August 2nd, 2021

Всё дело в принципе

Герман ДЬЯКОНОВ *

Насколько сложно устроен наш мир? Каждая эпоха, каждая научная картина этого самого мира, каждая новая научная парадигма отвечают на этот вопрос по-разному. Всё дело в принципах.
Одним из таковых уже почти двести лет (в 1824 г. С. Карно впервые привел доводы в его пользу) является второй закон термодинамики. Я приведу формулировку, данную ровно 170 лет назад У. Томсоном: невозможен процесс, единственным результатом которого является получение системой теплоты от одного источника и выполнение некоторой работы при использовании этой теплоты. Иначе говоря, для получения какого-то «генератора механической силы» мало иметь огромный нагреватель.
Нужен еще холодильник. Приведу более наглядный случай. Человек стоит в квартире на 25 этаже. Он падает, потеряв сознание от счастья. Останется ли он в живых? Если упадет на улицу – нет, если на пол, устланный коврами, то вполне. Дело не в высоте (температуре, электрическом потенциале, давлении), а в разности высот (температур, потенциалов, давлений). Тепло не перейдет само по себе от холодного тела к более нагретому. Нетрудно сообразить, что если некоторую систему тщательно изолировать от всяческих тепловых поступлений, то в ней установится та самая пресловутая средняя температура по больнице во всех ее частях.
Рассуждая далее, мы поймем, что никакая работа в рамках этой системы происходить не будет, а иначе сказать: внутренняя энергия системы будет минимальной. За каким-то лешим некоторым ученым пришло на ум говорить про такое состояние как про состояние максимума энтропии. Что такое энтропия, сейчас не так важно, главное состоит в том, что все процессы в классической термодинамике идут в сторону возрастающей энтропии. А как иначе, будь оно наоборот, тогда бы у нас энергия не потреблялась в наших жилищах, а производилась, и нам бы за нее приплачивали!

И вот в июньском (2021) выпуске «Успехов физических наук» появилась статья, в которой рассматривается уточнение второго закона термодинамики принципом максимума производства энтропии (в англоязычной литературе принята аббревиатура МЕРР).
Вообще так называемые вариационные принципы свойственны мирозданию. Они состоят в том, что какие-то свойства процессов должны принимать крайние значения – либо максимальные, либо минимальные. Известен, к примеру, принцип наименьшего действия в механике, и не только в классической. Так вот в нашем случае ученые склоняются к мысли о том, что энтропия не только возрастает в процессах, где она должна это делать, но делает это при максимуме плотности производства энтропии. По аналогии с принципом наименьшего действия это дает целеполагающий указатель исследователям (курсив потому, что я не уверен в истинности телеологических интенций у Вселенной).
МЕРР подтверждает свое присутствие в геофизике, термодинамике, кристаллографии. Но с 40-х годов прошлого века известен сформулированный И. Р. Пригожиным принцип минимума производства энтропии. Тем не менее, в обоих случаях значения экстремальные, как и с наименьшим действием, которое порой оказывается наибольшим (см. 1-й том Ландау и Лифшица). Прорыв? Кто знает.

* Специалист по теории информатики.

Опубликовано в «Свежей газете. Культуре» от 24 июня 2021 года, № 13 (210)