Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Увеличивающаяся равномерность в распространении энергии может интерпретироваться как увеличивающийся «беспорядок». «Порядок» мы интерпретируем как качество, характеризующее расположение частей системы: например, распределение вещей по категориям, расположение карточек в алфавитном порядке, занесение предметов в список по мере увеличения их количества. Равномерное распространение предметов должно игнорировать все это дифференцирование. Как результат мы получаем, что специфическая категория объектов равномерно распределяется среди остальных категорий: такое явление мы можем назвать «максимальным беспорядком».

По этой причине, когда мы перемешиваем аккуратно сложенную колоду карт в случайном порядке, мы можем говорить об увеличении энтропии. Да и вообще все процессы, которые непосредственно происходят, кажется (в соответствии со вторым законом термодинамики), вызывают увеличение беспорядка. Если не предпринять специальных усилий, чтобы полностью изменить порядок вещей (что увеличит нашу собственную энтропию), то опрятные комнаты будут иметь тенденцию стать неряшливыми, неубранными, блестящие объекты будут иметь тенденцию стать мутными, пыльными, вещи, которые мы запомнили, будут иметь тенденцию забываться, и так далее.

Таким образом, здесь, в этой книге, мы пришли к достаточно парадоксальной симметрии. Мы начали с греческих философов, сделавших первую попытку установить систематические обобщения, лежащие в основе порядка Вселенной. Они были уверены, что такой порядок, в основном простой и постижимый, существует. В результате развития предложенных ими идей мы действительно обнаружили такие обобщения. И из них наиболее мощные из всех обнаруженных обобщений -первые два закона термодинамики — демонстрируют нам, что порядок во Вселенной прежде всего бесконечно увеличивает беспорядок в ней же.

В первом томе этой книги я рассказывал о трех видах энергии: движении (кинетическая энергия), звуке и тепле. Оказалось, что звук и тепло — это в конечном итоге формы кинетической энергии.

В случае звука атомы и молекулы, составляющие воздух или иную среду, в которой звук распространяется, перемещаются туда и обратно упорядоченным образом. Таким образом, волны сжатия и разрежения распространяются с фиксированной скоростью.

Тепло же, с другой стороны, связано с хаотичным движением атомов и молекул, из которых состоит любое вещество. Чем больше средняя скорость такого движения, тем больше интенсивность тепла (см. ч. I).

В середине XIX века шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) и австрийский физик Людвиг Больцман (1844–1906) детально разработали теорию, в которой тепло рассматривалось как хаотичное движение молекул (молекулярно-кинетическая теория).

Тогда еще заманчивее стало предполагать, что все феномены во Вселенной могут быть рассмотрены как основанные на движении.

С этой точки зрения Вселенную можно представить состоящей из огромного числа частиц; каждая частица, перемещаясь, влияет на соседние частицы, с которыми входит в соприкосновение.

Это такой же процесс, какой мы видим, например, в механизме обыкновенных часов. Одна деталь часов воздействует на другую через раскручивающуюся пружину, через движение сцепленных шестеренок, через рычаги; в общем — посредством всех видов физического взаимодействия.

В других машинах подобные взаимосвязи могут состоять из бесконечных ремней, блоков, водяных струй и т. д. В микромире — это атомы и молекулы, которые находятся в движении и воздействуют друг на друга, когда сталкиваются. В космосе — это планеты и звезды, находящиеся в движении и воздействующие друг на друга посредством гравитации.

Все от необъятной Вселенной до ее крошечных частей можно рассматривать как подчиняющееся тем же самым законам механики физического взаимодействия, что и привычные нам машины.

Это философия механизма, или механистическая интерпретация Вселенной. (Гравитационное воздействие, как я вкратце покажу, не совсем попадает под это представление.)

Взаимодействие через движение подчиняется прежде всего трем законам движения (см. ч. I), предложенным Исааком Ньютоном (1642–1727) в 1687 году, и закону всемирного тяготения, предложенному им же. Следовательно, механистический взгляд на Вселенную можно назвать «ньютоновской моделью Вселенной».

Весь первый том книги посвящен ньютоновской модели. Он возвращает нас к середине XIX века, когда этот взгляд преодолел все препятствия и казался торжествующим и непоколебимым.

Вот пример: в первой половине XIX века было обнаружено, что движение Урана по своей орбите не совсем соответствует вычисляемому по ньютоновскому закону всемирного тяготения. Разница между тем положением Урана, которое ожидалось по вычислениям, и тем, которое было на самом деле, была совсем небольшой; однако сам факт этой разницы мог разрушить все ньютоновские построения.

Два молодых астронома, англичанин Джон Кауч Эдамс (1819–1892) и француз Урбен Жан Жозеф Леверье (1811–1877), решили, что теория Ньютона не может быть неверной. Причиной несоответствия наверняка стало существование неизвестной планеты, гравитационное влияние которой на Уран не было учтено.

Независимо друг от друга они просчитали, где должна находиться такая планета, чтобы именно таким образом повлиять на движение Урана, и пришли к одному и тому же выводу. В 1846 году предполагаемая планета была обнаружена. После такой победы кто еще мог сомневаться в пользе ньютоновской картины мира?

И все же к концу столетия обнаружилось, что ньютоновская теория является не более чем приближением. Вселенная оказалась сложнее, чем это предполагалось. Потребовалось найти более всеобъемлющие и уточненные объяснения.

Начало краха можно было предвидеть в той же самой середине XIX века, на которую пришелся пик ньютонианства. По крайней мере, это начало ясно просматривается сейчас, веком позже, задним числом. Змеем ньютоновского рая оказалось нечто, именуемое «воздействием на расстоянии».

Если мы рассмотрим роль движения в окружающей нас обыденной жизни, стараясь не проникать ни в космические масштабы, ни в микромир, то покажется, что тела взаимодействуют через контакт. Если вы хотите поднять камень, вы сначала должны дотронуться до него руками или использовать рычаг, который одним концом прикасался бы к камню, а другим — к вашим рукам.

Разумеется, если вы запустите мяч катиться по земле, он будет продолжать движение даже тогда, когда ваша рука уже его не касается; этот факт ставил в тупик философов древности и Средневековья.

Первый закон Ньютона устранил эту проблему, объявив, что приложение силы требуется только для изменения скорости (см. ч. I).

Для того чтобы увеличить скорость катящегося мяча, по нему надо ударить молотком, ногой или каким-нибудь предметом; ему нужен контакт с материей. (Даже реактивный выхлоп, движущийся назад и толкающий тело вперед по третьему закону Ньютона, отталкивается напрямую от тела.) Так же замедлить качение мяча может трение о землю, по которой он катится, касаясь ее, сопротивление окружающего воздуха, сквозь который он катится, касаясь его, или мягкое столкновение с материей, которой он опять же должен коснуться.