Об аналогии между термодинамикой и квантовой механикой

 

ДЕЯТЕЛЬНОСТНЫЙ МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ.

Теперь приведем некоторые свидетельства и проявления нередукционистского механизма возникновения термодинамики.

Первое такое существенное проявление отчетливо обнаружилось в виде принятой всеми в те времена разрабо­танной М.Смолуховским интерпретации термодинамической необратимости, то есть второго закона термодинамики в формулировке Клаузиуса. При том, что набор механических частиц, изолированный в замкнутом объеме, ведет себя в соответствии с теоремой Пуанкаре о возвращениях (квази)периодически, наблюдателю, следящему за движением первоначально сильно неравновесной системы (а только такие он обычно может видеть), она представляется необратимо стремящейся к равновесию, так как времена между возвратами состояний чрезвычайно велики по сравнению с временами наблюдения. Другими словами, необратимость вовсе не следует из свойств самой микросистемы, не порождается ими, а возникает в сфере отражения. В действительности (в модели) необратимости нет, то есть в (модельной) природе нет закона монотонного стремления к какому-либо выделенному состоянию. Необратимость возникает только как впечатление и как практический закон, практически всегда наблюдаемый у больших систем, если не проводятся какие-то специфические весьма тонкие, в настоящее время неосуществимые действия. Редукции этого впечатления только к свойствам набора частиц, очевидно, нет.

Так же очевидно, что если задействован наблюдатель, а это неизбежно придется делать, то проблема сплошного или всюду плотного зачерчивания фазового объема траекторией заменяется принципиально более легкой и явно выполнимой задачей. Реальный наблюдатель никогда не наблюдает и не требует результата не только с абсолютной точностью (эргодичность), но даже и со сколь угодно малой (квазиэргодичность). Например, проверяя экспериментально распределение частиц по координатам в объеме, мы реально никогда не используем бесконечно малых элементов объема, а часто даже и просто малых. Так, при действительной работе с газом нам не требуется, чтобы давление было непрерывной функцией на стенках объема. В случае давления на поршень в машине вообще не требуется, чтобы давление по нему очень уж хорошо усреднялось, так что ситуация с «зачерчиванием» его поверхности точечными ударами частиц даже более благоприятна, чем того требует реальная практи­ческая необходимость. Поэтому даже относительно слабое требование квазиэргодичности практически оказывается очень даже чрезмерным (хотя вообще требование такого рода, но еще более ослабленное, все-таки является необходимым, иначе у нас даже не возникло бы впечатления ни о каких непрерывных распределениях). Поэтому же трудности с теоретическим получением правильных времен релаксаций не так непреодолимы, как полагал Балеску. Только надо не пробавляться чистыми абстракциями с абсолютно точными наблюдениями и требованиями, а описывать то, что действительно происходит.

А уж как изобразить с помощью дифференциального исчисления работу, проводимую с конечными элементами, - это другой вопрос, связанный с пониманием пределов и принципа соответствия (см. [2], гл. 3 и [5]).

Второе проявление нередукционистского механизма возникновения термодинамического закона можно обнару­жить при выяснении причины необходимости холодильника для циклической тепловой машины [2,16-19].

При рабочем ходе поршня в тепловой машине частицы, ударяясь об отодвигающийся поршень, теряют часть своей энергии, передавая ее поршню. За счет этого и совершается положительная работа над внешними телами. Но при обратном ходе, если не предпринимать специальных мер, практически та же работа пойдет на вдавливание поршня обратно, то есть на повышение энергии (нагревание) частиц, так что в целом за цикл полезная работа окажется равной нулю. Для получения положительного эффекта часть энергии частиц газа перед обратным ходом можно сбросить в холодильник. Тогда давление уменьшится, и на обратный ход потребуется затратить меньшую работу, чем получена при рабочем ходе. В результате потери части энергии на бесполезную ее передачу холодильнику коэффициент полезного действия (КПД) машины оказывается меньше 100%. Это свойство - второй закон термодинамики - было понято как закон природы. Правда, его согласование с механикой доставило много хлопот, так как обратимость механики, как будто бы противоречащая необратимости термодинамики и, в частности, необходимости холодильни­ка, также есть закон природы, причем явно более первичный.

Из этого затруднения можно выйти, осознав, что механика в принципе позволяет обойтись без холодильника, но не гарантирует, что она сама это обеспечит. Чтобы обойтись без холодильника, надо эту способность механики специально использовать, а не ждать, что сама механика направит движения частиц туда, куда надо нам. Если мы хотим, чтобы на обратный ход поршня пошло меньше работы, то надо предпринимать специальные действия. Например, можно останавливать вдвигающийся поршень перед подлетом к нему частицы, а после удара продолжать движение. Тогда удары о поршень не будут ускорять (разогревать) частицы.

На это иногда возражают, вспоминая демона Максвелла, предназначенного для сортировки частиц, и указывая на трудность или даже невозможность уследить за частицами и быстро и точно среагировать. Но это наши трудности, это мы (возможно, пока) не можем делать. Механика здесь не при чем, это мы по тем или иным причинам не пользуемся возможностями, которые она предоставляет. Результат в конечном счете зависит от того, делаем ли мы это или нет. Механика может допускать это в принципе, но мы этим должны воспользоваться, иначе поло­жительного эффекта все равно не будет. То есть необходи­мость обращение к холодильнику из самой механики не следует, она есть следствие наших конкретных действий. Редукции 2-го закона к механике нет. Необходимость холодильника не порождается механикой и не является ее функцией.

Итак, свойства частиц, механика позволяют работать без холодильника. Но тот или иной контроль не реализуется сам собой, не порождается частицами с их механикой. А в доказательствах невозможности термодинамики при класси­ческой механике дело фактически обстояло так, как будто управляющие действия сами совершаются с той точностью, с какой происходят сами процессы на уровне «первоначал». Ни в каких формулах деятельность по достижению того или иного КПД не отражалась. Так что в доказательствах неявно вносимая точность действий по отношению к преследуемой цели фактически не отличалась от бесконечно точной механической определенности развертывания движения при наличных потенциалах. Необходимость нашей деятельности не осознавалась и не учитывалась в теории и методологии, поэтому об управляющих действиях при упомянутых доказательствах вообще никто не думал.

Таким образом, оказывается, что в самой (модельной) природе, которая в своих «первоначалах» механическая, отсутствует второй закон в формулировке Томсона, требующий холодильника для тепловой машины. Он возникает как отражение результатов специфической, грубой, недостаточно тщательной деятельности с механическими частицами, а не как прямое следствие свойств частиц. Этот закон есть следствие грубого управления частицами, плохого контроля над ними. Ни сам контроль, ни его способ не порождаются самой реальной системой и ее механикой и не являются однозначными функциями состояния частиц (микросистемы). Но в таком случае, если результаты действий, совершаемых над частицами с помощью такого неточного контроля, образуют некоторую систему, то нет оснований считать такую систему (например, термодинами­ку) прямым следствием одной только механики. Поэтому редукция этого закона и, соответственно, термодинамики к механике с ее свойствами невозможна. Более того, в классической термодинамике, которая вполне замкнута, самодостаточна, частицы вообще оказываются ненаблюдае­мыми, как и скрытые параметры в квантовой механике [16,2]. Работает не редукционистский, а деятельностный механизм формирования макроскопического уровня. При деятельност­ном механизме объекты «надстроечного» уровня формируют­ся двумя факторами: 1) материалом, с которым производится работа, и 2) целью, средствами и способом работы с материа­лом [2,19]. В редукционистском подходе второй фактор не замечается, и это делает весь подход неработоспособным.



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