От случайности к необратимости

Рассмотрим последовательность квадратов, на которые действует «преобразование пекаря». Эта последо­вательность изображена на рис. 39. Представим себе, что заштрихованные области заполнены чернилами, а незаштрихованные — водой. При t=0 мы имеем так называемое производящее разбиение квадрата. При­няв его за исходное, мы построим серию разбиений либо на горизонтальные полосы, если отправимся в бу­дущее, либо на вертикальные полосы, если начнем дви­гаться в прошлое. В обоих случаях мы получим базис­ные разбиения. Произвольное распределение чернил по квадрату формально представимо в виде суперпози­ции базисных разбиений. Каждому базисному распре­делению можно поставить в соответствие внутреннее время, равное просто числу «преобразований пекаря», которые необходимо проделать, чтобы перейти от про-

Рис. 39. Начав с «производящего разбиения» (см. текст) в мо­мент времени 0 и многократно повторив «преобразование пекаря», мы получили горизонтальные полосы. Двигаясь в прошлое, мы по­лучили бы вертикальные полосы.

изводящего распределения к данному¹². Следовательно, системы такого типа допускают своего рода внутрен­ний возраст*.

Внутреннее время Т сильно отличается от обычного механического времени, поскольку зависит от глобальной топологии системы. Можно даже говорить об «овременивании» пространства, тем самым вплотную при­ближаясь к идеям, недавно выдвинутым географами, которые ввели понятие хроногеографии¹³. Взглянув на «структуру города или ландшафта, мы видим времен­ные элементы как взаимосвязанные и сосуществующие. Бразилиа или Помпеи** вполне соответствовали бы оп­ределенному внутреннему возрасту, в какой-то мере аналогичному одному из базисных разбиений в «пре­образовании пекаря». Наоборот, современный Рим с его зданиями, построенными в самые различные перио­ды, соответствовал бы среднему времени точно так же, как произвольное разбиение разложимо на элементы,

отвечающие различным внутренним временам.

Посмотрим еще раз на рис. 39. Что произойдет, ес­ли мы продвинемся далеко в будущее? Зазоры между горизонтальными чернильными полосами будут стано­виться все уже и уже. Какова бы ни была точность

* Нетрудно видеть, что это внутреннее время, которое мы обозначим через Т, в действительности представляет собой опера­тор, аналогичный операторам, введенным в квантовой механике (см. гл 7). Действительно, произвольное разбиение квадрата обладает не однозначно определенным, а лишь «средним» временем, соответствующим суперпозиции базисных разбиений, из которых оно состоит.

** Бразилиа — город построенный в короткий срок по проекту Нимейера. Помпеи — город, переставший существовать в результате извержения Везувия. В первом случае город не имеет прошлого, во втором — будущего. — Прим. перев.

наших измерений, спустя некоторое время она будет превзойдена, и мы заключим, что чернила равномерно распределены по всему объему. Неудивительно поэто­му, что такого рода приближение к «равновесию» мож­но описать с помощью стохастических процессов типа цепей Маркова, о которых мы упоминали в гл. 8. Не­давно это утверждение было доказано со всей матема­тической строгостью¹⁴, но сам по себе результат пред­ставляется вполне естественным. Со временем чернила равномерно распределяются по объему так же, как ша­ры в модели Эренфестов равномерно распределялись по урнам (см. гл. 8). Но если мы заглянем в прошлое, снова начав с производящего разбиения при t=0, то увидим то же самое явление. Чернила будут распреде­ляться вертикальными полосами, и снова, углубив­шись в прошлое достаточно далеко, мы обнаружим равномерное распределение чернил по объему. Это по­зволяет нам сделать вывод о том, что и этот процесс допускает описание с помощью цепи Маркова, но на­правленной в прошлое. Таким образом, из неустойчи­вых динамических процессов мы получаем две цепи Маркова: одну, стремящуюся к равновесию в будущем, другую — в прошлом. Мы считаем, что этот результат весьма интересен, и хотели бы его прокомментировать. Внутреннее время дает нам новое, «нелокальное» описание.

Хотя «возраст» системы (т. е. соответствующее раз­биение) нам известен, мы тем не менее не можем сопо­ставить ему однозначно определенную локальную тра­екторию. Мы знаем лишь, что система находится где-то в заштрихованной части квадрата (см. рис. 39). Анало­гичным образом, если известны точные начальные ус­ловия, соответствующие какой-то точке системы, то мы не знаем ни разбиения, которому она принадлежит, ни возраста системы. Следовательно, для таких систем существуют два взаимодополнительных описания. Си­туация здесь несколько напоминает ту, с которой мы уже встречались в гл. 7 при рассмотрении квантовой механики.

Существование новой альтернативы — нелокального описания — открывает перед нами путь к переходу от динамики к вероятностям. Системы, для которых такой переход возможен, мы называем внутренне случайными системами.

В классических детерминистических системах мы можем говорить о вероятностях перехода из одной точ­ки в другую лишь в весьма вырожденном смысле: вероятность перехода равна единице, если две точки ле­жат на одной динамической траектории, и нулю, если они не лежат на одной траектории.

В настоящей вероятностной теории нам понадобятся вероятности, принимающие, к отличие от вероятностей типа «нуль—единица», любые значения от пуля до единицы. Как такое возможно? Здесь перед нами во весь рост встает конфликт между субъективистскими взглядами на вероятность и ее объективными интер­претациями. Субъективная интерпретация соответствует случаю, когда отдельные траектории неизвестны. Вероятность (и в конечном счете связанная с ней необ­ратимость) при таком подходе имеет своим истоком наше незнание. К счастью, существует другая, объек­тивная интерпретация: вероятность возникает в резуль­тате альтернативного описания динамики, нелокального описания, возможного лишь для сильно неустойчи­вых динамических систем.

При таком подходе вероятность становится объек­тивным свойством, порождаемым, так сказать, внутри динамики и отражающим фундаментальную структуру динамической системы. Мы уже подчеркивали важ­ность основного открытия Больцмана — установления связи между энтропией и вероятностью. Для внутрен­не случайных систем понятие вероятности обретает ди­намический смысл. Теперь нам необходимо совершить переход от внутренне случайных систем к необрати­мым системам. Как мы уже знаем, неустойчивые дина­мические процессы порождают по две цепи Маркова.

Взглянем на эту двойственность с другой точки зрения. Рассмотрим распределение, сосредоточенное не на всей поверхности квадрата, а на отрезке прямой. Отрезок может быть вертикальным или горизонталь­ным. Выясним, что произойдет с этим отрезком под действием «преобразований пекаря», обращенных в бу­дущее. Результат их показан на рис. 40: вертикальный отрезок рассекается на части и в далеком будущем стягивается в точку. Наоборот, горизонтальный отрезок при каждом «преобразовании пекаря» удваивается, и в далеком будущем его образы («копии») равномерно покроют весь квадрат. Ясно, что при движении вспять

Рис. 40. Сжатие и растяжение слоев при «преобразовании пе­каря». Со временем сжимающийся слой А₁ сокращается (последова­тельные этапы сокращения обозначены А₁, В₁, C₁). Растягивающиеся слои удваиваются (последовательные этапы удвоения обозначены А₂, В₂, С₂).

во времени (в прошлое) наблюдается обратная карти­на. По очевидным причинам вертикальный отрезок на­зывается сжимающимся, а горизонтальный — растягивающимся слоем.

Мы видим, что аналогия с теорией бифуркаций полная. Сжимающийся слой и растягивающийся слой соответствуют двум реализациям динамики, каждая из которых связана с нарушением симметрии и появлени­ем несимметричных режимов парами. Сжимающийся слой отвечает равновесному состоянию в далеком буду­щем, растягивающийся — в далеком прошлом. Мы по­лучаем, таким образом, две цепи Маркова с противо­положной ориентацией во времени.

Теперь нам необходимо совершить переход от внут­ренне случайных систем к системам внутренне необра­тимым. Для этого нам необходимо понять, чем, собст­венно, отличается сжимающийся слой от растягиваю­щегося. Нам известна еще одна система, столь же не­устойчивая, как и «преобразование пекаря», — систе­ма, описывающая рассеяние твердых шаров. Для этой системы растягивающиеся и сжимающиеся слои име­ют простой физический смысл. Сжимающийся слой со­ответствует множеству твердых шаров, скорости кото­рых случайным образом распределены в далеком прош-

лом и становятся параллельными в далеком будущем. Растягивающийся слой соответствует обратной ситуа­ции: скорости сначала параллельны, а затем их распре­деление становится случайным. Различие между сжи­мающимися и растягивающимися слоями очень напо­минает различие между расходящимися и сходящими­ся волнами в примере Поппера. Исключение сжимаю­щихся слоев соответствует экспериментально установленному факту: как бы ни изощрял свое хитроумие экс­периментатор, ему никогда не удастся добиться, чтобы скорости в системе оставались параллельными после произвольного числа столкновений. Исключая сжима­ющиеся слои, мы оставляем тем самым лишь одну из двух введенных нами цепей Маркова. Иначе говоря, второе начало становится принципом отбора началь­ных условий. Оно допускает лишь такие начальные условия, при которых система эволюционирует к равно­весному состоянию в будущем.

Правильность такого принципа отбора подтвержда­ется динамикой. Нетрудно видеть, что в примере с «преобразованием пекаря» сжимающийся слой навсег­да остается сжимающимся, а растягивающийся — рас­тягивающимся. Подавляя одну из двух цепей Маркова, мы переходим от внутренне случайной к внутренне не­обратимой системе. В описании необратимости мы выде­ляем три основных элемента:

неустойчивость

внутренняя случайность

внутренняя необратимость

Самым сильным из них является внутренняя необрати­мость: случайность и неустойчивость следуют из не­го^14,15.

Каким образом подобный вывод можно совместить с динамикой? Как известно, в динамике «информация» сохраняется, в то время как цепи Маркова, забывая пре­дысторию, утрачивают информацию (вследствие чего энтропия возрастает; см. гл. 8). Никакого противоречия здесь нет: когда от динамического описания «преобра­зования пекаря» мы переходим к термодинамическому описанию, нам приходится изменять функцию распреде­ления. Связано это с тем, что «объекты», в терминах которых энтропия возрастает, отличаются от объектов,

рассматриваемых в динамике. Новая функция распре­деления r соответствует внутренне ориентированному во времени описанию динамической системы. Мы не можем останавливаться на математических аспектах перехода от старой функции распределения к новой. Скажем лишь, что преобразование, переводящее одну функцию распределения в другую, должно быть нека­ноническим (см. гл. 2). Следовательно, прийти к термо­динамическому описанию мы можем лишь ценой отказа от обычных понятий динамики.

Примечательно, что такое преобразование существу­ет, в результате чего оказывается возможным объеди­нить динамику и термодинамику, физику бытия и физи­ку становления. Позднее в этой главе и в заключитель­ном разделе книги мы еще вернемся к новым термоди­намическим объектам. Подчеркнем лишь, что в состоянии равновесия всякий раз, когда энтропия достигает своего максимума, эти объекты должны вести себя случайным образом.

Заслуживает внимания и то, что необратимость воз­никает, так сказать, из неустойчивости, наделяющей на­ше описание неустранимыми статистическими особенно­стями. Действительно, что означала бы стрела времени в детерминистическом мире, в котором и прошлое и бу­дущее содержатся в настоящем? Стрела времени ассо­циируется с переходом из настоящего в будущее имен­но потому, что будущее не содержится в настоящем и мы совершаем переход из настоящего в будущее. Построение необратимости на основе случайности чре­вато многими последствиями, выходящими за рамки собственно естествознания. Этих последствий мы кос­немся в заключительном разделе нашей книги, а теперь кратко поясним, в чем заключается различие между со­стояниями, разрешенными вторым началом, и состоя­ниями, которые второе начало запрещает.

Энтропийный барьер

Время течет в одном направлении: из прошлого в бу­дущее. Мы не можем манипулировать со временем, за­ставить его идти вспять, в прошлое. Путешествие во времени занимало воображения многих писателей: от безымянных создателей «Тысячи и одной ночи» до Гер­берта Уэллса с его «Машиной времени». В небольшом

произведении В. Набокова «Посмотри на арлекинов!»¹⁶ описываются муки рассказчика, которому не удается переключиться с одного направления времени на другое, чтобы «повернуть время вспять». В пятом томе своего капитального труда «Наука и цивилизация в Китае» Джозеф Нидэм описывает мечту китайским алхимиков: «свою высшую цель те видели не в превращении метал­лов в золото, а в манипулировании временем, достиже­нии бессмертия путем резкого замедления всех процес­сов распада в природе¹⁷. Теперь мы лучше понимаем, почему время невозможно «повернуть назад».

Бесконечно высокий энтропийный барьер отделяет разрешенные начальные состояния от запрещенных. Барьер этот никогда не будет преодолен техническим прогрессом: он бесконечно высок. Нам не остается ни­чего другого, как расстаться с мечтой о машине време­ни, которая перенесет нас в прошлое. Энтропийный барьер несколько напоминает другой барьер: существо­вание предельной скорости распространения сигналов скорости света. Технический прогресс может приблизить нас к скорости света, но, согласно современным физи­ческим представлениям, мы никогда не сможем превзой­ти ее.

Для того чтобы понять происхождение энтропийного барьера, нам потребуется вернуться к выражению для H-функции, возникающему в теории цепей Маркова (см. гл. 8). Сопоставим с каждым распределением чис­ла соответствующее значениеH-функции. Можно ут­верждать, что каждое распределение обладает вполне определенным информационным содержанием. Чем вы­ше информационное содержание, тем труднее реализо­вать его носитель. Покажем, что начальное распреде­ление, запрещенное вторым началом, обладало бы бес­конечно большим информационным содержанием. Имен­но поэтому такие запрещенные распределения невоз­можно ни реализовать, ни встретить в природе.

Напомним сначала, какой смысл имеет введенная в гл. 8 H-функция. Разделим фазовое пространство на клетки, или ячейки. С каждой ячейкой k сопоставим ве­роятность Р_равн(k) попасть в нее в равновесном состоя­нии и вероятность Р(k,t)оказаться в ней в неравновес­ном состоянии.

H -функция есть мера различия между P(k,t) иР_равн(k) . В состоянии равновесия, когда различие

Рис. 41. Растягивающиеся (последовательность А) и сжимаю­щиеся (последовательность С) слои пересекают различное число кле­ток («ящиков»), на которые разделено фазовое пространство «преоб­разования пекаря». Все «квадраты», принадлежащие данной последо­вательности, относятся к одному моменту времени t=2, но число кле­ток, на которые разделен каждый квадрат, зависит от начала отсчета времени системы t_i.

между вероятностями исчезает, H -функция обращается в нуль. Чтобы сравнить его с «преобразованием пекаря» и двумя порождаемыми им цепями Маркова, необходи­мо уточнить, как выбираются соответствующие ячейки. Предположим, что мы рассматриваем систему в момент времени 2 (см. рис. 39) и что в исходном состоянии система находилась в момент времени t_i. Согласно на­шей динамической теории, клетки соответствуют всем возможным пересечениям разбиений от t=t_i до t=2.На рис. 39 мы видим, что, когда t_i отходит в прошлое,

ячейки становятся все более тонкими, поскольку нам приходится вводить все больше и больше вертикальных подразделений. Это отчетливо видно на рис. 41, где-в последовательности В мы получаем при движении сверху вниз t_i-=1, 0, —1 и, наконец, t_i=—2. Нетрудно видеть, что число ячеек возрастает при этом с 4 до 32.

Коль скоро мы располагаем ячейками, естественно сравнить неравновесное распределение с равновесным в каждой ячейке. В рассматриваемом нами примере неравновесное распределение есть либо растягивающийся слой (последовательностьА), либо сжимающий­ся слой (последовательность С). Обратим внимание на то, что по мере сдвига t_i в прошлое растягивающийся слой занимает все большее число ячеек: при t_i=—1 он занимает 4 ячейки, при t_i=—2 — уже 8 ячеек и т. д. В результате, воспользовавшись формулой из гл. 8, мы получаем конечный «ответ», даже если число ячеек неограниченно возрастает при t_i®¥.

Сжимающийся слой в отличие от растягивающегося при любых t_i всегда локализован в 4 ячейках. Это при­водит к тому, что H-функция для сжимающегося слоя обращается в бесконечность, когда t_i уходит в прош­лое. Таким образом, различие между динамической си­стемой и цепью Маркова состоит в том, что в случае динамической системы необходимо рассматривать бес­конечно много ячеек. Приготовить или наблюдать мож­но лишь такие меры или вероятности, которые в преде­ле при бесконечно большом числе ячеек дают конечную информацию или конечную H-функцию. Это исключает сжимающиеся слои¹⁸. По той же причине необходимо исключить и распределения, сосредоточенные в одной точке. Начальные условия, соответствующие одной точ­ке в неустойчивой системе, соответствовали бы беско­нечной информации. Следовательно, ни реализовать, ни наблюдать их невозможно. И в этом случае второе нача­ло выступает в роли принципа отбора.

В классической схеме начальные условия были про­извольными. Для неустойчивых систем произвол исклю­чается. Каждое начальное условие обладает в случае неустойчивых систем определенным информационным содержанием, которое зависит от динамики системы (подобно тому как в «преобразовании пекаря» для вы­числения информационного содержания мы прибегли к последовательному делению ячеек). Начальные усло-

вия и динамика перестают быть независимыми. Второе начало как принцип отбора представляется нам настоль­ко важным, что мы хотели бы привести еще один при­мер, на этот раз связанный с динамикой корреляций.

Динамика корреляций

В гл. 8 мы кратко обсудили эксперимент с обраще­нием скоростей. Возьмем разреженный газ и проследим за его эволюцией во времени. При t=t₀ обратим скорости всех молекул газа. Газ вернется в начальное состоя­

Рис. 42. Рассеяние частиц. Первоначально скорости всех частиц равны. После соударения равенство скоростей нарушается и рас­сеянные частицы коррелированы с рассеятелем (корреляции здесь и далее изображены волнистыми линиями).

ние. Мы уже обращали внимание на то, что для воспро­изведения своего прошлого газу необходимо некое хра­нилище информации — своего рода «память». Такой па­мятью являются корреляции между частицами¹⁹.

Рассмотрим сначала облако частиц, движущихся к мишени (тяжелой неподвижной частице). Схематиче­ски ситуация изображена на рис. 42. В далеком прош­лом корреляций между частицами не было. Рассеяние приводит к двум эффектам (см. гл. 8): оно «разбрасы­вает» частицы (делает распределение скоростей более симметричным) и, кроме того, порождает корреляции между рассеянными частицами и рассеивателем. Корре­ляции станут заметными, если обратить скорости (на­пример, с помощью сферического зеркала). Эта ситуа­ция изображена на рис. 43 (волнистыми линиями ус­ловно показаны корреляции). Таким образом, роль рас-

сеяния сводится к следующему. При прямом рассеянии распределение скоростей становится более симметрич­ным и возникают корреляции между частицами. При обратном рассеянии распределение скоростей становится менее симметричным, а корреляции исчезают. Таким образом, учет корреляций приводит к основному раз­личию между прямым и обратным рассеянием.

Аналогичные рассуждения применимы и к системе многих тел. Здесь также возможны ситуации двух ти­-

Рис. 43. Влияние обращения скоростей после соударения: после нового «обращенного» соударения корреляции подавлены и скоро­сти всех частиц равны.

пов. В одном случае (прямой процесс) некоррелирован­ные частицы налетают, рассеиваются и порождают кор­релированные частицы (рис. 44). В другом случае (об­ратный процесс) коррелированные частицы налетают, корреляции при столкновениях нарушаются и после-столкновении частицы уже не коррелированы (рис. 45).

Прямой и обратный процессы отличаются последо­вательностью столкновений и корреляций во времени. В первом случае имеют место корреляции послестолкновительиыс («постстолкновительные»). Имея в виду раз­личие между пред- и послестолкновительными корреля­циями, вернемся к эксперименту с обращением скоро­стей. Начнем при t=0 — с начального состояния, соот­ветствующего корреляциям между частицами. В интер­вале времени от t=0 до t=t₀ система эволюционирует «нормально»: в результате столкновений распределение скоростей приближается к распределению Максвелла. Кроме того, столкновения порождают послестолкновительные корреляции между частицами. При t=t₀ проис­ходит обращение скоростей и возникает качественно но­вая ситуация. Послестолкновительные корреляции ста-

новятся предстолкновительными. В интервале времени от t=t₀ до t=2t₀ эти предстолкновительные корреляции исчезают, распределение скоростей становится менее симметричным, и к моменту времени t=2t₀ полностью

восстанавливается некоррелированное состояние. Таким образом, история системы делится на два этапа. На первом этапе столкновения трансформируются в корре-

Рис. 44. Возникновение корреляций после соударения (корреляции условно изображены волнистыми линиями).

Рис. 45. Разрушение предстолкновительных корреляций (волнистые линии) при столкновениях.

ляции, на втором этапе происходит обратное превраще­ние корреляций в столкновения. Оба типа процессов — прямой и обратный — не противоречат законам дина­мики. Кроме того, как мы уже упоминали в гл. 8, полная «информация», описываемая динамикой, остается постоянной. Мы видели также, что в больцмановском описании эволюция от t=0 до t=t₀ соответствует обычному убыванию H-функции, а в интервале от t=t₀ до t=2t₀ эволюция протекала бы аномально: H-функция возрастала бы, а энтропия убывала. Но это означало бы, что можно придумать эксперименты, как лаборатор­ные, так и численные, в которых нарушалось бы второе начало! Необратимость на интервале [0, t₀] компенси­ровалась бы «антинеобратимостью» на интервале [t₀, 2t₀ ].

Такое положение нельзя признать удовлетворитель­ным. Все трудности устраняются, если перейти к новому «термодинамическому представлению», в рамках которо­го динамика, как в «преобразовании пекаря», становит­ся вероятностным процессом, аналогичным цепи Марко­ва. Следует также учесть, что обращение — процесс не

Рис. 46. Временная эволюция H-функции в эксперименте с об­ращением скоростей. В момент времени t₀ происходит обращение скоростей — H-функция претерпевает разрыв. В момент времени 2t₀ система находится в таком же состоянии, как в момент времени 0, — H-функцця возвращается к своему начальному значению. При всех t, за исключением t=t₀, H-функция убывает. Важно подчеркнуть, что при t=t₀, H-функция принимает два различных значения.

«естественный». Для обращения скоростей к молекулам извне должна поступить «информация». Для того чтобы обратить скорости, необходимо существо, аналогич­ное демону Максвелла, а за демона Максвелла прихо­дится «платить». Изобразим зависимость H-функции от времени (для какого-нибудь вероятностного процесса). Типичный график такой зависимости представлен на рис. 46. При нашем подходе (в отличие от больцмановского) эффект корреляций при переопределении H-функции сохраняется. Следовательно, в точке обращения скоростей t₀ функция H должна претерпевать скачок,

поскольку мы внезапно создаем в этой точке аномаль­ные предстолкновительные корреляции, которые должны нарушиться позднее. Скачок H-функции соответствует энтропии, или информационной цене, которую нам при­ходится платить.

Итак, мы получаем адекватное представление вто­рого начала: в любой момент времени H-функция убы­вает (энтропия возрастает). Единственным исключением является точка t₀: H-функция претерпевает в ней скачок в тот самый момент, когда система открыта. Лишь воз­действуя на систему извне, можно «обратить» скоро­сти.

Нельзя не отметить еще одно важное обстоятельство: при t=t₀ новая H-функция принимает два различных значения, одно — для системы до обращения скоростей, другое — для системы после обращения скоростей. Энт­ропия системы до обращения и после обращения скоро­стей различна. Это напоминает ситуацию, происходя­щую при «преобразовании пекаря», когда сжимающий­ся и растягивающийся слои — скорости, переходящие друг в друга при обращении.

Предположим, что, прежде чем производить обраще­ние скоростей, мы достаточно долго выжидаем. В этом случае послестолкновительные корреляции имели бы произвольный радиус и энтропийная цена за обращение скоростей была бы непомерно велика. А поскольку об­ращение скоростей стало бы нам «не по карману», его исключили бы. На физическом языке это означает, что второе начало запрещает устойчивые предстолкнови­тельные корреляции на больших расстояниях.

Поразительна аналогия с макроскопическим описа­нием второго начала. Тепло и механическая энергия эк­вивалентны с точки зрения сохранения энергии (см. гл. 4 и 5), но отнюдь не второго начала. Кратко говоря, механическая энергия более «высокого сорта» (более когерентна), чем тепло, и всегда может быть превраще­на в тепло. Обратное неверно. Аналогичное различие существует на микроскопическом уровне между столк­новениями и корреляциями. С точки зрения динамики столкновения и корреляции эквивалентны. Столкнове­ния порождают корреляции, а корреляции могут разру­шать последствия столкновений. Но между столкнове­ниями и корреляциями имеется существенное различие. Мы можем управлять столкновениями и порождать

корреляции, но мы не в состоянии так управлять корреляциями, чтобы уничтожить последствия, вызванные столкновениями в системе. Этого существенного разли­чия недостает в динамике, но его можно учесть в тер­модинамике. Следует заметить, что термодинамика нигде не вступает в конфликт с динамикой. Термодина­мика вносит важный дополнительный элемент в наше понимание физического мира.

Энтропия как принцип отбора

Нельзя не удивляться тому, как сильно микроскопи­ческая теория необратимых процессов напоминает тра­диционную макроскопическую теорию. И в той, и в дру­гой теории энтропия имеет негативный аспект. В мак­роскопической теории энтропия запрещает некоторые процессы, например перетекание тепла от холодного предмета к теплому. В микроскопической теории энтро­пия запрещает некоторые классы начальных условий. Различие между тем, что запрещено, и тем, что разре­шено, поддерживается во времени законами динамики. Из негативного аспекта возникает позитивный: сущест­вование энтропии вместе с ее вероятностной интерпре­тацией. Необратимость не возникает более, как чудо, на некотором макроскопическом уровне. Макроскопическая необратимость лишь делает зримой ориентированную во времени поляризованную природу того мира, в котором мы живем.

Как мы уже неоднократно подчеркивали, в природе существуют системы с обратимым поведением, допус­кающие полное описание в рамках законов классической или квантовой механики. Но большинство интересую­щих нас систем, в том числе все химические и, следова­тельно, все биологические системы, ориентировано во времени на макроскопическом уровне. Их отнюдь не иллюзорная однонаправленность во времени отражает нарушение временной симметрии на микроскопическом уровне. Необратимость существует либо на всех уров­нях, либо не существует ни на одном уровне. Она не может возникнуть, словно чудо, при переходе с одного уровня на другой.

Мы также неоднократно отмечали, что необрати­мость является исходным пунктом других нарушений

симметрии. Например, по общему мнению, различие между частицами и античастицами могло возникнуть только в неравновесном мире. Это утверждение может быть распространено на многие другие ситуации. Впол­не вероятно, что с необратимостью через отбор подхо­дящей бифуркации связана и киральная симметрия. Многие из активно проводимых ныне исследований по­священы выяснению того, каким образом необратимость можно «вписать» в структуру материи.

Возможно, читатель обратил внимание на то, что при выводе микроскопической необратимости основной ак­цент мы делали на классической динамике. Но представ­ления о корреляциях и различии между пред- и послестолкновительными корреляциями применимы не только к классическим, но и к квантовым системам. Исследова­ние квантовых систем более сложно, чем исследование классических, что обусловлено различием между клас­сической и квантовой механикой. Даже малые класси­ческие системы, например система, состоящая из не­скольких твердых шаров, могут обладать внутренней необратимостью. Но для того чтобы достичь внутрен­ней необратимости в квантовой механике, необходимы большие системы (со многими степенями свободы), ко­торые встречаются в жидкости, газах или теории поля. Ясно, что исследование больших систем сопряжено со значительно большими математическими трудностями. Именно это не позволяет нам рассказать здесь о них подробнее. Тем не менее общая ситуация, с которой мы познакомились на примерах классических систем, сохра­няется и в квантовой теории: необратимость там возни­кает вследствие ограниченной применимости понятия волновой функции, обусловленной той или иной разно­видностью квантовой неустойчивости.

Применима в квантовой механике и идея о столкнове­ниях и корреляциях. Как и в классической теории, вто­рое начало запрещает существование в квантовой тео­рии дальнодействующих предстолкновительных корре­ляций.

Переход к вероятностному процессу сопровождается введением новых сущностей. Второе начало как эволю­ция от порядка к хаосу может быть понято именно в терминах этих новых понятий. Второе начало приво­дит к новой концепции материи, к описанию которой мы сейчас переходим.

Активная материя

Связав энтропию с динамической системой, мы тем самым возвращаемся к концепции Больцмана: вероят­ность достигает максимума в состоянии равновесия. Структурные единицы, которые мы используем при опи­сании термодинамической эволюции, в состоянии равно­весия ведут себя хаотически. В отличие от этого в слабо неравновесных условиях возникают корреляции и коге­рентность.

Здесь мы подходим к одному из наших главных вы­водов: на всех уровнях, будь то уровень макроскопи­ческой физики, уровень флуктуаций или микроскопиче­ский уровень, источником порядка является неравновесность. Неравновесность есть то, что порождает «поря­док из хаоса». Но, как мы уже упоминали, понятие порядка (или беспорядка) сложнее, чем можно было бы думать. Лишь в предельных случаях, например в разреженных газах, оно обретает простой смысл в со­ответствии с пионерскими трудами Больцмана.

Сравним еще раз динамическое описание физическо­го мира с помощью сил и полей и термодинамическое описание. Как уже упоминалось, нетрудно составить программы численных экспериментов, в которых взаимо­действующие частицы, первоначально распределенные случайным образом, в некоторый момент времени рас­полагаются в узлах правильной решетки. Динамическая интерпретация этого явления гласит: возникновение порядка обусловлено игрой сил взаимодействия между частицами. Термодинамическая интерпретация утверж­дает иное: наблюдается общая тенденция к установле­нию хаоса (система изолирована), но хаоса, проявляю­щегося в совершенно других структурных единицах (в рассматриваемой модели это — коллективные моды, охватывающие большое число частиц). В этой связи, по-видимому, уместно напомнить неологизм, введенный нами в гл. 6 для обозначения новых структурных еди­ниц, которые ведут себя некогерентно, несогласованно в состоянии равновесия системы; мы назвали их «гипнонами», или «сомнамбулами», поскольку в состоянии равновесия они движутся как во сне, «не замечая» друг друга. Каждый из гипнонов может обладать сколь угод­но сложной структурой (достаточно вспомнить о том, на­сколько сложны молекулы ферментов), но в состоянии

равновесия их сложность обращена «внутрь» и никак не проявляется «снаружи». Например, внутри молекулы существует интенсивное электрическое поле, но в раз­реженном газе этим полем можно пренебречь: оно ни­как не сказывается на поведении других молекул.

Одним из главных предметов исследования в совре­менной физике является проблема элементарных частиц. Известно, что элементарные частицы далеко не элемен­тарны. По мере того как мы поднимаемся по шкале энергий, перед нами открываются все новые и новые «слои» в структуре элементарных частиц. Но что такое элементарная частица? Можно ли считать, например, что планета Земля — элементарная частица? Разумеет­ся, нельзя, потому что часть энергии Земли приходится на ее взаимодействие с Солнцем, Луной и другими пла­нетами. Понятие же элементарной частицы подразуме­вает «автономию», с трудом поддающуюся описанию с помощью обычных понятий. Взять, например, хотя бы электроны и фотоны. При рассмотрении их мы сталки­ваемся с дилеммой: либо отдельные частицы не сущест­вуют (часть энергии «обобществлена» электронами и фотонами, т. е. приходится на коллективные моды сис­темы электронов и протонов), либо, если исключить взаимодействие, существуют свободные (не взаимодей­ствующие) электроны и фотоны. Даже если бы мы зна­ли, как можно каждую частицу заэкранировать от дру­гих, исключение взаимодействия представляется слиш­ком радикальной мерой. Электроны поглощают или ис­пускают фотоны. Выход из создавшегося затруднения мог бы состоять в переходе к физике процессов. В этом случае структурные единицы (элементарные частицы) соответствовали бы определению гипнонов, так как в со­стоянии равновесия они ведут себя независимо. Мы надеемся, что наша гипотеза вскоре получит эксперимен­тальное подтверждение. Особенно подкрепило бы ее об­наружение стрелы времени, выражающей глобальную эволюцию природы, непосредственно во взаимодействии атомов с фотонами (или другими нестабильными элемен­тарными частицами).

Широко обсуждается в современной науке и пробле­ма космической эволюции. Каким образом мир мог быть столь «упорядоченным» на первых этапах эволю­ции после большого взрыва? Тем не менее порядок не­обходим, если мы хотим понять космическую эволюцию

как постепенное движение от порядка к хаосу.

Для удовлетворительного решения проблемы нам не­обходимо знать, адекватны ли гипноны экстремальным условиям с колоссальными температурами и плотностью материи, характерными для ранних этапов развития Вселенной. Разумеется, одной термодинамике не под силу решить эти проблемы, как не в силах решить их и одна динамика, даже в высшей своей форме — теории поля. Именно поэтому объединение динамики и термо­динамики открывает новые перспективы. Независимо от всяких прогнозов нельзя не удивляться разительным переменам, происшедшим в естествознании с тех пор, как было сформулировано второе начало (т. е. за какие-нибудь сто пятьдесят лет). Сначала физикам казалось, будто атомистические представления противоречат по­нятию энтропии. Больцман пытался спасти механисти­ческое мировоззрение ценой сведения второго начала к вероятностному утверждению, весьма важному для практических приложений, но не имеющему фундамен­тального значения. Мы не знаем, каким будет оконча­тельное решение, но современная ситуация коренным образом отличается от ситуации полуторавековой дав­ности. Материя теперь не есть нечто данное. В современ­ной теории она «конструируется» из более элементарного понятия в терминах квантованных полей. В этом конст­руировании важная роль отводится термодинамическим понятиям (необратимости, энтропии)*.

Подведем итоги достигнутого. В первой и второй части нашей книги неоднократно подчеркивалось, что на уровне макроскопических систем первостепенное зна­чение имеет второе начало (и связанное с ним понятие необратимости).

В третьей части мы стремились показать, что в на­стоящее время открывается возможность выхода за рамки макроскопического уровня, и продемонстриро­вать, что означает необратимость на микроскопическом уровне.

Переход от макроскопического уровня к микроско­пическому требует коренного пересмотра наших взгля­дов на фундаментальные законы физики. Только пол­ностью избавившись от классических представлений

* Речь, очевидно, идет о понятии материи в специально науч­ном, физическом, а не философском смысле. — Прим. перев.

(как в случае достаточно нестабильных систем), мы можем говорить о «внутренней случайности» и «внут­ренней необратимости».

Для таких систем мы можем ввести новое расширен­ное описание времени с помощью оператора Т. Как бы­ло показано на примере «преобразования пекаря» (гл. 9 «От случайности к необратимости»), этот оператор имеет в качестве собственных функций разбиения фазо­вого пространства (см. рис. 39).

Таким образом, ситуация, с которой мы сталкиваем­ся, очень напоминает ситуацию, сложившуюся в кванто­вой механике. Существуют два возможных описания: либо мы выбираем точку в фазовом пространстве и тог­да не знаем, какому разбиению она принадлежит и, сле­довательно, каков ее внутренний возраст, либо мы зна­ем внутренний возраст, но тогда нам известно только разбиение, а не точная локализация точки.

После того как мы ввели внутреннее время Т, энтро­пию можно использовать как принцип отбора для пе­рехода от начального описания с помощью функции распределения r к новому описанию с помощью функ­ции распределения r^^[1], которая обладает внутренней стре­лой времени, согласующейся со вторым началом термо­динамики. Основное различие между r и r^проявляется в разложениях этих функций по собственным функциям оператора Т (см. гл. 7 «Рождение квантовой механи­ки»). В функцию r все внутренние возрасты независи­мо от того, принадлежат ли они прошлому или будуще­му, входят симметрично. В функции r^ в отличие от r прошлое и будущее играют различные роли: прошлое входит в r^, а будущее остается неопределенным. Асимметрия прошлого и будущего означает, что сущест­вует стрела времени. Новое описание обладает важной особенностью, заслуживающей того, чтобы ее отметить: начальные условия и законы изменения перестают быть независимыми. Состояние со стрелой времени возникает под действием закона, также наделенного стрелой вре­мени и трансформирующего состояние, но сохраняющего стрелу времени.

В нашей книге мы рассматривали главным образом классическую ситуацию²⁰. Но все сказанное применимо и к квантовой механике, в которой ситуация несколько сложнее, поскольку существование постоянной Планка

лишает смысла понятие траектории и тем самым при­водит к своего рода делокализации в фазовом простран­стве. Таким образом, квантовомеханическая делокализация накладывается на делокализацию, вызванную необратимостью.

В гл. 7 мы подчеркивали, что две великие револю­ции в физике XX в. связаны с включением в фундамен­тальную структуру физики двух запретов, чуждых клас­сической механике: невозможности распространения сигналов со скоростью больше скорости света и невоз­можности одновременного измерения координат и им­пульса.

Неудивительно, что и второе начало, также ограни­чивающее наши возможности активного воздействия на материю, приводит к глубоким изменениям в структуре основных законов физики.

Нам бы хотелось закончить третью часть нашей кни­ги предостережением. Феноменологическую теорию не­обратимых процессов ныне можно считать вполне сло­жившейся. В отличие от нее микроскопическая теория необратимых процессов делает лишь первые шаги. Когда читалась верстка этой книги, в нескольких лабо­раториях подготавливались эксперименты для проверки правильности микроскопической теории. Пока эти экс­перименты не будут выполнены, умозрительный элемент в новой теории неизбежен.