Характер физических законов - Ричард Фейнман

Конечно, это утверждение несимметрично относительно времени само по себе: ведь из него следует, что прошлое чем-то отличается от будущего. Но оно выходит за рамки того, что принято обычно считать физическими законами, так как мы сегодня стараемся проводить резкую грань между законами физики, управляющими развитием Вселенной, и высказываниями о том, в каком состоянии находился наш мир в прошлом. Последние относят к астрономической истории, хотя вполне может быть, что в один прекрасный день она и станет разделом физики.

О необратимости можно рассказать еще много интересного, и я обращусь к конкретному примеру. Любопытно, например, посмотреть, как на самом деле работает какой-нибудь необратимый механизм.

Представьте себе, что мы сделали какое-то устройство, которое, как нам известно, может работать лишь в одном направлении. Я, например, хочу сделать храповое колесо, т. е. зубчатое колесо, у которого ведущая кромка всех зубцов обрывается очень круто, а задняя полого сходит на нет. Колесо насажено на вал, и к нему пружиной (рис. 28) прижимается маленькая защелка (собачка), сидящая на своей собственной оси.

Такое колесо может крутиться лишь в одну сторону. Если попытаться повернуть его обратно, собачка упрется в прямой срез зубца и не пустит его. При повороте же колеса в прямом направлении она с треском перескакивает с зубца на зубец – трак, трак, трак… (Вы знаете, о чем я говорю. Такие храповики используются в часах, в том числе и в наручных. При заводе часов они позволяют вам закручивать пружину и не дают ей потом раскручиваться.) Такой механизм полностью необратим в том смысле, что колесо не может вращаться в обратную сторону.

Рис. 28

Так вот, предполагалось, что при помощи такого необратимого механизма колеса, которое способно поворачиваться лишь в одну сторону, можно сделать одно очень полезное и интересное устройство. Как вам уже известно, в природе непрерывно происходит вечное хаотическое движение молекул, и если построить какой-нибудь очень чувствительный прибор, его стрелка будет постоянно дрожать, так как она все время находится под хаотическим обстрелом соседних молекул воздуха. Давайте же воспользуемся этим и посадим на вал нашего механизма четыре лопасти, как это показано на рис. 29. Лопасти находятся в сосуде с газом и непрерывно и хаотически обстреливаются его молекулами, толкающими лопасти то в одну, то в другую сторону. Но когда лопасти пытаются повернуться в одну сторону, им не дает это сделать собачка, а когда они пытаются повернуться в другую, этому ничто не мешает, так что наше колесо будет постоянно вращаться и у нас получится что-то вроде вечного двигателя. И все потому, что движение храповика необратимо.

Рис. 29

Но во всем этом нужно получше разобраться. В действительности механизм работает следующим образом. Когда колесо поворачивается в одну сторону, оно приподнимает собачку, которая затем срывается с зубца и защелкивается, ударяясь о следующий зубец. Затем собачка отскакивает, и, если она абсолютно упруга, она будет все время отскакивать и отскакивать, и так без конца, а колесо сможет вращаться как вперед, так и назад (когда собачка случайно подскочит вверх), так что наш механизм не станет работать, если только, защелкиваясь, собачка не будет залипать, останавливаться или отскакивать не до самого верха. Если она отскакивает, но не до самого верха, то это значит, что где-то здесь есть так называемое демпфирование, или трение, а значит, срываясь с зубца, отскакивая и останавливаясь (а только так собачка может обеспечить необратимость работы нашего механизма), она будет выделять тепло из-за трения, так что колесо будет все горячее и горячее. Но когда оно достаточно разогреется, начнутся другие явления. Так же как и в газе, окружающем лопасти, молекулы собачки и колеса находятся в постоянном броуновском, хаотическом движении, поэтому не важно, из чего сделаны колесо и собачка, а также другие детали. Чем выше их температура, тем более хаотическим становится их движение. Наконец наступает такой момент, когда колесо разогрелось настолько, что собачка просто прыгает вверх и вниз из-за движения своих собственных молекул, т. е., в сущности, в силу тех же причин, которые заставляют вращаться лопасти. Но, подскакивая вверх и вниз на колесе, собачка остается наверху столько же времени, сколько и внизу, так что колесо может поворачиваться в обе стороны. Вот и нет у нас больше механизма с односторонним движением. Храповик может даже начать вращаться в обратную сторону! Если само колесо разогрелось, а та часть механизма, где насажены лопасти, холодная, то колесо, которое по вашим расчетам всегда должно вращаться в одну сторону, станет вращаться в обратном направлении, поскольку каждый раз собачка, срываясь, будет падать на наклонную кромку зубца и, следовательно, будет толкать его назад. В следующий раз она снова подпрыгнет, упадет еще раз на наклонную кромку следующего зубца и вновь толкнет его в обратном направлении.

А при чем тут температура газа вокруг лопастей? Предположим, что лопастей в нашем механизме нет вообще. Тогда, если собачка падает на наклонный срез зубца и толкает колесо вперед, немедленно после этого происходит следующее: на собачку налетает крутой передний срез следующего зубца, он отскакивает и поворачивает колесо назад. Вот для того, чтобы колесо не отскакивало назад, мы надели на него демпфер и поместили лопасти в воздух, который не позволяет колесу отскакивать без помех и замедляет его движение. Итак, наше колесо будет-таки вращаться в одну сторону, только не в ту, в какую предполагалось. Оказывается, что, как вы его ни сделаете, такой механизм будет вращаться в одну сторону, если одна его часть горячее другой, и в другую – если она холоднее. Но, после того как между отдельными частями произойдет теплообмен и все успокоится, так что и температура колеса, и температура лопастей окажется одинаковой, он не станет вращаться ни в одну, ни в другую сторону, в среднем конечно. Вот вам пример из техники, когда явление природы протекает только в одну сторону до тех пор, пока нарушено равновесие, пока с одной стороны спокойнее, чем с другой, пока одна сторона «синее» другой.

Казалось бы, из закона сохранения энергии должно следовать, что в нашем распоряжении неисчерпаемые запасы энергии. Ведь природа никогда не теряет энергию, как и не приобретает ее. Но энергия, скажем, моря, энергия теплового движения его атомов для нас практически недоступна. Для того чтобы эту энергию организовать, направить, извлечь для последующего использования, необходимо создать разницу температур. В противном случае мы увидим, что хотя энергия и есть, использовать ее не удается. Так что между наличием энергии и ее доступностью огромная дистанция.

Согласно закону сохранения энергии, суммарная энергия Вселенной постоянна. Но при хаотическом движении она может быть распределена настолько равномерно, что в некоторых случаях нельзя ничего добиться ни в одном направлении, ни в другом: энергией уже невозможно больше управлять.

Мне кажется, что вам будет яснее, если я проведу следующую аналогию. Не знаю, приходилось ли вам (мне приходилось) сидеть на пляже с несколькими полотенцами, когда вдруг неожиданно начинается ливень. Как можно проворнее вы хватаете свои полотенца и кидаетесь в раздевалку. Там вы начинаете вытираться, и оказывается, что ваши полотенца немного намокли, но все же суше вашего тела. Вы вытираетесь одним полотенцем до тех пор, пока оно не совсем промокло (тогда оно ровно столько же мочит вас, сколько и вытирает), берете другое – и довольно скоро открываете ужасную истину: все полотенца мокрые, а вы еще не вытерлись до конца. Теперь вытереться совсем невозможно, хотя у вас и много полотенец, а все потому, что в некотором смысле между вашей собственной влажностью и влажностью полотенец нет никакой разницы. Можно придумать какую-нибудь величину, которую мы назовем «водоудаляющей способностью». Так вот, «водоудаляющая способность» полотенца равна вашей собственной «водоудаляющей способности», и, вытираясь мокрым полотенцем, вы забираете им такое же количество воды, какое забирает ваша кожа из полотенца. Это не значит, что на вас и в полотенце соберется одинаковое количество воды. Если полотенце большое, воды в нем будет больше, если маленькое – меньше, но их влажность будет одинаковой. После того как влажность всех предметов сравнялась, с этим уже ничего нельзя поделать.

В этом примере вода подобна энергии, ведь общее количество воды не меняется. (Конечно, если дверь раздевалки открыта и можно выскочить на солнышко и просохнуть или раздобыть еще одно сухое полотенце, мы спасены. Но представьте себе, что дверь закрыта, других полотенец нет, а от этих вам никуда не деться.) Так вот, если представить себе изолированную часть Вселенной и подождать достаточно долго, то из-за происходящих в этом мире случайностей энергия, как и вода, распределится по всей этой части равномерно, и от необратимости явлений не останется и следа. В этом мире никогда уже не произойдет ничего интересного в том смысле, как мы это понимаем.