А. Лельевр - Эврика-86

• Название: Эврика-86
• Автор: А. Лельевр
• Жанр: Прочая научная литература

В сборнике-ежегоднике «Эврика» рассказывается о важных научных идеях, поисках, решениях минувшего года в нашей стране и за рубежом.

---

ленную в целом — обоснованна, то почему же до сих пор не наступила ее, Вселенной, "тепловая смерть"? Поскольку же конец физической Вселенной все-таки еще не наступил, постольку по крайней мере одна из этих теоретических посылок принципиально ложна, то есть либо: Вселенная еще молода (возникла сравнительно недавно); второй закон термодинамики вообще несостоятелен; он в принципе не применим ко Вселенной как целому, ибо:

а) является частным физическим законом, сфера действия которого ограничена пределами частной физической дисциплины (термодинамики);

б) Вселенная как целое в силу ряда ее уникальных физических особенностей (бесконечность, неизолированность и так далее) не подчиняется закону роста энтропии;

либо же все перечисленные теоретические допущения (1–3) остаются в силе, но во Вселенной действуют какие-то еще неизвестные науке физические механизмы, которые препятствуют наступлению "тепловой смерти" (типа концентрации рассеянной лучистой энергии и ее последующего превращения в другие «работоспособные» формы энергии).

Мнения ученых сразу же резко разошлись.

Философы и физики, стоящие на материалистических позициях, решительно отвергли первый вариант решения возникшей проблемной ситуации — идею возникновения (проще говоря, сотворения) Вселенной в недавнем прошлом. Отсюда особое внимание, проявленное ими ко второму и третьему вариантам. Однако все попытки доказать физическую необоснованность второго закона термодинамики в конечном итоге не дали положительного результата. Несостоятельными оказались и попытки обоснования термодинамики без понятия энтропии или второго закона вообще, как и попытки обосновать неправомерность применения второго начала

намики в космологии, иными словами, при изучении Вселенной как физического целого.

После этих теоретических неудач в попытках спасти Вселенную от "тепловой смерти" оставалась последняя возможность — допустить, что во Вселенной действуют неизвестные физические факторы, которые и предотвращают ее постепенную термодинамическую гибель.

Когда У. Томсон и Р. Клаузиус предприняли грандиозную научную экстраполяцию — распространили на всю Вселенную второй закон термодинамики, многие теоретически важные аспекты этого закона еще не были известны и немало вопросов осталось вне горизонта размышлений основоположников классической термодинамики.

Правда, позднее эти вопросы все же всплыли на поверхность общетеоретических и философских дискуссий. Но это было уже в то время, когда ученые с ужасом обнаружили, что звездной Вселенной, воспетой поэтами всех поколений как идеал нетленной красоты, как образец неувядающего порядка и постоянства, грозит смертельная опасность и что этой вполне реальной теоретической возможности нет сколь-нибудь серьезной физической альтернативы.

Грандиозным и очень многообещающим вначале выглядело теоретическое усилие, предпринятое известным австрийским физиком Людвигом Больцманом. Он выдвинул гипотезу, согласно которой Вселенная далеко не исчерпывается наблюдаемым астрономическим миром; последний — лишь часть грандиозной, недоступной наблюдению механической системы, которая в целом находится в тепловом равновесии, то есть в состоянии "тепловой смерти". Но в ее бесконечных просторах можно найти небольшие (в масштабах космоса) пространственные области, где физические условия могут заметно отличаться от условий,

вующих во всей остальной Вселенной.

Л. Больцман был одним из выдающихся естествоиспытателей-материалистов прошлого столетия. Поэтому его космологическую гипотезу следует оценить не только исходя из логики развития научной мысли второй половины XIX века, но и учитывая общее состояние той формы философского материализма, приверженцем которой был великий австрийский физик.

"Тепловая смерть", угрожавшая материальной Вселенной со страниц научных статей Клаузиуса и Томсона, и безуспешность теоретических усилий коллег Больцмана, предпринявших неоднократные попытки спасти ее, глубоко задевали не только научную интуицию, но и философское убеждение ученогоматериалиста. И он решил попытаться согласовать на более высоком теоретическом уровне разделяемое им материалистическое учение о бесконечности Вселенной в пространстве и времени с эмпирически констатируемой и математически оформленной в термодинамике необратимостью явлений природы и тем самым физически отвести от Вселенной угрозу "тепловой смерти".

Однако механический материализм, на позиции которого стоял Л. Больцман, был такой системой философской мысли, которая принципиально чуждалась идеи развития. Отсюда неудивительно, что во "Вселенной Больцмана" господствует, как говорится, гробовая тишина: в целом она находится в состоянии покоя, то есть физически мертва. Поэтому с позиций материализма диалектического флуктуационная концепция Больцмана выглядит явно неудовлетворительной; она противоречит одному из важнейших основоположений диалектики — принципу развития.

Материалистическая диалектика похожа на скрипку Страдивариуса (воспользуемся этим удачным образом

академика П. Л. Капицы). Эта скрипка, как известно, самая совершенная из скрипок, но чтобы на ней играть, нужно быть музыкантом экстра-класса.

Именно благодаря мастерскому владению диалектическим способом мышления Энгельсу и удавалось видеть гораздо дальше, шире и глубже своих современников-естествоиспытателей. Свидетельством тому конкретнонаучное подтверждение его философских предвидений, сделанных им в ходе критического анализа концепции "тепловой смерти" Вселенной. Как теперь выясняется, Энгельс сумел предугадать одно из главных направлений эволюции космической материи. Не будем, однако, забегать вперед…

Классическая космология к концу XIX века испытывала ряд принципиальных трудностей. Сформулированные в форме логических парадоксов, эти трудности будоражили теоретическую мысль на протяжении многих десятилетий. Наиболее твердым орешком оказался термодинамический парадокс (если Вселенная существует вечно, то давным-давно должно было наступить состояние полного статистического равновесия, чего, однако, нет в действительности!), а отзвуки бурных споров, разгоравшихся неоднократно начиная с конца XIX века, слышны по сей день.

На протяжении второго и третьего десятилетий XX столетия, когда шло становление релятивистской космологии, внимание ученых в основном было сосредоточено на двух других парадоксах — гравитационном (если, с одной стороны, Вселенная пространственно бесконечна, а с другой теория тяготения Ньютона действительно «всемирна», то в каждой точке космического пространства гравитационный потенциал был бы бесконечно большим, чего фактически нет) и фотометрическом (если бы Вселенная представляла собой бесконечную совокупность однородно распространенных по всему

пространству звезд, то их суммарное излучение было бы так велико, что ночное небо светило бы столь же ярко, как и дневное)).

Термодинамический же парадокс привлек внимание лишь в начале тридцатых годов, когда были заложены основы релятивистской термодинамики, когда классическая физика тепла была переформулирована на понятийном и математическом языке теории относительности. В итоге же выяснилось, что авторы нашумевшего вывода о грядущей "тепловой смерти" Вселенной не учли — дайне могли учесть, ибо это прояснилось именно в свете общей теории относительности, — принципиально важные физические особенности Вселенной как целокупности гравитирующих систем.

Как оказывается, дело вовсе не в бесконечности или конечности пространственной протяженности Вселенной — второй закон термодинамики одинаково применим к обоим типам физической Вселенной. И хотя непрерывное возрастание энтропии никогда не прекращается, Вселенная никогда не достигнет состояния теплового равновесия, ибо самого предельного, максимального значения энтропии не существует

В чем же дело?

Главное — в физических тонкостях «взаимоотношения» Вселенной и создаваемого ею гравитационного поля. Последнее же, как это выяснилось уже после эпохального научного открытия А. Фридмана (расширения Вселенной), оказалось переменным. Между тем вывод классической науки о том, что любая замкнутая физическая система в ходе своей длительной эволюции неизбежно перейдет в состояние статистического равновесия, относится к системе, находящейся в стационарных (неизменных во времени) внешних условиях. Это во-первых.

Во-вторых, переменное гравитационное поле замкнутой системы с точки зрения теории тяготения Эйнштейна не

может уже рассматриваться составной частью системы (не будь это так, законы сохранения, образующие основу физической статистики, применительно ко Вселенной как целому потеряли бы всякий смысл); оно выступает по отношению ко Вселенной внешним, причем нестационарным условием. Коль скоро это так, Вселенную в целом нельзя считать изолированной (замкнутой) физической системой в принятом значении этого термина.