История с энтропией

 

VI. ЭНТРОПИЯ В ШИРОКОМ СМЫСЛЕ.

С термодинамикой тепловой машины и энтропией как характеристикой точности управляющих действий в этой машине разобраться относительно легко, так как соответствующие ситуации достаточно ограниченны, хорошо определены и достаточно просто считаются. Однако понятие энтропии используется гораздо шире (а зачастую - заведомо слишком широко). Можно ли это делать, есть ли в этом что-то рациональное и если есть, то что именно?

Может быть, наилучшее популярное объяснение понятия энтропии в широком понимании содержится в старой брошюре Ф.Ауэрбаха “Царица мира и ее тень” [17] - записи лекции начала века. В ней рисуется впечатляющая картина движения энергии в мире и запасенных потенциальных ее источников: солнечного света, горючих ископаемых, энергии рек, текущих с возвышенностей, ветра и т.д., - огромных количеств энергии - царицы мира. Но ее неумолимо преследует тень - энтропия. Солнце и земное горючее сгорят, возвышенности сравняются с равнинами, реки перестанут течь, а ветры дуть. Куда же денется энергия, которая, конечно, сохраняется, в каком она окажется состоянии, как она распределится и можно ли будет жить за ее счет? Энергия хорошего качества - в таких концентриро­ванных видах, которыми нам относительно удобно пользо­ваться: солнечная, химическая (горючее), потенциальная энергия воды в реках, кинетическая энергия воздушных масс, - в конечном счете переходят в тепловую энергию частиц вещества - энергию худшего качества, так как практический КПД ее использования существенно ниже 100%. А при полном переходе в тепловую энергию и при выравнивании температур - в совершенно бесполезную, так как согласно термодинамике за счет тепловых масс одной и той же температуры работа не может совершаться.

Другими словами, при том, что энергия сохраняется, она в конце концов так распределяется (разбегается) по мельчайшим частицам вещества, что ее становится трудно или невозможно использовать. Энтропия, согласно традици­онной интерпретации, которую и излагал публике Ауэрбах, и есть мера такого обесценивания энергии: при переходе других видов энергии в тепловую энтропия возрастает, и при полном переходе и выравнивании температур становится максимальной. Состояние мира только с одной лишь тепловой энергией и с одинаковой везде температурой и соответственно максимальной энтропией раньше называли тепловой смертью вселенной.

Не будем обсуждать вопрос о том, конечны или (практически) бесконечны возможные источники энергии “хорошего качества”. В остальном нарисованная картина, по крайней мере для некоторой упрощенной модели мира, верна, и привычная интерпретация энтропии изложена также верно. Есть лишь методологические недоговоренности, важные не для широкой публики, а как раз для специалистов-физиков и методологов, занимающихся обоснованием термодинамики и статфизики и уточнением понятия энтропии и происхождением и интерпретацией второго закона термодинамики.

Выше мы определили энтропию как меру неточности контроля над частицами в тепловой машине - т.е. в определенном процессе, осуществляемом с определенной целью и определенными средствами и методами. В связи с этим возникают два момента.

1) Если кинетическая энергия распределилась по частицам вещества так равномерно, что обычными грубыми средствами невозможно выделить заметные группы частиц с разными средними энергиями (температурами), то тепловая машина не сможет работать. Но в принципе никогда нельзя отрицать возможности контроля более точного, чем в настоящее время. При лучшем же контроле момент тепловой смерти отодвинулся бы. Очевидно, возможность получить работу за счет кинетической энергии частиц и, соответствен­но, “качество” этой энергии относительны и зависят, помимо характера ее распределения по частицам и распределения самих частиц, от качества контроля. Конечно, реальный контроль никогда не сможет быть абсолютно совершенным, поэтому в любой данный момент найдутся массы вещества, внутреннюю кинетическую энергию которых практически невозможно использовать. Тем самым качество этой энергии окажется “плохим”.

О лучшем контроле над теплом пока сказать что-либо трудно. В то же время в обычном производстве контроль постоянно улучшается, так что со временем и бросовые ресурсы, бывает, начинают использоваться. Так, Бальзак однажды понял, что некие старые месторождения драгметаллов, выработанные уже в древности, могут еще принести выгоду, так как технология добычи (способ контроля над ресурсами) с тех пор значительно улучшилась. Он принялся за организацию новых разработок, которые впоследствии действительно дали большую прибыль, правда, не ему - его личный контроль над ситуацией оказался недостаточным. Разумеется, после новой выработки месторождения в нем опять кое-что осталось, но снова как бросовые ресурсы.

Итак, качество энергии определяется применяемым контролем, безотносительно к нему такого подразделения энергии нет. И при лучшем, чем в тепловой машине, контро­ле можно будет говорить об энтропии как о характерной мере неточности этого контроля и соответственно возможно­стям такого контроля оценивать “качество” наличной энергии, распределенной по веществу.

2) В то же время вне контроля, т.е. безотносительно к заинтересованному субъекту, никакую объективную, однозначно определяемую степень неоднородности в распределениях дискретных частиц и их энергий (или скоростей) по координатному пространству и пространству скоростей ввести нельзя. Одно разбиение пространства (мысленное) на ячейки для подсчета степени неоднородности ничем не лучше любого другого, которое может дать совсем другую оценку. Так как в море частиц всегда найдутся частицы с разными энергиями, то при любой степени так называемого равновесия формально можно так построить разбиение (не обязательно с плоскими или вообще гладкими границами), что в одной части окажутся частицы с большей средней энергией (т.е. при обычной интерпретации - с большей температурой), чем в другой. Другими словами, в принципе практически при любом распределении частиц по координатам и скоростям существуют отделяемые друг от друга группы, различающиеся средними энергиями, т.е. температурами. Следовательно, абстрактно всегда сущест­вует потенциальная возможность подразделить частицы на частицы нагревателя и частицы холодильника с разными температурами. В этом смысле никакой тепловой смерти не может быть. Кстати, по сути именно это, помимо прочего, означают доказательства невозможности получить статмеха­нику и термодинамику из одной механики ни при каких количествах частиц. Почему-то никто не заметил, что доказательство неследования термодинамики из одной механики является также доказательством того, что законы термодинамики - это не законы природы самой по себе (как ее понимает физика).

Таким образом, вне контроля, т.е. безотносительно к заинтересованному субъекту, чисто объективно, энтропии не существует. Поэтому в самом том мире, который с тем или иным результатом изучает физика, нет самого по себе второго закона термодинамики, как нет и самой термодинамики. Важнейшее следствие для методологов, которое отсюда проистекает, - это несостоятельность и принципиальная ошибочность попыток получить статистику и термодинамику из самого движения частиц и необходи­мость строить их как отражение результатов деятельности субъекта, воздействующего на системы и процессы относительно грубыми средствами.

Хотя, вероятно, большинство не задумываясь и тем не менее в общем верно для данного случая поймет сказанные выше слова об изучаемом физикой мире, мире без субъекта, все же во избежание путаницы отвлечемся на время от собственно энтропии и несколько уточним, что здесь понимается под этим миром.

Физика - наука, направленная на изучение мира как он есть, имеющая перед собой такую идеальную цель. Но она наука частная, работающая своими специфическими средствами. Вследствие этого она способна изучать не всякие свойства и стороны мира, а лишь те свойства, которые подвластны контролю этими средствами и методами, те свойства, на которые эти средства реагируют. Физика изучает свойства мира, воздействующие на объекты, состояния которых мы можем (приближенно) отмечать и которые в общем случае можно назвать измерительными приборами. Измерительным прибором может быть и невооруженный глаз, и, скажем, собственный палец, у которого мы можем отмечать как положение, так и разные ощущения различной силы, - приписывая причины, их вызывающие, внешней среде. По показаниям приборов и их сочетаниям мы судим о мире. Приборы могут быть в какой-то степени взаимозаме­няемыми. Физика изучает сущности (свойства) с такими воздействиями, которые могут быть уловлены вполне неживыми устройствами (приборами), состояния которых мы затем наблюдаем. Неживые приборы не реагируют на специфические особенности живого, свойственные только живому. Следовательно, физика изучает только сферу неживого. Она это делает даже когда перед ней живой объект, она не видит и не может видеть, что он живой. Так, она может видеть некоторые изменения (эффекты) в мире, сопутствующие тому, что мы называем болью: например, движения молекул и различные электрические потенциалы, - но по существу, качественно, не может отличить эти эффекты от реакций, скажем, неощущающего камня на удары по нему молотка, т.е. не может видеть самой боли.

Таким образом, во-первых, мир, как он предстает перед физикой, - это неживой мир, мир вещества, который, очевидно, не исчерпывает всего мира.

Во-вторых, картина мира, которая выстраивается перед нами физикой, меняется в процессе познания. а) В любой данный момент эта картина в смысле проникновения вглубь конечна, хотя, возможно, в крайних, наиболее глубоких, первичных пунктах, она и весьма неясна. б) В каждый данный момент наиболее глубокие данные о первоначалах выступают как чисто объективные, без примеси в них чего-либо субъективного, так как структурирующий вклад контроля невидим. 1) в) Эта глубина, если так можно выразиться, постепенно углубляется, при этом прежние “первоначала” оказываются конструкциями из новых с обязательным вкладом субъективного (хотя это может быть и не понятым). Почти ясно, что этот процесс углубления первоначал и осознания предыдущих как не совершенно объективных, бесконечен. Так происходит освобождение знания (о веществе) от неконтролируемого вклада субъективного, что, разумеется, тоже есть рост знания. г) Именно по отношению к знанию первоначал физика говорит: “Вот каков мир (вещества) на самом деле. ” О менее глубоких уровнях она должна говорить (что, напоминаем, не часто осознается): “Имеются такие-то особые сочетания, конструкции и связи между ними. Вот как они образуются из первоначал с таким-то вкладом субъективного.” д) Несмотря на бесконечность процесса углубления знания физика полагает для себя, что имеется чисто объективное основание вещества. Именно оно существует само по себе и на самом деле, а все остальное существует в видимости, не само по себе, а только для субъекта. Выходит, Демокрит был выразителем как раз так себя понимающей физики: “Существуют атомы и пустота, а остальное - только во мнении”, - конечно, с поправкой на то, что он, насколько мы знаем, верил в ограниченную - только до атомов - делимость материи и соответственно в конечную глубину первоначал.

Так вот в этом смысле мы здесь и говорим, что термодинамика и энтропия вместе с законом ее возрастания не относятся к физическим первоначалам и не порождаются ими, следовательно чисто объективно не существуют. В простейшей для настоящего времени модели мира с механическими частицами в качестве первоначал вещества это прослеживается с полной ясностью.



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