Эту проблему пытался решить во второй половине XIX века Л. Больцман. Он обратил внимание на то, что термодинамическая необратимость имеет смысл только для большого числа частиц: если частиц мало, то система оказывается фактически обратимой. Для того чтобы согласовать микроскопическую обратимость с макроскопической необратимостью, Больцман использовал вероятностное описание системы. Однако вскоре было показано, что уже само по себе вероятностное описание в неявном виде содержит представление о существовании "стрелы времени", и поэтому доказательство Больцмана нельзя считать корректным решением проблемы.
Сам Больцман пришел к выводу, что вся бесконечная Вселенная в целом обратима, а наш мир представляет собой по космическим меркам микроскопическую флуктуацию. А в середине XX века пулковский астроном Н.А. Козырев попытался создать необратимую механику, в которой "стрела времени" имеет характер физической реальности и служит источником энергии звезд. Но точка зрения Больцмана допускает возможность нарушения причинности в отдельных достаточно обширных областях Вселенной, а точка зрения Козырева вводит в описание природы некую особую физическую сущность, подобную «жизненной силе».
4. Основные понятия, законы и принципы классической физики
Классическая физика понимается как фундаментальная база исследования макрообъектов. Для иллюстрации этого положения рассмотрим следующий пример. Как движется автомобиль? Поступательное движение поршней в цилиндрах преобразуется во вращательное движение колес. Колеса отталкиваются от поверхности дороги, и в результате автомобиль перемещается в пространстве по отношению к окружающим предметам. Все эти процессы изучает «Механика». Началом «цепочки» механических движений является движение поршня, который толкает газообразная смесь в камере сгорания. Процессы в газах изучает «Молекулярная физика». Часть энергии рабочей смеси преобразуется в энергию поршня, а часть «выбрасывается» в виде теплоты вместе с отработанными газами, расходуется на последующее сжатие рабочей смеси и т.д. Эти энергетические процессы, от которых зависят КПД и мощность двигателя, изучает «Термодинамика». Электромагнитные процессы в системе зажигания изучает «Электродинамика». Поскольку эти процессы формируются с помощью транзисторов микросхем и других устройств, которые основаны на квантовых явлениях, то они изучаются «Квантовой физикой».
Таким образом, движение автомобиля представляет собой сумму самых разных явлений. Различные специальные дисциплины изучают отдельные явления, агрегаты и узлы автомобиля. Это связано с их сложностью и привело к дифференциации науки. Однако самое первое описание движения автомобиля связано с основными законами классической физики.
Самый простой вид движения материи в макромире - это перемещение тел по отношению к другим телам. Для его описания используются основные понятия кинематики: движение, скорость, ускорение, относительность движения, система отсчета, материальная точка, траектория и т.п. и основные законы, объясняющие механическое движение, - законы Ньютона:
Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. (Закон инерции).
Изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует (второй закон - главный закон динамики).
Действие всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, т.е. взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны (третий закон).
Согласно законам механики - основной причиной движения является действие сил. Поэтому анализу понятия силы в классической физике уделяется большое внимание. Силы делятся на: силу упругости (она связана с деформацией тел) и силу трения. Природа этих сил связана с электрическим взаимодействием между атомами; силу тяготения (ее называют силой тяжести, под ее действием свободные тела падают на Землю). Сила тяготения часто проявляется в виде веса - силы, с которой тело действует на опору; силу инерции.
Существуют разные формы движения материи (механическая, тепловая, электрическая и т.д.), которые могут переходить друг в друга. Поэтому физика использует важнейшее понятие, выражающее меру перехода одних форм движения в другие, - это энергия. Важнейшие законы классической физики - законы сохранения:
Закон сохранения энергии: энергия не уничтожается и не создается, а может лишь переходить из одной формы в другую.
Закон сохранения импульса: если сумма внешних сил равна нулю, импульс системы тел остается постоянным при любых происходящих в ней процессах.
В современной физике эти важнейшие законы сохраняют свое фундаментальное значение, они выполняются всегда и везде, не только в макромире, но и в космосе и в микромире.
Несмотря на то, что классическая термодинамика была составной частью классической физики, однонаправленность тепловых процессов принципиально отличала их от механических. Любое механическое движение обратимо, т.е. может происходить как в прямом, так и в обратном направлении через те же промежуточные состояния: вращение маховика, качание маятника и т.п. При этом в уравнениях движения меняется лишь знак времени: вместо
t следует использовать -t. Это означает, что механическое движение симметрично по отношению к изменению знака времени. Тепловые процессы в этом смысле существенно отличаются: они необратимы, не симметричны по отношению к изменению знака времени. Время всегда течет в одну сторону, так называемая «стрела времени».
Все реальные процессы протекают с увеличением энтропии, т.е. ведут к установлению теплового равновесия. Из этого следует, что всякая упорядоченность в окружающем мире постепенно исчезает, плотности частиц и температуры выравниваются, энергия рассеивается, со временем прекращается вообще всякое направленное движение, всякая жизнь, останется только молекулярный хаос. Долгое время умы не только физиков, но и философов занимала идея тепловой смерти Вселенной.
Сосуществовавшие концепции описания природы - корпускулярная и континуальная - взаимоисключали друг друга, так как считалось, что они относятся к разным сферам реальности. Поэтому обнаружение двойственной природы у одних и тех же объектов означало для классической физики потрясение всех ее основ и получило название «кризиса физики».
Основные понятия темы:
Корпускулярная концепция природы описывает все явления и процессы природы как движение частиц.
Континуальная концепция природы описывает все явления и процессы как
Вещество - вид материи, обладающий корпускулярными свойствами.
Поле - вид материи, который представляет собой взаимодействие частиц и описывается длиной волны, фазой и амплитудой.
Динамические закономерности отображают объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно.
Статистические закономерности отображают объективную закономерность в форме результата взаимодействия большого числа элементов и поэтому характеризуют их поведение в целом.
Закрытые (замкнутые) системы - системы, которые не обмениваются со своим окружением ни массой, ни энергией.
Энтропия - мера беспорядка в системе.
I-е начало термодинамики - закон сохранения энергии.
II-е начало термодинамики - энтропия замкнутой системы постоянно возрастает.
«Тепловая смерть Вселенной» - направленность всех процессов во Вселенной к точке термодинамического равновесия.
Тема 7. Открытые системы и неклассическая термодинамика
1. Закрытые и открытые системы. Энтропия, порядок и хаос
По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые и закрытые (изолированные), а иногда выделяют также частично открытые системы. Впервые представление о закрытых системах возникло в классической термодинамике и представляло собой определенную абстракцию, т.к. подавляющее большинство, если не все системы, являются открытыми.
Для описания энергетических процессов в закрытых системах использовалось понятие энтропии (в переводе с греч. - поворот, превращение) и обозначало меру необратимого рассеяния энергии. Л. Больцман, интерпретировавший это понятие с точки зрения изменения порядка в системе, связал понятия: энтропия, порядок, хаос.
Понятие энтропии оказалось связано с процессами эволюции в системе. Однако эволюция, понятие которой утвердилось в биологии, была связана с усложнением организации, в то время как эволюция в термодинамике связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалась неразрешимым вплоть до 60-х гг. XX века, пока не появилась неравновесная термодинамика.
Процессы, протекающие в различных явлениях природы, стали разделять на два класса. К первому относятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Они развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния в системе. Ко второму классу относятся процессы, протекающие в открытых системах. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в ней происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует меру беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды. В соответствующие моменты - моменты неустойчивости - в них могут возникать малые флуктуации (отклонения от равновесия), способные разрастаться в макроструктуры. В неравновесных термодинамических системах возможны состояния, приводящие не к возрастанию энтропии и стремлению термодинамических систем к равновесному хаосу, а к «самопроизвольному» возникновению упорядоченных структур, к рождению порядка из хаоса. В этом случае хаос выступает в роли активного начала процесса самоорганизации. Самоорганизация - это процесс самопроизвольного формирования структуры более сложной, чем первоначальная. Структуры, образующиеся в процессе самоорганизации, называются диссипативными структурами.
Таким образом, формируется новое представление о хаосе, которое перестает нести негативный смысл. В традиционном понимании хаос - это беспорядок, дезорганизация. В новом понимании хаос - более высокая форма, где случайность и бессистемные импульсы становятся организующим принципом.
Главным направлением физической науки XX века считалась физика элементарных частиц, которая исследовала структуру материи при наиболее высоких энергиях, малых масштабах и коротких отрезках времени и породила современные теории о природе физических взаимодействий и происхождении Вселенной. Однако она так и не смогла ответить на некоторые фундаментальные вопросы: как зародилась жизнь, что такое турбулентность, как во Вселенной, подчиняющейся закону повышения энтропии и неумолимо движущейся к все большему беспорядку, может возникнуть порядок?
Стивен Хокинг, декан физического факультета Кембриджского университета, лауреат Нобелевской премии, космолог, в 1980 г. выступил с обзорной лекцией, посвященной развитию теоретической физики и названной «Не наступает ли конец физической теории?». Он выразил мнение многих ученых о том, что понимание законов природы в терминах хорошо освоенной физики элементарных частиц оставило без ответа вопрос о том, как применить эти законы к любым системам, кроме простейших. Только возникновение науки о хаосе позволило окончательно освободить физику из пут ньютоновского видения мира. Завершилась революция в физике: теория относительности разделалась с иллюзиями Ньютона об абсолютности пространства-времени, квантовая механика развенчала мечту о детерминизме физических событий, и, наконец, теория хаоса развенчала фантазию Лапласа о полной предопределенности развития систем.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43
