THE ANIMATE AND THE INANIMATE / Живое и неживое: IV The Paradox

ГЛАВА 4

Anjelika9 08.12.11 в 15:37

ПАРАДОКС

Anjelika9 08.12.11 в 15:37

Второй закон термодинамики, как мы убедились, это необратимый закон физики, который кажется единственной отличительной характеристикой между реальной и обратной вселенной. В то же самое время этот закон обладает такой специфической природой, что для элементарных частиц вещества он не существует; фактически это закон, касающийся трансформации энергии больших масс. И все же все большие тела состоят из бесчисленного количества элементарных частиц вещества, законы движения которых абсолютно обратимы. Само явление обратной вселенной, как бы странно оно ни выглядело, полностью объяснимо в терминах обычных законов физики, которые применимы к малейшим частицам вещества. Тогда каалось бы, что должна существовать причина говоря языком обратимых законов физики, почему второй закон термодинамики действителен; то есть второй закон термодинамики, если он действителен, должен быть следствием из обратимых законов физики, применимых к элементарным частицам. Мы затем сталкиваемся с парадоксом, придя к выводу необратимого закона из абсолютно обратимых.

Anjelika9 04.12.11 в 22:01

И все же, поскольку обратная вселенная состоит из абсолютно постоянных серий местоположений, подчиняющихся всем обратимым законам физики, отсюда следует, что любой логичный вывод из вышеизложенного, где рассматривались обратимые законы, должен неизменно быть применимым к обратной вселенной, и что отсюда заключение должно быть верным в обратной вселенной таким же образом, как и в реальной физической вселенной. Другими словами, любое дедуктивное заключение из обратимых законов должно само быть обратимым. И все же в случае второго закона термодинамики обратимые законы, которые управляют движениями элементарных частиц вещества, кажется смешиваются каким-то образом в наилучший из взможных пример необратимого закона, управляющего движением больших масс.

Anjelika9 04.12.11 в 22:01

Мы таким образом неизбежно приходим к заключению, что второй закон термодинамики не может быть выведен из обратимых законов путем прямого дедуктивного размышления. Обратимые законы должны по необходимости оставлять свободное пространство для возможности обратимости второго закона термодинамики. Но, поскольку второй закон термодинамики просто представляет всеобщую тенденцию, мы приходим к заключению, что единственной возможностью того, что второй закон термодинамики является корректным законом физики, будет то, что его нужно вывести из обратимых законов не такой строгой логической последовательности, но достаточно большой, либо даже чрезвычайной вероятности. Такое решение данного парадокса второго закона было предложено на обсуждение Клерком-Максвеллом и другими физиками середины девятнадцатого столетия.

Anjelika9 04.12.11 в 22:01

Давайте теперь рассмотрим причины, по которым Клерк-Максвелл смог соотнести вышеуказанное с необратимым заключением. В соответствии с его рассуждениями, оба процессы возможны с точки зрения физики, концентрация и рассеивание энергии. Один процесс подчиняется второму закону термодинамики, второй отменяет его. По второму закону термодинамики столкновение больших масс производит тепло (переход молярной энергии в тепловую); в процессе перехода теплота генерирует молярное движение внутри. Далее, рассуждает Клерк-Максвелл, если частицы двигаются в группе, или скорее в двух сближающихся группах, то они очень вероятно будут сталкиваться друг с другом под разными углами, и таким образом после столкновения результирующие скорости станут рассеянными, что означает, что некоторая энергия будет превращена в тепловую. С другой стороны, обращение этого процесса будет означать концентрацию движений частиц в той же самой точке и времени столкновения, которая является намного более невероятной комбинацией, и учитывая что эта концентрация должна произойти в определенном направлении, в определенной точке, в определенное время, чтобы иметь желаемый эффект, из этого следует, что такое обращение второго закона термодинамики настолько чрезвычайно неосуществимо, что почти невозможно. Таким образом, второй закон термодинамики базируется не на необходимости, а на предельной вероятности. Обращение второго закона вероятно при обратных законах физики, как мы наблюдали, но такое рассуждение доказывает, что это будет чрезвычайно неосуществимо, а следовательно почти никогда не случится.

Anjelika9 04.12.11 в 22:01

Но опять же, если за исходные условия наших рассуждений брать обратимые законы физики, то должно быть возможным применение такого рассуждения к обратной вселенной. Следовательно, похожая стратегия рассуждений, которая должна быть абсолютно корректной с точки зрения логики, может быть прослежена, если расматривать обратную последовательность событий от эффекта к причине, вместо от причины к результату, как сделал Клерк-Максвелл.

Anjelika9 04.12.11 в 22:02

Состояние вселенной в любой момент времени может являться либо причиной всех будущих состояний вселенной, либо результатом всех прошлых состояний. И это состояние всех частиц вселенной в данный момент не только определяет один единственный результат, одно единственно возможное будущее; то же самое данное состояние (позиция и скорость каждой частицы) может быть вызвано лишь единственно возможной серией прошлых событий. Отсюда следует, что проследить наши случайные события шаг за шагом наоборот так же возможно, как и ту же последовательность в прямом порядке.

Anjelika9 04.12.11 в 22:02

Теперь, отслеживая причинно-следственную связь в обратном порядке, мы обнаружим, что молярные движения, прослеженные в обратном направлении, будут по всей вероятности приводить нас ко времени, когда две массы, находящиеся сейчас в движении, были в контакте. Следуя рассуждениям Клерка-Максвелла, мы должны сказать, что когда две частицы двигаются друг от друга, ричиной должно быть их столкновение, хотя бы какая-то форма столкновения частиц, но форма, которая повлекла молярное движение. По всей вероятности эти две рассматриваемые массы не будут двигаться, что прослеживается обратно до столкновения и отскока всех частиц с одинаковым углом; что однозначно приводит, в соответствии с правилами упругого столкновения, к тому, что до удара движения частиц должны были быть случайными. Таким образом, рассуждая в обратном направлении, мы получаем вероятность того, что молярные движения должны быть по крайней мере частично вызваны теплом, что свидетельствует о вероятности обратимости второго закона термодинамики. И наоборот, то получить случай в соответствии со вторым законом термодинамики, проводя аналогичные рассуждения, будет необходимо проследить взаимодействие двух тел обратно до их контакта в некоторое конкретное время, чтобы тепловые движения этих тел, за которыми мы следим в обратном порядке, внезапно в некоторый момент и точку контакта пришли к концентрации движения частиц каждого тела независимо от другого тела, поскольку только такая концентрация будет следствием молярного движения, которое риведет тела к столкновению. Вероятность такого сочетания предельно мала, для того чтобы просто переключить двигатель наших рассуждений на обратный ход; абсолютно такое же рассуждение говорит нам, что второй закон термодинамики чрезвычайно невероятен, но что наоборот, его обратимость крайне вероятна.

Anjelika9 04.12.11 в 22:02

Продвигаясь таким образом от состояния вселенной в данный момент, если объединить наши рассуждения вперед и обратно по времени, если такой логике можно доверять, то это означает, что второй закон термодинамики будет действителен применительно к будущему, тогда как его обратный вариант - к прошлому. Несмотря на то, что данный результат будет фактически неверен, он противоречит самому себе, поскольку в любой данный момент времени по отношению к предшествующим моментам это будет будущее, а к последующим - прошлое. Получается, что в рассуждениях Клерка-Максвелла должна быть какая-то ошибка, которая при продолжении линии рассуждений даст нам второй закон термодинамики в общей форме.

Anjelika9 08.12.11 в 02:37

Возьмем особый случай, который мы используем как иллюстрацию. Молярная энергия в отсутствие тепловой, совершенно определенно, что является вопросом чистой теории, произведет после столкновения меньше молярного движения и немного теплоты (общее количество энергии останется неизменным). Но такое первоначальное условие является само по себе крайне невероятным. Если первоначальные скорости частиц могут быть определены в любом направлении и в любой величине, то крайне невероятно, что все скорости будут иметь одинаковое направление и величину, даже если бы и приблизительно. Чем меньше количество частиц, тем больше вероятность результирующего концентрированного движения. Также чем меньше масса, тем больше вероятная средняя скорость массы в данное время, когда частицы двигаются случайным образом. Отсюда следует, что когда происходит столкновение тел, частицы которых двигаются случайным образом, велика вероятность того, что в этот момент в точке контакта небольшая масса частиц в непосредственной близости получит бОльшую скорость, чем вся масса. Таким образом, когда произойдет столкновение, действующая сила, производящая молярное движение, будет состоять, в непосредственной близости от точки столкновения, из двух средних скоростей, больших чем соответствующие массы. Если эти бОльшие скорости будут действовать больше в сторону друг друга, чем в сторону массы в целом, тогда будет почти вероятно, что некоторая тепловая энергия двух тел перейдет в молярное движение. С другой стороны, если соответствующие скорости вблизи точки контакта более удалены друг от друга, чем скорости самих масс, произойдет обратное. Кроме того, пока у нас имеется возможность превращения тепловой энергии в молярную либо в какую-либо другую форму энергии и возможность накопления разниц между концентрацией таким же методом, это будет тенденция, противоположная разработкам Клерка-Максвелла. В результате мы все еще не можем строить заключения по поводу того, какая тенденция более вероятна.

Anjelika9 13.12.11 в 17:51

Если более того, мы допустим, что должны рассмотреть для данного момента времени все позиции и скорости как равновероятные и что для всех таковых первоначальных позиций и скоростей, которые приведут вселенную к подчинению второму закону термодинамики, то существует обратная вселенная, настолько же вероятная; обратив этот закон, мы приходим к заключению, что второй закон термодинамики и его обращенная версия одинаково вероятны. Если это будет действительным для любого данного события, тогда вероятность наблюдаемых фактов, имеется ввиду, что все события подчиняются второму закону, должна быть инфинитезимально мала. Таким образом, снова мы вынуждены заключить, что второй закон термодинамики, будучи под наблюдением на фактах, которые можно объяснить лишь как абсолютно возможный результат обратимых законов физики, наоборот является наиболее невероятным.

Anjelika9 13.12.11 в 17:52

Однако совершенно не это, а второй закон термодинамики, если продлить его до логического завершения, производит абсолютно абсурдные результаты. С самого начала, учитывая что здесь будет присутствовать типа смерти вселенной в отдаленном будущем, у нас есть время, когда все попадет на одинаково мертвый тепловой уровень; хотя все это по всей вероятности произойдет медленно. Но скорость уменьшения доступной энергии под действием второго закона приблизительно пропорциональна количеству доступной энергии во вселенной; отсюда следует, что скорость превращения энергии в недоступную форму должна постоянно снижаться. Проследив за процессом в обратном порядке, мы находим, что в прошлом, чем далее мы туда углубляемся, тем чаще мы получаем больший процент доступной энергии во вселенной, который увеличивается даже с большей скоростью. Следовательно, отсюда следует, что мы должны дойти до некоторого определенного момента времени в прошлом - и это не бесконечное движение обратно, - где доступная энергия составляла 100% от всеобщей энергии вселенной. В некоторое время, возможно немного ранее, все движение во вселенной должно было состоять из молярного движения масс, которые, с нашим продвижением обратно во времени, должны увеличиваться в размере, пока мы не прибываем в то время, где вся энергия должна была состоять из энергии двух половин вселенной, двигающихся вместе, каждая из которых находится при температуре абсолютного нуля и все ее части двигаются друг около друга с абсолютно одинаковой скоростью. Эта вероятность, и вправду, есть нечто, подтвержденное фактом, что в настояшщее время звезды двигаются в двух противоположных направлениях, в двух противоположных потоках, и можно предположить, что это остатки двух первоначальных огромных групп звезд, чье столкновение образовало современную вселенную в соответствии с данной версией.

Anjelika9 23.12.11 в 00:57

В то же время две первоначальные половины вселенной не могли быть одновременно взаимно недостижимыми, поскольку в этом случае результатом столкновения будет их отскок, который произведет огромное количество внутренней тепловой энергии в каждой из них, и возможно отделение небольших частиц от каждой. Тогда покажется, что как будто бы первоначальные половины вселенной должны были состоять из отдельных темных звезд, со структурой, в некоторой степени похожей на нашу современную вселенную. Во время столкновения все звезды, даже все их частицы, в каждой из полувселенных должны были двигаться вместе с одинаковой скоростью и в одинаковом направлении.

Anjelika9 23.12.11 в 00:58

Второй закон термодинамики в таком случае должен отсчитывать дату от какого-либо Великого столкновения, которое положило начало нашей вселенной. Но что происходило до этого Великого столкновения? Ответ вероятно будет следуюшим: все было при температуре абсолютного нуля, существовали две вселенные, двигающиеся друг к другу, в каждой из которых не было и следа относительного движения. Хотя обе вселенные были в движении, внутри них движения не было, не было внутренней энергии.

Anjelika9 23.12.11 в 00:58

Но если такова была ситуация во время Великого столкновения, она не могла продолжаться вечно, если только мы не представим, что закон гравитационного притяжения не действовал в то время. Если взять каждую полу-вселенную саму по себе, их обратные вселенные будут обладать теми же условиями, которые мы только что рассмотрели, за исключением того, что полу-вселенные двигаются в направлении друг от друга, и поэтому мы можем мирно продолжать, не опасаясь угрозы от неминуемого Великого столкновения. Каждая полу-вселенная может в целях внутренних происшествий быть рассмотренной как находящаяся в состоянии покоя. Гравитация в таком случае притянет все звезды в каждой из полу-вселенных к центру гравитации, пока они все не упадут туда. Сделав еще одно обращение, чтобы представить процесс таким, как он должно быть происходил, получаем следующие результаты. Каждая полу-вселенная первоначально состояла из одного огромного тела; вдруг неизвестно как это тело взорвалось на части, которые образовали звезды; каждая часть однако осталась при температуре абсолютного нуля. Наконец, в каждой полу-вселенной взаимная гравитация звезд медленно восстановила их исходное состояние покоя. Как только этот относительный покой был достигнут, две полу-вселенные столкнулись, и из этого столкновения получилась наша современная вселенная. Так мы рассмотрели эти процессы обратно за Великое столкновение; но эти столкновения невозможно проследить далее по времени в соответствии с известными законами физики без нарушения второго закона термодинамики. В результате если мы желам сохранить второй закон термодинамики, нужно либо обойтись без некоторых других законов физики, либо как сделали некоторые физики, разнообразить создание. Другими словами, второй закон термодинамики не может действовать на бесконечности в прошлое, хотя может являться действительным на бесконечности в будущее. И даже допущение создания всего лишь предположит процесс, отличающийся от ороцессов, проходящих в соответствии с обычными законами физики.

Anjelika9 23.12.11 в 00:58

Другими словами, мы приходим к неизбежному заключению, что существование необратимого второго закона термодинамики в той же вселенной, что и обратимые законы, касающиеся движения частиц, является парадоксом и исходя из этой точки зрения, и из факта, что второй закон, доведенный до своего логического предела, возвращает нас к моменту загадочного создания, который отрицает все законы физики сразу.

Anjelika9 23.12.11 в 00:58