2.2. Выделяют ли неравновесные процессы знак времени?

Уравнения механики дают точно обратное движение при замене скоростей всех элементов системы на противоположные или при изменении направления хода времени. Соответственно, движение не меняется при одновременном обращении скоростей и времени. Находясь в рамках такой механики, мы не можем узнать или решить, в каком направлении времени движется механическая система. Само направление не имеет значения, так как результаты увязаны с направлениями скоростей. Отличить систему, движущуюся в будущее с такими-то скоростями, от системы, движущейся в прошлое с обращенными скоростями, нельзя. Можно лишь условно зафиксировать какой-то знак времени, и тогда знаки скоростей частиц определятся из сопоставления с наблюдаемым. Нет никаких оснований, кроме конвенциональных, говорить, куда это - вперед, а куда - назад. То есть по существу никакой знак времени в механике не выделен.

 

Как представляется на первый взгляд, иное положение в термодинамике. Так, нагретый чай, тепловым поведением которого ведает термодинамика, «после», в будущем, всегда холоднее, чем «до». Неоднородности температуры только сглаживаются, что и отражается законами термодинамики. Поэтому говорят, что термодинамика в противоположность механике выделяет знак времени, ее закономерности жестко увязаны с направлением хода времени.

Разумеется, (или предположим, что) с хорошей точностью чай и окружающая его среда могут быть представлены состоящими из частиц, подчиняющихся механике. В таком случае никакая тенденция в самостоятельном развитии систем не должна быть выделена, т.е. самопроизвольное нагревание должно бы обнаруживаться так же часто, как и самопроизвольное охлаждение. Однако реальный чай предпочитает всегда только охлаждаться. Но не может же система одновременно что-то и предпочитать (согласно термодинамике) и не предпочитать (по механике)!

Почти все авторы - т.е. практически кроме полагающих «стрелу» времени выделенной так называемым приготовлением - представляют себе, что в положительном направлении времени энтропия будет возрастать, система приближаться к равновесию, а в отрицательном направлении (при смене направления хода времени) энтропия будет уменьшаться - тоже монотонно в соответствии с монотонностью прямого процесса. Но если говорить по существу дела, то термодинамические тенденции сохранились бы и при смене знака времени.

Посмотрим на проблему на упрощенном примере. Постараемся ответить на вопрос: почему нагретый чай всегда только остывает и почему он никогда хотя бы на какой-то заметный интервал времени не нагревается дополнительно сверх начальной температуры за счет тепла окружающей среды?

Если спросить об этом не специалиста по этой проблеме, то часто можно услышать: потому, что чай нагрет больше, чем окружающий воздух, а более нагретые частицы (обладающие большей кинетической энергией) передают часть своей энергии менее нагретым частицам среды по аналогии с выравниванием уровней жидкости в сообщающихся сосудах. Но такая аналогия ничего не объясняет. Если в сообщающихся сосудах находится идеальная жидкость без вязкости (а только тогда можно проводить более или менее прямую аналогию с механической системой частиц), то будет наблюдаться картина периодических незатухающих колебаний уровней, никакого предельного состояния равновесия и никакой монотонности процесса не будет. Ссылка же на диссипацию (растрату энергии колебаний на преодоление вязкого трения) в объяснении успокоения качки уровней здесь не корректна, так как эта ссылка лишь отодвигает объяснение, ибо диссипация - термодинамическое явление, а объяснять термодинамику термодинамикой не следует.

Для механики, управляющей движением частиц системы, абсолютно безразлично, в какую сторону будет передаваться кинетическая энергия: от более энергетичных частиц менее энергетичным или наоборот. Механика в этом смысле полностью симметрична. Любой процесс перераспределения кинетической энергии, идущий в одну сторону, заменой направления хода времени (или, что то же самое, сменой знаков скоростей частиц) - при сохранении кинетических энергий у частиц! - обращается. То есть для того, чтобы предсказать, будут ли кинетические энергии частиц чая и среды выравниваться или они будут еще более расходиться, необходимо кроме кинетических энергий знать еще и знаки скоростей частиц, на что кинетические энергии, квадратичные по скоростям, не указывают. Распределение температур, строго говоря, еще не указывает на направление последующего процесса в системе, но мы, тем не менее, с поразительным успехом это делаем!

Практическую нереализуемость движения системы в сторону возрастания неоднородностей в распределении плотностей и температуры по частям системы Пригожин, как и некоторые другие авторы, связывает с тем, что такое «антитермодинамическое» движение требует сильной и, соответственно, маловероятной скоррелированности (согласованности) в положениях и скоростях частиц, не видя, что движения в двух противоположных направлениях скоррелированы совершенно одинаково, различаются только знаками скоростей частиц, т.е. с точки зрения предпочтений механики абсолютно несущественным фактором (а с точки зрения термодинамики, которая ничего не знает о частицах - вообще ненаблюдаемым и неопределимым). Всякое механическое движение столь же скоррелировано, как и любое другое, в механике понятие скоррелированности попросту отсутствует. Поэтому ссылки на различную скоррелированность различных участков или противоположных по направлению прохождений одной и той же траектории движения системы создают лишь видимость объяснения.



 
2007-2017. © В.Б. Губин - собрание книг автора.
Для связи с администрацией используйте форму обратной связи