Волны, которые нельзя поймать: почему законы Ньютона не работают в макромире и как это связано с теорией относительности

Профессор НовГУ предложил решение одной из старейших проблем в науке — почему все процессы, наблюдаемые в природе, необратимы, хотя законы движения отдельных атомов этого не запрещают. Вместо вероятностного подхода, который используется в статистической физике уже более ста лет, исследователь разработал метод, основанный на релятивистском запаздывании взаимодействий между атомами.

Автор исследования — профессор, доктор наук, главный научный сотрудник кафедры общей и экспериментальной физики НовГУ Анатолий Захаров. Работа опубликована в журнале Physics Letters A.

Что такое необратимость физики?

Более ста лет физики ищут решение парадокса: фундаментальные законы классической механики для отдельных атомов обратимы во времени, а на макроуровне возникает односторонняя направленность. Если снять на видео, как атомы движутся, а потом запустить это видео задом наперед, то такая «обратная» картинка тоже будет соответствовать законам физики. То есть с точки зрения механики нет разницы: атомы могут двигаться «вперед» или «назад» — уравнения это разрешают. Но в макромире мы видим, что все процессы необратимы. Например, разбитая чашка никогда не соберется обратно сама собой, хотя, если смотреть на уравнения движения каждого атома по отдельности, такое обратное движение ничем не запрещено.

Термодинамика утверждает, что любая закрытая система (например, горячий чай в термосе) с неизбежностью придет к состоянию равновесия (остынет до комнатной температуры и больше сам собой не нагреется). Хотя если все атомы горячего чая после наступления равновесия заставить двинуться вспять, то в соответствии с законами классической механики остывший чай должен через некоторое время снова стать горячим. Но в реальности обратный процесс представляется невозможным.

Как объясняли?

Традиционно эту проблему пытались объяснить через вероятность: атомы разбитой чашки могут быть расположены огромным числом разных способов, а атомы целой чашки — только одним — правильным. Поэтому случайные движения атомов почти всегда приводят к тому, что чашка оказывается разбитой. Другими словами: вероятность возрождения чашки равна нулю.

Однако, вероятность не является реальной физической величиной, а классическая механика (включая законы Ньютона) является принципиально детерминистской теорией (то есть такой, в которой будущее однозначно предсказывается по начальным условиям — никакой случайности в ней нет).

— Чтобы объяснить необратимость, нужно указать реальный физический механизм — то, что действительно заставляет процессы идти в одну сторону. Сама по себе вероятность ничего не объясняет: она ничем не отличается от старинной идеи мирового эфира (невидимой субстанции, которая будто бы пронизывает все пространство и из которой состоит весь мир). Эфир придумали, чтобы объяснить явления, но доказать его существование так и не смогли. Так же и вероятность — это просто удобное понятие, а не физическая причина. Вероятность не может быть причиной каких бы то ни было физических явлений. Но, как еще в 1930 году доказал польский математик и один из «отцов» американской водородной бомбы Станислав Улам: когда речь идет о бесконечном множестве возможных состояний (как в случае с атомами), невозможно придумать единую универсальную вероятность для всех них. То есть нельзя один раз и навсегда назначить вероятности так, чтобы они подходили для любой задачи, — объясняет Анатолий Захаров.

Вообще, спор о причинах необратимости идет с 1909 года. Тогда два физика — Вальтер Ритц и Альберт Эйнштейн — разошлись во мнениях. Ритц утверждал, что все дело в запаздывании взаимодействий между частицами. Эйнштейн же считал, что необратимость возникает из-за случайности и вероятности. В том же году Ритц умер, и в науке на долгие десятилетия победила точка зрения Эйнштейна. Новгородский физик фактически возвращается к идее Ритца — но уже на современном уровне.

В чем суть исследования?

В работе Анатолия Захарова, который занимается этой темой уже 15 лет, показано, что термодинамика несовместима с классической механикой Ньютона.

Поэтому взаимодействие между атомами описывается не через мгновенные силы, а через релятивистское поле, которое распространяется в пространстве с конечной скоростью. Релятивистским называют любое физическое поле (например, электромагнитное), которое описывается законами теории относительности. Оно состоит из набора простых волн, каждая из которых подчиняется уравнению Клейна-Гордона — одному из базовых уравнений современной физики.

Из-за конечной скорости распространения атомы чувствуют друг друга не мгновенно, а с задержкой. Но главная причина необратимости в другом: у поля бесконечное число степеней свободы — проще говоря, оно может меняться бесконечным числом способов. Когда атомы движутся, часть их энергии уходит в поле, превращается в волны. Эти волны разбегаются, и вернуть всю энергию обратно атомам уже невозможно. Что-то теряется безвозвратно. Именно поэтому процесс идет только в одну сторону и не может развернуться вспять.

Почему разбитая чашка не склеивается обратно?

— Когда чашка разбивается, атомы не просто разлетаются — они передают часть своей энергии релятивистскому полю, которое окружает все атомы и пронизывает пространство. Это поле обладает бесконечным числом степеней свободы, то есть может меняться бесконечным числом способов, и его изменения необратимы. Кроме того, в реальности атомы действуют друг на друга не мгновенно, а с задержкой (так как ничто не может двигаться быстрее света). Поэтому, даже если мысленно запустить время вспять для одних атомов, поле уже изменилось и не позволит осколкам собраться обратно — точно так же, как волны, разошедшиеся по воде, никогда не соберутся обратно, чтобы подбросить упавший камень в воздух. Энергия, переданная полю, рассеивается в пространстве и не возвращается полностью к атомам. Аналогия из динамики человека: невидимая снаружи нервная система человека (включая мозг) создает всю причудливую динамику живого человека, а без нервной системы это не человек, а манекен. Манекен не имеет никакого отношения к живому человеку. Так и классическая механика не имеет отношения к термодинамике, — заключил Анатолий Захаров.

Исследования ученого получили неожиданное продолжение. Недавно в журнале BioSystems была опубликована статья группы американских исследователей, в которой метод Анатолия Захарова использован для описания динамики взаимодействующих клеточных систем живого организма.

— Фундаментальные уравнения физики обратимы во времени, и это вступает в противоречие с реальной необратимостью мира. Долгое время объяснение искали в вероятности, но вероятность — это не физическая причина, а удобное понятие, которое само по себе ничего не объясняет. Анатолий Захаров показал, что атомы взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через посредника — поле, и этому полю требуется время, чтобы передать взаимодействие. Если не учитывать поле, невозможно понять реальное устройство мира, включая термодинамику, а без нее нельзя ни рассчитать энергетику процессов, ни описать поведение материалов и живых систем. Мы поддерживаем такие исследования, потому что на них держится научная школа, воспитываются ученые и сохраняется способность университета участвовать в решении вопросов, над которыми работает мировая наука. То, что метод новгородского ученого уже применен зарубежными коллегами, — лучшее подтверждение, что мы движемся в верном направлении, — заключил ректор НовГУ Юрий Боровиков.

Источник: Новгородский государственный университет

Изображение: разработано Мagnific.