Как появилась Вселенная? Большие и маленькие вопросы о космосе

И Больцман, и Гиббс интересовались термодинамикой, наукой, описывавшей тепловые потоки в различных процессах. Она родилась из чисто практической проблемы, возникшей во времена Промышленной революции: определения возможной эффективности парового двигателя. Решение этой проблемы выросло в стройную современную научную систему, захватившую умы самых выдающихся физиков мира. Старшеклассник, возможно, впервые сталкивается с термодинамикой в виде газовых законов Бойля, а когда он начинает грызть гранит науки в университете, термодинамика является ему в облике статистической физики – науки о разных способах, которыми атомы газа могут быть перераспределены, чтобы получить те или иные различные или одинаковые исходы эксперимента. И всё-таки в основе своей термодинамика есть наука о тепловых потоках.

Прямой путь к пониманию энтропии Больцманом и Гиббсом – анализ количества полезной энергии в системе, то есть энергии, которая может быть использована для выполнения какого-то действия – для работы двигателя или обеспечения жизнедеятельности организма. Предметы, обладающие большим запасом полезной энергии, имеют более низкую энтропию. Заметьте, что важно не полное количество энергии, а только количество полезной энергии.

Возможно, вам всё это не очень понятно. Возьмём простой пример. Представьте, что у вас есть два металлических бруска, горячий и холодный. Если вы их приложите друг к другу, тепло будет перетекать от горячего к холодному. Теоретически вы можете использовать этот поток энергии, чтобы заставить работать двигатель. Значит, в ситуации с холодным и горячим металлическими брусками энтропия низкая: есть энергия, которую можно использовать. Если, однако, у нас есть два тёплых бруска, обладающих тем же общим количеством энергии, что суммарная для горячего и холодного брусков, то, когда мы приложим бруски друг к другу, потока тепла между ними не возникнет и никакой полезной энергией такая система обладать не будет. У тёплых брусков более высокая энтропия. И, хоть такая идея может показаться немного заумной, мы фактически можем думать о любом процессе как о перетекании энергии из одного места в другое.

Люди воспринимают поток тепла – энергии, которая питает наш повседневный мир – как необратимый процесс. Когда нам показывают видео приготовления пищи, разбивания яйца или падения на пол хрустальной вазы «задом наперёд», мы сразу чувствуем диссонанс. Но если показать кому-то видео летящего мяча, описывающего дугу в воздухе, зритель не отличит, когда ему показывают этот полёт в реальной последовательности, а когда в обратной. Все добрые старые физические законы обратимы. Обратите законы физики во времени – и они всё равно будут решениями соответствующих уравнений. Физические законы симметричны относительно времени. Но если в соответствии с законами физики движение вперёд даёт такое же правильное решение, как и движение назад, почему же тогда время течёт только в одном направлении? Этот парадокс, возможно, самая очевидная и самая простая из нерешённых проблем физики.

Так называемая «стрела времени» – хорошо запоминающаяся формулировка идеи aсимметрии времени, которое имеет определённое однонаправленное течение.[61] Эта идея противоречит уравнениям движения Ньютона, Максвелла, Эйнштейна и даже Шрёдингера: все они симметричны относительно времени. Однако в квантовой физике всё же есть один необратимый процесс, о котором мы пока что не упоминали: наблюдение.

Коллапс волновой функции

Из нашего обсуждения соотношения неопределённостей Гейзенберга мы знаем, что измерение одного параметра системы неизбежно повлияет на другой. Гейзенберг приводил в пример положение и скорость частицы. Возьмём более яркий пример: измерение положения фотона посредством его поглощения. При этом фотон будет полностью уничтожен! Уж это точно необратимо, не правда ли? Математическая операция измерения имеет техническое название: коллапс волновой функции.

Сегодня, когда первокурснику физического факультета читают введение в квантовую физику, начинают обычно с постулатов. Это основные правила квантовой физики, изложенные в краткой и чёткой форме, совсем не похожей на извилистую дорожку, которая привела нас сюда на страницах этой книги. Три главных постулата таковы:

1. Физическая система, подготовленная для измерения, математически описывается её квантовым состоянием (т. е. её волновой функцией).

2. С течением времени квантовое состояние системы изменяется в соответствии с уравнением Шрёдингера.

3. Когда выполняется измерение, квантовое состояние системы немедленно становится связанным с наблюдаемым исходом измерения.

На деле первый и третий постулаты повторяют друг друга – если представить, что вы отсеиваете исход измерения, к которому вы хотите подготовить систему. И всё же в итоге остаётся два различных квантовых состояния – до и после измерения.