40 ЛЕТ ОТКРЫТИЮ НЕТОЧНОГО
КОНТРОЛЯ НАД СИСТЕМОЙ
В КЛАССИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ
Губин В.Б.
Это было третье после теории относительности и
квантовой механики открытие, снявшее последние парадоксы рубежа XIX и XX веков.
Чем принципиально отличается термодинамика от
механики?
Механика есть описание поведения самого материала,
например, частиц, пусть в модели. Термодинамика же есть описание результатов
действия некоторого контроля над такими частицами.
Раньше, до 1969 года как само собой разумеющееся
понимали термодинамику как самостоятельное поведение материала. В результате
такого объективизма уже много больше ста лет стоят неразрешимыми парадоксы
обоснования термодинамики, согласования ее с механикой.
Главных парадоксов два. Это, во-первых, противоречие
вероятности в статистической механике, являющейся теоретической основой
термодинамики, и детерминизма механики. Оно выливается в
теоретико-множественное противоречие между одномерной механической траекторией
и многомерным фазовым объемом в статистической механике. Для объяснения
термодинамики, как считалось (для порождение
термодинамики механикой), требуется зачертить траекторией этот объем, что
невозможно. Второй парадокс – невозможность получить при обратимой механике необратимое
стремление к равновесию газа в сосуде. Это доказано, в частности, возвратной
теоремой Пуанкаре. Первое же противоречие вообще делает невозможным объективно
определить степень неоднородности (неравновесности) распределения частиц газа в
сосуде.
Исключение
из объективизма составила верная интерпретация Марианом Смолуховским в начале
XX века термодинамической необратимости как впечатления наблюдателя, которому
просто практически невозможно дождаться возвращения первоначального
неравновесного состояния газа в сосуде. Это решение тогда было всеми принято. Однако позже в силу традиционной приверженности физиков к
объективистским представлениям вплоть до запрета учитывать роль наблюдателя в
появлении открываемых физикой законов (см., например, «Статистическую физику»
Л.Д.Ландау и Е.М.Лифшица), а также в связи с усилившейся математизацией физики,
когда всё выглядело как функции от более элементарных составляющих, разъяснение
Смолуховского было отвергнуто и практически забыто. Так что поиск
разрешения парадокса необратимости продолжается до сих пор. Например,
этим еще недавно безуспешно занимался вице-президент РАН математик В.В.Козлов
(Кинетика бесстолкновительной сплошной среды //Труды
семинара «Время, хаос и
математические проблемы». Вып. III. - М.: Книжный дом «Университет». 2004. С.
15-36). Отметился нелепым решением и
И.Р.Пригожин (критику см. в моей статье «История
с энтропией») в сборнике «О физике, математике и методологии».
Так вот, я в 60-е годы очень много
времени периодически («в фоновом режиме») пытался написать приемлемое выражение
для энтропии – степени неоднородности распределения газа в сосуде – через
координаты частиц, как это и представлялось объективистами (см., например,
высказывание И.Неймана: «Знание 2k параметров (при k степенях свободы. - В.Г.) позволило бы описать...
поведение причинно, но теория
газов использует лишь два:
давление и температуру, которые
являются определенными, сложными
функциями этих 2k параметров» [Нейман
И. Математические основы
квантовой механики. - М.: Наука, 1964.]). Оно должно было быть числом, т.е. не должно было
зависеть от формы сосуда. Попытки избавиться от влияния формы стали настолько
изощренными, что появилось осознание, что этот путь несостоятелен: квадрат с
точками, где всё ясно просматривалось, не заслуживал такой сложности.
Наконец в конце сентября 1969 года пришла мысль всё же
посмотреть следствия того, что частицы не чувствуют стенок и свободно где-то
летают, когда не ударяются о них непосредственно. Оказалось, что этому
соответствуют парные неточности (или неопределенности) в координатах и
импульсах, или в моментах ударов и в определении энергии частицы. Произведения
составляющих этих пар имеют размерности действия, как у постоянной Планка, т.е.
каждая пара дает элемент фазового пространства для
одной частицы.
Сразу же стало ясно, что природа фазового пространства
в статфизике – не прохождение траекторией своего бесконечного пути и удары
частиц о стенки (т.е. объективное), а неточный контроль над частицами (сфера
субъективного).
Далее, оказалось, что эти произведения - конечно,
одинаковые - имеют одно и то же значение в разных точках термодинамической
траектории адиабаты (на разных адиабатах они разные). На ней же сохраняется и
энтропия. В статмеханике она есть логарифм фазового объема и также сохраняется
на адиабате. Кроме того, отрицательная роль энтропии в потере качества энергии
(в понижении КПД – коэффициента полезного действия тепловой машины ) вполне естественно соответствует ухудшению контроля над
частицами с помощью стенок по сравнению с точно контролирующей свои объекты
механикой. Так что ничего удивительного в нестопроцентном КПД в термодинамике
нет. Если мы будем забивать гвозди, глядя в окно, то обычно одного удара не
будет хватать. Как оказалось, уже вроде бы ясная причина нестопроцентного КПД –
просто закон природы – заключается в плохом контроле над частицами рабочего
тела. Вот как разрешается еще одно несходство термодинамики и механики.
В общем, энтропия естественно записалась через
неточности контроля над частицами. Отсюда следует, что самой по себе энтропии у
набора частиц в сосуде (и тем более без сосуда) нет, она, как и вся
термодинамика, существует лишь в сфере субъективного.
Здесь ясно видно, что такой объект, как
термодинамическая система не существует сам по себе в модели, где первичны
частицы с их механикой. Термодинамика есть лишь описание результатов
специфического контроля над системой. Высшее не сводится к низшему. Механизм
формирования объекта (вещи) в отражении двухфакторный: 1) материалом, с которым
производится деятельность (вплоть до простого, но неточного созерцания), и 2)
целью, способом и средствами деятельности. Беркли говорил, что вещи (объекты)
не существуют вне духа. Это так, но они существуют не в божественном духе, а в
головах субъектов. При этом отсутствие в материи четких границ объектов не
опровергает материализма: материя не обязана состоять из предметов.
Самовыделяющимися объектами являются только обладающие
хоть каким-то ощущением (идеальным). Во избежание недоразумения замечу, что
вполне можно говорить и практически считать внешние материальные объекты
реально существующими, но приближенно. Для субъекта это допустимо в связи с
тем, что ему не требуется абсолютная точность, поскольку его ощущения (и
материальная основа) относительно устойчивы. Именно эта допустимость не
абсолютно точного результата делает возможным существование теорий и моделей
реальности, в том числе записываемых математически, а также классов объектов. Она
же дает возможность взаимного общения с пониманием.
Изложенное доказательство несостоятельности
редукционистской связи макроскопической и соответствующей микроскопической
теорий весьма конкретно подтверждает положение диалектики о несводимости высшего к низшему. Оно применимо также и в проблеме
существования детерминистских субквантовых скрытых параметров. Все
доказательства их запрета используют редукционистскую схему.
Хотя для гуманитариев техническая часть тут может быть
весьма посторонней, однако методологическое значение
этого нового взгляда весьма велико и универсально. Никто, занимающийся
проблемой «Субъект, объект, познание», не может его пропустить без удручающих
последствий.
Более подробно и о других следствиях см. в других
статьях. Особую и
неосознаваемую трудность составляет наличие большого количества факторов,
которые надо учесть для построения более или менее полного решения проблемы
обоснования термодинамики, тем более, что часть из них
связана с непривычными для математики, но типичными для реальной практики субъективными
обстоятельствами. Мало кто видит их все в комплексе.