Нужна помощь в написании работы?

Успешное продвижение в количественном описании явления всегда дает возможность для качественно нового проникновения в его сущность.  Развитие науки часто сочетает углубленное понимание сущности явления и его математическое описание:  одно дополняет и облегчает другое,  обеспечивая успех науки. Это положение в полной мере относится и к нашему анализу явлений. От интуитивного представления о хаосе мы перешли к точным формулировкам, основанным на понятии числа расположений различных атомов, допустимых в системе, но не различимых внешним наблюдателем. Новое, углубленное понимание, основанное на формуле Больцмана, связано с природой понятия термодинамического равновесия. В рассматриваемой нами модели максимум энтропии Вселенной достигается, когда две входящие в нее системы приходят в тепловое равновесие, при этом отсутствует переход из одной системы в другую, и в таком состоянии системы остаются неограниченно долго, оно лишь изредка нарушается случайными флуктуациями.

При тепловом равновесии в обоих системах царит полный покой и какие-либо заметные изменения исключены. Но в действительности между атомами осуществляется перенос возбуждения с одних атомов (которые его теряют) на другие (которые возбуждаются). Тепловое равновесие - это пример динамического равновесия,  в основе которого лежит непрестанное движение, и внешне воспринимаемое спокойствие - не более чем иллюзия. Практически все рассматриваемые нами конечные состояния покоя служат примерами подобного динамического равновесия. В дальнейшем мы неоднократно будем убеждаться, что жизнь атомов продолжается и после того, как в целом Вселенная начинает казаться застывшей, безжизненной.

Существует еще одна более важная особенность динамического равновесия. Тепловое равновесие соответствует максимуму энтропии Вселенной. Оно также соответствует некоторому термодинамическому (усредненному) состоянию систем, которое может быть достигнуто максимальным числом способов.

Представим себе Вселенную,  в которой возбужденные атомы могут распределяться по системам различными способами.  При этом различные распределения могут соответствовать разным термодинамическим состояниям, но, вообще говоря, каждому термодинамическому состоянию будет соответствовать много различных распределений.  Поэтому каждому термодинамическому состоянию можно приписать вероятность,  связанную с числом различных способов,  которыми оно может быть достигнуто на микроуровне.  При этом чем больше способов, которыми может быть достигнуто данное состояние, тем выше его вероятность. Имеется в виду, что если число способов, которыми может быть достигнуто данное состояние, велико, то возбужденные атомы с большей вероятностью создадут ту конфигурацию, которая ему соответствует. В этом смысле однородное распределение атомов, которое можно также определить как состояние, достигаемое максимальным числом различных способов, является наиболее вероятным состоянием Вселенной. Иными словами, тепловое равновесие соответствует наиболее вероятному состоянию Вселенной.

С течением времени осуществятся все возможные варианты распределений 100 возбужденных атомов (при этом многие конфигурации могут повторяться многократно).  Возможно, придется прождать миллиарды лет, но все же наступит момент, когда осуществиться каждое из возможных конфигураций во Вселенной.  Однако почти все они соответствуют однородному распределению возбужденных атомов.  Возможно,  какую-нибудь миллисекунду из этих миллиардов лет Вселенная будет находиться в состоянии, когда все возбужденные атомы соберутся в системе 1,  однако большую часть времени распределение энергии будет практически однородным. Это обусловлено тем, что существует столь много размещений атомов, соответствующих однородному распределению ( но при этом неразличимых для внешнего наблюдателя), что большая часть времени будет заниматься созданием именно их и лишь крохотная часть его будет тратится на осуществление других размещений.

Это утверждение можно проверить.  Разумеется,  во Вселенной,  включающей всего 1600 атомов ( из которых 100 принадлежат системе 1),  вероятность создания заметных аномалий в распределении атомов достаточно велика. Тем не менее значительные флуктуации весьма редки,  и в основном незаметны для внешнего наблюдателя. В качестве примера здесь изображено несколько распределений атомов, причем все они соответствуют наличию в системе 1 примерно 6 возбужденных атомов. Хотя возбужденные атомы в каждом случае разные, для внешнего наблюдателя они (термодинамически) неразличимы. Мы считаем, что система находится в стационарном состоянии, так как показания термометра не меняются.

Эта особенность изменений очень важна.  Существует множество состояний Вселенной,  и случайное блуждание энергии ( точнее,  состояние возбуждения) в принципе позволяет осуществить любое из них.  Какая-то часть Вселенной может находиться в состоянии в высшей степени маловероятном.  Вселенная проходит через все более вероятные состояния,  и именно таково естественное направление спонтанного ( самопроизвольного) изменения. Когда Вселенная достигает более вероятного состояния, которое может быть осуществлено большим числом способов, почти нет сомнения, что она не вернется в менее вероятное состояние, так как слишком мала вероятность случайного переноса энергии, который вернул бы Вселенную в это состояние.

Таким образом, состояние равновесия Вселенной и есть ее наиболее вероятное состояние. Беспорядочность процессов привела к тому, что Вселенная попала в "капкан" будущего и не может вернуться в прошлое. Вернуться в прошлое можно только распутав созданный беспорядок, но процессы беспорядочны, а Хаос не может преодолеть хаос - разве только случайно.

Внимание!
Если вам нужна помощь в написании работы, то рекомендуем обратиться к профессионалам. Более 70 000 авторов готовы помочь вам прямо сейчас. Бесплатные корректировки и доработки. Узнайте стоимость своей работы.

Таковы свойства нашей модели Вселенной, и они точно отражают свойства реальной Вселенной. Правда, энергия реальной Вселенной способна рассеиваться столь многочисленными способами, что при этом могут возникать и оказываться устойчивыми самые необычные структуры, тогда как Вселенная в целом фактически необратимо движется к состоянию равновесия. Однако мы установили, что эволюция Вселенной имеет преимущественно статистический характер. Мы убедились в том, что необратимость естественных изменений определяется не строгой механической,  а вероятной детерминированностью.  Воспринимаемые нами явления соответствуют эволюции Вселенной или цепочке последовательных состояний, вероятность которых с каждым шагом возрастает ( и в конечном итоге становится подавляюще большой).

Для нас было бы "чудом" , если бы металлическая болванка неожиданно раскалилась докрасна. Вероятность подобных явлений все же не точно равна нулю. В результате случайных процессов может возникнуть скопление огромного количества энергии в малой области Вселенной. Правда, вероятность такого события пренебрежимо мала.

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту
Узнать стоимость
Поделись с друзьями