Стрела времени и необратимость, возникновение хаоса из порядка и порядока из хаоса как следствие фундаментального детерминизма

Косарев А.В., инженер-теплоэнергетик, к.т.н.

Введение

Пригожин И. в [Л-6] пишет: “Можно ли каким-то образом установить связь между столь различными пониманиями времени – временем как движением в динамике, временем, связанным с необратимостью, в термодинамике, временем как историей в биологии и социологии? Ясно, что установление такой связи – задача не из лёгких. И всё же мы живём в единой Вселенной, и, чтобы достичь согласованной картины мира, частью которого мы являемся, нам необходимо изыскать способ, позволяющий переходить от одного описания к другому”. Цель данной статьи попытаться дать единое представление о времени, применимое для всех означенных выше областей, а также показать способ, который позволит не просто переходить от одного описания к другому, а сделать единое описание всех областей классической динамики (динамики Ньютона, термодинамики, теплопередачи, гидродинамики, электродинамики токов, динамики в биологии) исходя из единых исходных постулатов. Выше перечисленные области классической динамики находятся в вопиющем противоречии. Динамика Ньютона и термодинамика уважительно отгородились друг от друга и придерживаются политики невмешательства в область описания другого. Динамика Ньютона описывает системы состоящие из малого числа частиц, элементов, а термодинамика описывает системы из несчётного числа частиц, элементов. Термодинамика же (во всяком случае классическая) и биология фактически исключают друг друга. Эволюция в термодинамике, вытекающая из её исходных постулатов, приводит к равновесному состоянию, что с точки зрения биологии означает конец развития и смерть. Эволюция по Дарвину, принятая биологией и также отвечающая реальному миру, противоречит постулатам термодинамики. Мало общего, если об этом вообще можно говорить, и между динамикой Ньютона и биологией. Необходимо обратить внимание на то, что и классическая статистическая механика применяет математический аппарат теории вероятностей, опираясь на гипотезу молекулярного хаоса (принцип элементарного беспорядка), предложенную Больцманом, и которая аккумулирует в себе нулевой и второй постулаты термодинамики. Конечно, эта гипотеза подтверждена и опытом и приложениями теории, но тем не менее теоретически не обоснована до сих пор. Сложное и запутанное становится понятным, когда во всём этом удаётся увидеть простое и главное. Таким простым, главным и объединяющим для означенной совокупности знаний является эффект вырождения результирующего импульса в многочастичной среде через нецентральное соударение. Наложение этого эффекта на законы динамики Ньютона позволяет построить классическую макро физику исходя из трёх постулатов, которые лежат в основе динамики Ньютона. Это: закон сохранения и превращения энергии; закон сохранения результирующего импульса (момента импульса); корпускулярный характер строения материи, приводящий к нецентральному соударению.

Последний постулат нигде отдельно не выделяется, но фактически также лежит в основе динамики.

Но сначала о времени.

Время в динамике процессов и в эволюции событий

Проблема времени вызывала интерес с глубокой древности. Во всяком случае с античных времён по сегодняшний день исследователи практически всех направлений уделяли понятию времени самое пристальное внимание.

“Время – фундаментальное измерение нашего бытия. … В том виде, как оно входит в фундаментальные законы физики от классической динамики до теории относительности и квантовой физики, время не содержит в себе различия между прошлым и будущим! Для многих физиков ныне это вопрос веры: до тех пор и поскольку речь идёт о фундаментальном уровне описания, “стрелы времени” не существует. Тем не менее во всех явлениях, с которыми нам приходится иметь дело, будь то явления из области макроскопической физики, химии, биологии, геологии, гуманитарных наук, будущее и прошлое играют различные роли. Существование стрелы времени здесь очевидно. Каким образом может возникнуть стрела времени из фундаментальной концептуальной схемы физики? Каким образом она может возникнуть из симметричного по времени мира? Или, быть может, воспринимаемое нами время не более чем иллюзия? Эти вопросы приводят к парадоксу времени – центральной теме нашей книги.” [Л-5].

Как представляется автору данной статьи ни какого парадокса тут нет, а есть путаница между понятием промежуток времени, используемым динамикой и понятием момент времени, используемый эволюционными теориями. Сразу хочу оговориться, несмотря на частое цитирование Пригожина и зачастую в противоречие того, о чём говорю сам, это не означает противоречия с концепцией Пригожина. Напротив, я пытаюсь дать ответы на сформулированные им вопросы, да и указываемые противоречия по большей части сформулированы именно им для обоснования его концепции.

Время в динамике процессов и в эволюции событий – совершенно разные понятия. Именно соединение вместе этих различных понятий и даёт нам стрелу времени или числовую ось времени.

Рассмотрим время в динамике процессов.

Основная задача динамики, диктуемая её основным законом, заключается в описании движения массы под действием силы. Обратим внимание, что всякий процесс связан с движением, с перемещением в пространстве. Движение характеризуется, в числе прочего, скоростью движения и именно для определения величины скорости и введено понятие времени (промежутка времени) в динамике. А вот само понятие времени (промежутка времени) в динамике возникает из сравнения скоростей различных, не зависимых друг от друга, процессов. Примеры:

Пример-1. Рассмотрим два независимых друг от друга процесса – движение автомобиля по дороге и качание маятника. В процессе движения измеряем расстояние пройденное автомобилем с помощью какой-то эталонной меры и число полных периодов качания маятника. Причём замеры обеих величин начинаем и заканчиваем одновременно. Из отношения замеренных величин, каждая из которых определяется скоростью её процесса и возникает время в динамике процессов (промежуток времени). Мы можем сказать, что на одно полное качание маятника приходится столько-то величин эталонных мер расстояния, которыми измеряется пройденный путь. То есть время выступает как кратная величина скоростей сравниваемых процессов. Здесь мы приняли в качестве эталона сравнения скоростей процессов скорость качания маятника. Можно и наоборот. Теперь принимая скорость эталонного процесса как меру промежутка времени (один период качания маятника – одна секунда, например) получаем кратную скорость любого другого сравниваемого с ним процесса. Из сравнения кратных скоростей (по отношению к маятнику) двух движущихся автомобилей мы и определяем соотношение их скоростей.

Конечно, если автомобили начинают и заканчивают движение одновременно, то для сравнения их скоростей вовсе и не нужно маятника, вовсе и не нужно эталонного процесса. Но если автомобили движутся не одновременно, то для сравнения их скоростей без маятника не обойтись.

Пример-2. Вращение Земли вокруг собственной оси (суточное вращение) и вращение Земли вокруг Солнца (годичное вращение). Здесь ситуация совершенно аналогична ситуации первого примера. Пользуясь астрономическими знаниями, определяем число суточных оборотов за один годовой оборот. Принимая скорость вращения вокруг Солнца за эталонную скорость, находим скорость вращения Земли вокруг своей оси как кратную величину по отношению к вращению Земли вокруг Солнца. Причём это стало возможным потому, что оба эти независимых процесса протекают одновременно. Как и в случае одновременного движения двух автомобилей для определения соотношения скоростей процессов здесь можно обойтись без третьего эталонного. А вот ели замеры производить раздельно, то без процесса качания маятника, например, тоже не обойтись.

Время в динамике процессов (промежуток времени) – это просто скорость какого-то процесса выбранного в качестве эталона сравнения. Параметр времени в динамике процессов введён для выявления соотношения скоростей независимых процессов. Самого времени как “нечто самостоятельное” не существует. В этом смысле время в динамике процессов действительно “иллюзия”. Причём чёткого определения времени (промежутка времени) невозможно дать без существования равномерного периодического процесса, с которого начинается сравнение кратных скоростей других процессов. Под равномерностью периодического процесса нужно понимать не равномерность его скорости, а строгую повторяемость его циклов на каждом этапе цикла. Например, маятник имеет скорость движения от нуля в верхних точках траектории до максимума в нижней, но мы имеем в виду под равномерностью скорости процесса то, что в каждом цикле движения всё строго повторяется, все характеристики процесса. Вот почему в качестве эталонных процессов выбирают качание маятника, вращение Земли вокруг своей оси или вокруг Солнца. Причём для более точного измерения вариаций скорости (кратной скорости) какого-либо процесса в качестве эталона необходимо выбирать равномерный периодический процесс с возможно большей собственной скоростью. По этой причине сегодня в качестве эталона времени выбраны атомные или квантовые часы с большой частотой и высокой степенью повторяемости периодов частот процесса излучения.

Рассмотрим время в эволюции событий.

Эволюция изучает события или иначе видоизменения, метаморфозы, бифуркации, т.е. какие-то резкие качественные изменения наблюдаемой системы, объекта и последовательность этих событий. Наблюдая за событиями, мы можем лишь сказать о том какое событие произошло раньше, а какое позже или они произошли одновременно. Причём вне зависимости то того связаны ли события между собой какой-либо причинно следственной зависимостью или нет. Из простого наблюдения за последовательностью событий возникают понятия прошлого, настоящего и будущего, возникает направление событий. Мы можем говорить о последовательности моментов возникновения этих событий. Но все эти понятия сами по себе не имеют никакого отношения к понятию промежутка времени. Причём в отличии от динамики процессов, где в качестве реальности выступают скорости процессов, а промежуток времени это “иллюзия” отражающая соотношение реальных скоростей, в эволюции событий их последовательность и момент наступления самая, что ни на есть реальность. Объединение столь различных понятий как промежуток времени в динамике процессов и моментов времени в эволюции событий в единую числовую ось времени возможно по той причине, что события наступают в результате протекания физических процессов. Пусть имеем наблюдаемую последовательность событий. Между событиями протекают процессы, порождающие эти события. Замеряя скорости этих процессов по скорости эталонного процесса, получаем промежутки времени между отдельными событиями в последовательности. Теперь осталось выбрать за начало отсчёта какое-либо событие (сотворение мира, рождение Христа или основание Рима) и числовая ось времени готова.

Далее происходит абстрагирование от конкретной последовательности событий и моменты времени на числовой оси получаются как числа, суммирующие последовательность промежутков времени эталонного хронометра. А моменты времени конкретных реальных событий привязывают к полученной абстрактной числовой оси времени и тогда мы получаем даты.

Таким образом равномерный периодический процесс лежит в основе понятия времени. Без него даже эволюционная последовательность событий (если только она сама не равномерна как верстовые столбы) не позволит определить время как аналитическое понятие. Именно по отношению к скорости эталонного равномерного периодического процесса и определяются скорости всех других процессов. Если нет такого эталонного процесса или скорости процессов равны, или при описании процессов не учитывают их скорости, то в такой ситуации параметр времени становится не востребованным. Наглядными примерами являются классическая равновесная термодинамика и преобразования Лоренца. В равновесной термодинамике скорости обратимых процессов принимаются бесконечно медленными, то есть с точки зрения численного анализа равными нулю. А если равны нулю скорости процессов, то и нет нужды во времени как таковом. Преобразования Лоренца специально сконструированы для того, чтобы не допустить скорости большие скорости света. Отсюда та же ситуация, при приближении скорости к скорости света и соответственно выравнивании скоростей время останавливается.

Время как и число – это интеллектуальная категория, служащая для количественного описания окружающего мира и не более того. Процессы и события для своего протекания и осуществления не нуждаются во времени как таковом. Им всё равно будет где-либо качаться маятник или нет. Всё определяется соотношением сил и энергий. Время необходимо человеку для анализа количественных соотношений между этими величинами, для анализа и оценки процессов и событий, реально протекающих в природе. Время – категория, введённая человеком для познания действительности. Без человека нет времени, а есть процессы и события. Объективность времени определяется не секундами и веками (т.е. промежутками времени) и не датами (т.е. моментами времени), а скоростями процессов и фактами событий, не зависящих от субъекта. Время – интеллектуальное тождество скоростям процессов и фактам событий.

Теперь нужно ответить на самый главный и интригующий вопрос, касающийся времени – это вопрос об не обратимости времени.

Эффект вырождения результирующего импульса как связующий элемент, обеспечивающий целостность и единство классической динамики

Мы уже отмечали, что события наступают в результате протекания тех или иных процессов. Даже само событие есть какой-то процесс со своей динамикой, со своими энерго превращениями. Поэтому что бы ответить на вопрос о возможности или не возможности обратной цепи событий, обратного хода времени, нужно ответить на вопрос о возможности или невозможности обратного течения процессов. Вопрос обратимости или не обратимости времени – это вопрос обратимости или не обратимости процессов в динамике. Последнее является доминантой исследований Пригожина и его коллег по данному вопросу. Обоснуем и докажем правильность этой доминанты.

Сначала о обратимости процессов в динамике Ньютона, динамике малого, счётного числа взаимодействующих частиц.

Рассмотрим один из наиболее ярких примеров обратимости процессов в динамике Ньютона – это обратимость движения математического маятника. При качании маятника в ту или иную сторону движения строго повторяются и при описании движения время можно принимать как со знаком плюс так и со знаком минус. Ни сточки зрения количества, ни с точки зрения качества оба описания не будут противоречить друг другу. Качание в одну сторону строго противоположно, обратимо качанию в другую сторону. Усложним ситуацию. Рассмотрим цепочку подвешенных на прямой линии достаточно близко друг к другу совершенно одинаковых математических маятников. Отклоним первый маятник, то есть за счёт совершения работы передадим ему потенциальную энергию, и отпустим. Взаимодействие будем описывать законами центрального абсолютно упругого удара. В системе начнётся процесс последовательного соударения и в цепочке возникнет процесс передачи импульса и энергии вдоль цепочки. При этом каждый акт взаимодействия между массами двух маятников сопровождается переходом кинетической энергии в потенциальную и наоборот и совершается работа против силы или силой. Этот процесс будет протекать до последнего маятника. После того как последний маятник отклонится и энергия системы сосредоточится в потенциальной энергии последнего маятника, весь процесс повторится, но в обратной последовательности, в обратном направлении. Мы растянули процесс во времени, но он остался обратимым. Однако если цепочку маятников предположить бесконечной длины, то процесс передачи импульса и энергии по цепочке станет необратимым. Таким образом теоретически необратимость процесса возможна и в классической динамике Ньютона, но это не локализованная в пространстве и времени, гипотетическая необратимость.

Теперь о необратимости процессов в термодинамике, динамике большого, несчётного числа частиц, которые как показывает практика локализованы и во времени и в пространстве.

Исторически сложилось так, что при рассмотрении процессов в неравновесных термодинамических системах в тени остаётся один из самых фундаментальных законов природы – закон сохранения результирующего импульса как системный закон. Похоже сознание исследователей, воспитанных на трёх законах Ньютона, с аккумулированных в законе сохранения результирующего импульса, было шокировано фактом существования равновесного состояния и неизбежности его наступления. Это привело к отгораживанию динамики Ньютона от термодинамики и в последующем независимому развитию обеих наук. В основу термодинамики был положен факт существования равновесного состояния в тепловых системах и неизбежности его наступления. Были сформулированы нулевой и второй постулаты, которые напрочь отметали закон сохранения результирующего импульса. Термодинамика как бы пренебрегала динамикой Ньютона, претендовавшей на место первой из наук. Видимо это и стало причиной жестокой травли Больцмана со стороны приверженцев классической динамики, когда Больцман делал попытки вывести гипотезу молекулярного хаоса, постулирующую равновесное состояние, из законов классической динамики. А ведь Больцман был так близок к решению этой задачи в своём первом механическом варианте H-теоремы.

Рекомендуем скачать другие рефераты по теме: русский язык 9 класс изложения, сочинение 6 класс.





1  2  3  4  5  6  7 | Следующая страница реферата