодная, а в другом горячая. Если смешать холодную и горячую воду, холодный и горячий газ, то смесь будет иметь некоторую промежуточную температуру. Она не будет ни холодной, ни горячей. Это очевидно. И разделить снова воду или газ на горячую и холодную половины, так, чтобы в одном сосуде была горячая вода или газ, а в другом холодная, невозможно.
Так же невозможно придумать самопроизвольный процесс, который обеспечил бы, например, в одной половине комнаты высокую температуру воздуха, а в другой — низкую. Здесь имеется в виду не нагревание комнаты горячей печью, а именно самопроизвольный процесс, при котором в замкнутом, изолированном объеме газа общее количество теплоты распределилось неравномерно но объему. Таких процессов в природе нет. Температура всегда выравнивается.
Это простое наблюдение имеет очень глубокий смысл. Оно приводит к мысли о необратимости некоторых процессов в природе, об односторонней направленности некоторых явлений.
Такая направленность, возможность развития лишь в одном направлении, ярче всего проявляется в одностороннем ходе времени. Только в кино, когда фильм пускают обратным ходом, можно видеть время как бы обращенным вспять. Мы сперва видим на экране, как обычно, спортсмена, прыгающего с вышки в воду. Потом, когда фильм пускают обратным ходом, на экране происходит «чудо» — в бассейне вдруг вздымается фонтан брызг, и из-под воды взлетает спортсмен и удивительно точно попадает на стартовую площадку. Это зрелище неизменно вызывает веселое оживление в зале. Зрителю смешно, потому что он видит на экране то, чего никогда нельзя увидеть в жизни. Нельзя увидеть потому, что это противоречит основным законам, управляющим природой.
Электродвигатель может вращаться в правую и в левую стороны, автомобиль может ехать задним ходом. Вероятно, и Земля и другие планеты могли бы вращаться в обратную сторону, тогда солнце всходило бы на западе — все это возможно в рамках основных законов природы. Все это процессы практически или принципиально обратимые. Однако огромное большинство явлений природы относится к процессам необратимым. Не сделав оговорок или допущений, имеющих принципиальный характер, невозможно дать научное описание картины, наблюдаемой в кино при обратном ходе фильма, если исходить из принятых нами законов природы и нормального хода времени.
Автор книги «Остров неопытных физиков» ставит своих героев в положение люден, наблюдающих такой «обращенный» мир.
Совершенно естественно, что, «пустив время обратным ходом», четверо школьников сталкиваются с неразрешимыми противоречиями. Автор показывает нам внешнюю картину некоторых простейших явлений, которые, на первый взгляд, могли бы происходить.
Действительно, что особенного в том, что паровоз вдруг пошел обратным ходом? Это можно наблюдать ежедневно на любой большой железнодорожной станции, которая еще не переведена на электрическую тягу. Однако когда ребята пытаются несколько глубже разобраться в том, что перед ними происходит, они запутываются в клубке противоречий. В рамках своих начальных знаний физики они пытаются рассуждать, пытаются построить логическую картину мира с обратным ходом времени и терпят неудачу. Они вынуждены признать, что «этого просто не может быть». Не может быть в мире, в котором остаются неизменными все остальные законы физики.
Автор не разбирает до конца всю совокупность явлении, которые при этом должны возникнуть. Он предоставляет сделать это читателю. Наблюдая странный мир глазами мальчишек, он ограничивается установлением лишь некоторых чисто внешних явлений и обрывает свое повествование, не доведя его до абсурда. В этом сказывается литературный прием, часто используемый в книге. Автор не дает готовых, законченных формулировок, он лишь наталкивает читателя на вопросы и задачи, над которыми стоит подумать.
Когда ребята, герои книги, пытаются разобраться, что происходит с паровозом, работающим в условиях обратного хода времени, они приходят к выводу, что в этом случае тепло должно переходить от холодного тела к горячему, по их выражению — «огонь не греет, а холодит». Если продолжить до конца ход мысли ребят, нужно прийти к утверждению, что вода в стакане может сама собой разделиться на горячую и холодную. И чем сильнее будет нагреваться одна половина воды, тем холоднее будет другая. Здесь важно понять, что речь идет именно о самопроизвольном процессе. Обратное явление — процесс выравнивая температуры — всегда протекает самопроизвольно, и каждый наблюдал его много раз, но никто никогда не был свидетелем противоположного.
Таким образом, обращение хода времени неизбежно приводит к отрицанию основного закона термодинамики, согласно которому температура нагретых тел всегда только выравнивается.
Когда был установлен и сформулирован этот закон, возник вопрос, взволновавший физиков и философов. Пели во Вселенной все процессы идут односторонне, все температуры рано или поздно выравниваются, то почему же есть звезды с высокой температурой и есть холодные космические тела? Почему температура во Вселенной не всюду одинакова? Может быть, когда-то был дан первоначальный толчок, во Вселенную были введены гигантские источники энергии, а теперь идет процесс выравнивания?
Первым попытался дать ответ на этот вопрос известный австрийский физик Больцман (1844-1906).
Больцман установил, что у молекул, из которых состоит газ, разные скорости. Правда, большинство молекул в данном объеме газа имеет более или менее одинаковые скорости, которые определяются температурой газа. Однако всегда какое-то количество молекул имеет в каждое мгновение значительно большие скорости, чем «средняя», какое-то — значительно меньшие. (Напомним, что скорость движения молекул газа — это и есть то, что мы привыкли называть температурой газа.)
Если представить себе очень маленький объем газа, такой объем, в котором находится всего лишь несколько молекул, то вполне может случиться, что в одной части объема соберутся все быстрые молекулы, а в другой — все медленные. Иными словами, может случиться, что объем газа разделится: в одной половине его будет содержаться горячий газ, в другой — холодный. И произойти такое разделение может самопроизвольно в результате случайного хаотического движения нескольких молекул.
Но это значит, что развитие в газе может идти не только с выравниванием температуры, но и с разделением ее. Процессы разделения температур, процессы, обратные выравниванию, называются флюктуациями. Подобные флюктуации все время происходят внутри газа, однако они столь незначительны, что почти всегда ускользают от нашего внимания. В подавляющем большинстве случаев для нас имеет значение лишь средняя температура данного объема газа.
Здесь мы сталкиваемся с очень важным для современного естествознания методом статистического описания явлений природы. То, что представляется практически невозможным, если рассматривать большое число событии, поведение большого числа частиц, может оказаться вполне допустимым для очень малого числа единичных событий.
Развивая свои идеи, Больцман предположил, что видимая часть Вселенной — это некоторая грандиозная флюктуация внутри гигантской Сверхвселенной, которая в целом находится на грани тепловой смерти, то есть на грани полного выравнивания температур.
