Характер физических законов - Ричард Фейнман

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.

Поэтому в ограниченной системе, содержащей храповик, собачку и вертушку и ничего более, температура постепенно выравнивается и колесо перестает вращаться как в одну, так и в другую сторону. Точно так же, если надолго оставить любую систему в покое, в ней произойдет всесторонний обмен энергией, и в конце концов не останется энергии для каких-либо процессов.

Между прочим, параметр, соответствующий в нашем примере влажности, или «водоудаляющей способности», называют температурой, и хотя я и могу сказать, что если температура двух объектов одинакова, то они находятся в равновесии, это не значит, что энергия обоих объектов одинакова. Это означает лишь то, что извлечь энергию из одного и из другого объекта одинаково легко. Температура очень похожа на «водоудаляющую способность». Поэтому, если поместить наши два объекта рядом друг с другом, внешне ничего не произойдет. Они просто будут обмениваться энергией в равных количествах, так что суммарный результат обмена окажется равным нулю. Поэтому каждый раз, когда температура всех объектов оказывается одинаковой, в системе не остается энергии на какие-нибудь внутренние преобразования. Принцип необратимости же заключается в том, что если в системе есть разница температур и система предоставлена сама себе, то с течением времени температура все более и более выравнивается, а количество свободной энергии неуклонно падает.

По-другому этот принцип называют законом возрастания энтропии, согласно которому энтропия может лишь возрастать. Но суть не в названиях, смысл его в том, что свободная пригодная для использования энергия может только уменьшаться. И это характерное свойство нашего мира в том смысле, что оно вытекает из хаотичности движения молекул. Если в предоставленной самой себе системе температура не всюду одинакова, то постепенно происходит выравнивание температуры. Если же и там и тут температура одинакова, как, например, температура воды на обычной нерастопленной печке, нечего и думать, что вода сама по себе замерзнет, а печка сама по себе затопится. Но если печь горячая, а вместо воды – лед, все происходит само по себе, только наоборот. Таким образом, необратимость всегда приводит к уменьшению запаса свободной энергии.

Вот и все, что я хотел сказать на эту тему. Мне хочется сделать лишь несколько дополнительных замечаний. Мы только что познакомились с одним очевидным эффектом (необратимости), который не является очевидным следствием законов физики и даже не связан с ними непосредственно. Для того чтобы его можно было объяснить, требуются долгие и довольно тонкие рассуждения. А ведь этот эффект играет первостепенную роль в энергетической экономике Вселенной, во всех наблюдаемых явлениях этого мира, во всех очевидных вещах. Наша память, черты нашего характера, различие между прошлым и будущим самым непосредственным образом связаны с этим эффектом, и в то же время он не является прямым следствием основных законов. Для того чтобы прийти к нему, нужен долгий анализ.

Законы физики нередко не имеют очевидного прямого отношения к нашему опыту, а представляют собой его более или менее абстрактное выражение. Примером этому может служить тот факт, что законы обратимы, а явления – нет.

Очень часто между элементарными законами и основными аспектами реальных явлений дистанция огромного размера. Например, когда вы смотрите на ледник с большого расстояния и видите, как в море падают громадные глыбы, как движется лед и т. п., не так уж важно помнить, что ледник состоит из маленьких шестиугольных кристалликов льда. Однако если разобраться в движении ледников достаточно глубоко, окажется, что оно действительно в значительной степени предопределяется характером кристаллов льда. Но для того чтобы разобраться в законах движения ледников, нужно немало времени (да сейчас и нет таких людей, которые достаточно хорошо разбирались бы в свойствах льда, хотя на изучение его потрачено немало времени). Тем не менее можно надеяться, что если мы разберемся в свойствах кристаллов льда, мы в конце концов осилим и законы движения ледников.

Правда, хотя в этих лекциях мы говорили о фундаментальных законах физики, я должен сразу предупредить вас, что одного знания этих основных законов в том виде, в каком они известны нам сегодня, еще недостаточно для того, чтобы сразу начать разбираться в сколько-нибудь сложных явлениях. На это требуется время, да и потом, нам удается разобраться в более сложных явлениях лишь частично. Природа устроена таким образом, что самые важные ее факты оказываются отдаленными следствиями более или менее случайного сочетания множества законов.

Например, ядра, содержащие несколько элементарных частиц – протонов и нейтронов, представляют собой чрезвычайно сложные системы. У них есть так называемые энергетические уровни, они могут находиться в различных состояниях или условиях, характеризуемых уровнем энергии, и эти уровни различны для разных ядер. Математическая задача определения значений различных энергетических уровней очень сложна, и мы умеем решать ее лишь частично. Точное положение уровней, очевидно, является следствием невероятно сложных процессов, а поэтому нет ничего особенно загадочного в том, что у азота с его пятнадцатью элементарными частицами в ядре одному уровню соответствует энергия 2,4 МэВ, другому – 7,1 МэВ и т. д. Но что действительно замечательно, так это то, что весь характер нашей Вселенной в значительной степени зависит от точного значения одного энергетического уровня одного ядра. Как оказывается, один уровень ядра 12С равен 7,82 МэВ. И именно это делает нашу Вселенную такой, какая она есть.

Дело здесь вот в чем. Если начинать с водорода, а, по-видимому, сначала практически вся Вселенная состояла из водорода, то по мере сближения атомов водорода под действием сил притяжения и по мере повышения температуры водорода возникают условия для ядерных реакций, в результате которых может получиться гелий. Затем гелий может частично вступить в реакцию с водородом и образовать несколько новых, более тяжелых элементов. Но новые элементы немедленно распадутся вновь на гелий и водород. В связи с этим некоторое время ученые никак не могли понять, откуда же взялись остальные элементы нашей Вселенной. Ведь если начать плясать от водорода, то процессы превращения, протекающие в звездах, не могут дать что-нибудь иное, кроме гелия и пяти-шести других элементов. Столкнувшись с этой проблемой, Хойл и Солпитер[24] увидели здесь только один выход – если в результате соединения трех атомов гелия может образоваться атом углерода. Нетрудно подсчитать, насколько часто возникает такая возможность в звездах. И представьте себе, получилось, что такая вероятность вообще равна нулю, если только у углерода случайно не окажется энергетического уровня, равного 7,82 МэВ. Если же такой уровень есть, то три атома гелия, соединившись в атом углерода, начнут снова распадаться в среднем немного позже, чем при отсутствии у углерода энергетического уровня в 7,82 МэВ. И тогда этого времени хватает для других преобразований, для образования новых элементов. Так что если бы у углерода оказался энергетический уровень, равный 7,82 МэВ, то мы могли бы понять, откуда взялись все элементы периодической таблицы. Вот путем такого обратного рассуждения, рассуждения от противного, было предсказано, что у углерода должен быть уровень, равный 7,82 МэВ. А лабораторный эксперимент подтвердил, что это действительно так. Поэтому существование в нашем мире всех других элементов очень тесно связано с тем обстоятельством, что у углерода оказалось именно это значение энергетического уровня. Но точное значение энергетического уровня углерода кажется нам, знающим законы физики, случайным результатом очень сложного взаимодействия 12 сложных частиц. Поэтому пример углерода может служить прекрасной иллюстрацией того факта, что понимание физических законов еще не обязательно гарантирует вам непосредственное понимание важнейших явлений нашего мира. Подробности реального существования очень часто весьма далеки от основных законов.

Мы можем анализировать явления нашего мира, выделяя в нем разные уровни, устанавливая некоторую иерархию понятий и представлений. Это – метод анализа. Я не собираюсь точно определять разные уровни, но попытаюсь лишь пояснить на примерах, что я имею в виду, когда говорю об иерархии понятий и представлений.