Необратимость процессов в природе и "стрела времени"

 

 

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования  «Поволжская  государственная социально-гуманитарная академия»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Необратимость процессов в природе и стрела времени

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                    Выполнила студентка 2 курса

                                                                    Факультет: ФМФИ

                                            Специальность: «Математика» и «Информатика»

                                                                            Группа М-2

                                                                           

 

 

 

 

 

 

                                                          Самара 2013

 

Оглавление

Введение…………………………………………………………………………3 
Время…..................................................................................................................4 
«Стрела времени» и проблема необратимости в естествознании……………7 
Космологическая стрела времени……………………………………………..10 
Геологическая стрела времени………………………………………………...11 
Биологическая стрела времени: от биосферы к ноосфере…………………...14 
Заключение……………………………………………………………………...20 
Список используемой литературы…………………………………………….21

 

Введение

Одной из основных проблем в классической физике долгое время оставалась проблема необратимости реальных процессов в природе. Если снять кинофильм о хаотическом движении одной частицы в некотором замкнутом объеме и показать этот фильм, прокручивая пленку в обратном направлении, то ничего неправдоподобного в поведении частицы не обнаружится. Более того, просто невозможно будет даже определить, в какую сторону прокручивалась пленка. В этом случае говорят, что движение частицы обратимо. Практически ничего не изменится и в случаях, когда просматривается фильм о хаотическом движении двух, трех и вообще любого небольшого числа независимых частиц.

Однако когда частиц становится достаточно много, в их совместном поведении проявляется новая закономерность. Если, например, в начале фильма все частицы находились в каком-то определенном месте объема, то в дальнейшем они распределяются по объему более или менее равномерно, и если при демонстрации фильма обнаруживается, что частицы самопроизвольно скапливаются в каком-то месте, можно быть уверенным, что пленка прокручивалась в обратном направлении. Такое поведение, когда состояния системы могут появляться только в определенной последовательности, называется необратимым.

Почти все реальные процессы в природы являются необратимыми: это и затухание маятника, и эволюция звезды, и человеческая жизнь. Необратимость процессов в природе как бы задает направление на оси времени от прошлого к будущему. Это свойство времени английский физик и астроном А. Эддингтон образно назвал "стрелой времени".

Почему же, несмотря на обратимость поведения одной молекулы, ансамбль из большого числа таких молекул ведет себя существенно необратимо? В чем природа необратимости? Как обосновать необратимость реальных процессов, опираясь на законы механики Ньютона? Эти и другие аналогичные вопросы волновали умы самых великих ученых XVIII - XIX веков.

 

Время

Проблема времени вызывала интерес с глубокой древности. Во всяком случае с античных времён по сегодняшний день исследователи практически всех направлений уделяли понятию времени самое пристальное внимание.

Согласно словарю русского языка С. И. Ожегова, время определяется в восьми понятиях:

1) в философском смысле  это одна из основных форм (наряду  с пространством) существования  бесконечно развивающейся материи;

2) продолжительность, длительность чего-нибудь, измеряемая секундами, минутами, часами;

3) промежуток той или  иной длительности, в который  совершается что-нибудь, последовательная  смена часов, дней, лет;

4) определенный момент, в  который происходит что-нибудь;

5) период, эпоха;

6) пора дня, года;

7) подходящая, удобная пора, благоприятный момент;

8) то же, что досуг.

Это говорит о том, что время – это понятие неоднородное. Оно может употребляться в различных смыслах. Теория концепции современного естествознания, как и философия, изучает понятие времени в общефилософском смысле.

Абсолютное, истинное, математическое время у Ньютона — это время, которое само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. При таком подходе абсолютное время предстает как объект весьма парадоксальный. Во-первых, рассмотрение течения времени связано с представлением времени как процесса во времени, что логически неудовлетворительно. Во-вторых, трудно принять утверждение о равномерном течении времени, ибо это предполагает, что существует нечто, контролирующее скорость потока времени. Более того, если время рассматривается «без всякого отношения к чему-либо внешнему», то какой смысл может иметь предположение, что оно течет равномерно?

Следует, однако, отметить, что абсолютное время Ньютон назвал не только истинным, но и математическим. В этом пункте заключено важное отличие его (Ньютона) представления от воззрений предшественников. До Ньютона истинное время иногда обозначало просто длительность, иногда бесконечное время, а иногда и саму вечность. Это время потом получало метризацию (масштаб) либо с помощью периодических природных движений и

тогда оно принималось сопричастным природе, либо с помощью души, воспоминаний, ожиданий и прочего и тогда оно превращалось в психологическую конструкцию, что давало относительное время. У Ньютона же появляется математическое время, длительность которого задается линией евклидовой геометрии, а ритм — натуральным рядом чисел. Математическое время, таким образом, есть непрерывная, монотонно возрастающая функция в интервале (-∞; +∞).

Созданная Ньютоном концепция абсолютного времени безраздельно господствовала в науке вплоть до конца XIX в.

Постоянство скорости света во всех ИСО приводит к неожиданному на первый взгляд выводу об относительном характере одновременности и, как следствие, к необходимости отказа от одной из фундаментальных концепций ньютоновской механики — абсолютного времени. То, что одновременные события в одной системе отсчета могут оказаться неодновременными в другой, легко понять, мысленно представив себе следующую ситуацию. Пусть в системе отсчета, связанной с неподвижной железнодорожной платформой (K – система отсчета), перемещается вагон электрички (K’ – система отсчета), имеющий две двери, управляемые световыми сигналами (см. рис.1). В некоторый момент времени посередине между дверьми вспыхивает лампочка. Тогда для наблюдателя, находящегося в вагоне, двери откроются одновременно, так как свет распространяется в K’ – системе отсчета во все стороны с одной и той же скоростью, а расстояния от лампочек до дверей одинаковы. В то же время наблюдатель, находящийся на платформе, увидит, что задняя дверь откроется раньше, чем передняя. Для этого наблюдателя, находящегося в K – системе отсчета, свет также распространяется во все стороны с одной и той же скоростью, но задняя дверь вагона приближается к волновому фронту, а передняя дверь, наоборот, удаляется от него.

 
Рис.1 
Относительность одновременности

Если мы введем еще одну систему отсчета (K’’), связанную с быстро летящим самолетом, то легко убедиться в том, что для летчика, находящегося в самолете, передняя дверь вагона откроется раньше, чем задняя. И для этого наблюдателя свет от вспыхнувшей лампочки распространяется с одинаковой скоростью во всех направлениях (в его K’’ – системе отсчете), но при этом вагон перемещается в направлении, противоположном направлению полета, а значит передняя дверь вагона раньше встретится с волновым фронтом световой вспышки. Таким образом, на вопрос о том, одновременно или неодновременно открылись двери вагона и какая из этих дверей открылась раньше, должны последовать разные ответы в зависимости от того, из какой системы отсчета наблюдается движение электрички.

Приведенный пример показывает, что интервалы времени между двумя событиями зависят от того, из какой системы отсчета эти события наблюдаются, а это в свою очередь означает, что ход времени различен в разных ИСО. Другими словами, время нельзя рассматривать независимо от системы отсчета, с которой связана система пространственных координат: время становится одной из «координат» системы отсчета. Поэтому в СТО явления природы рассматриваются в едином четырехмерном пространстве-времени. 

«Стрела времени» и проблема необратимости 
в естествознании

Одной из основных проблем в классическом естествознании долгое время оставалась проблема объяснения физической природы необратимости реальных процессов. Суть проблемы заключается в том, что движение материальной точки, описываемое II законом Ньютона (F = ma), обратимо, тогда как большое число материальных точек ведет себя необратимо. Чтобы наглядно представить себе разницу обратимого и необратимого поведения, посмотрим на последовательные кадры фильма о хаотичном движении частиц в замкнутом объеме («ящике»). Если число частиц невелико (например, две частицы на рис. 2а), то мы не сможем определить, куда направлена ось времени: слева направо или справа налево, так как любая последовательность кадров является одинаково возможной. Это и есть обратимое поведение.

Совсем иная ситуация имеет место, если число частиц очень велико. В этом случае направление времени определяется однозначно: слева направо (см. рис. 2б), так как невозможно представить, что равномерно распределенные частицы сами по себе, без каких-то внешних воздействий соберутся в углу «ящика».

Рис.2 
обратимая и необратимая динамика

Это было бы эквивалентно тому, что водяной пар, находящийся в комнате, вдруг самопроизвольно соберется в небольшую лужицу воды на полу. А вот противоположная смена кадров, когда частицы, первоначально находившиеся в каком-то углу, сами по себе распределяются равномерно по объему «ящика», является вполне естественной. Такое поведение, когда состояние системы может изменяться только в определенной последовательности, называется необратимым.

Почти все реальные процессы в природе являются необратимыми: это и затухание маятника, и эволюция звезды, и человеческая жизнь. Необратимость процессов в природе как бы задает направление на оси времени от прошлого к будущему. Это свойство времени английский физик и астроном А. Эддингтон образно назвал «стрелой времени».

Почему же, несмотря на обратимость поведения одной частицы, ансамбль из большого числа таких частиц ведет себя необратимо? В чем природа необратимости? Как обосновать необратимость реальных процессов, опираясь на законы механики Ньютона? Эти и другие аналогичные вопросы волновали умы самых выдающихся ученых XVIII–XIX вв.

Первоначально проблему необратимости стали серьезно изучать в термодинамике, которая занимается тепловыми явлениями в природе. Следует отметить, что вплоть до начала XIX в. считалось, что эти явления обусловлены наличием в телах определенной «жидкости» — теплорода. Гипотеза теплорода хорошо объясняла процессы нагревания тел, их тепловое расширение, теплообмен и многие другие явления. Этой гипотезы придерживался великий С. Карно, заложивший основы термодинамики и теплотехники. Именно Карно первым обратил внимание на необратимость тепловых процессов, которая, в частности, проявляется в том, что тепло не может самопроизвольно перетекать от холодного тела к горячему.

После отказа от гипотезы теплорода и перехода к молекулярно-кинетической модели тепловых явлений возникла надежда свести тепловые явления к механическим, что на заре классического естествознания являлось конечной целью любой теории. Формально для этого надо было записать уравнение движения F = ma и задать начальные состояния для каждой молекулы нагретого тела, например газа. Но если вспомнить, что в одном моле идеального газа — а для водорода (Н2) это всего-навсего 2 г – находится ~1023 атомов, то понятно, что ни решить такую чудовищно большую систему уравнений, ни, главное, проанализировать полученное решение невозможно. А значит, и природа необратимого поведения при таком механическом подходе к этой проблеме не раскрывается.

Первым, кто осознал, что задачу о динамике поведения систем, состоящих из очень большого числа частиц, нужно решать по-другому, был Дж. К. Максвелл. Именно он в 1859 г. ввел в физику понятие вероятности, используемое математиками при анализе случайных явлений. Максвелл исходил из того, что в принципе невозможно не только проследить за изменениями положений и импульсов каждой частицы на протяжении большого интервала времени, но и точно определить импульсы и координаты всех молекул газа или любого другого макроскопического тела в заданный момент времени. Их следует рассматривать как случайные величины, которые могут принимать различные значения, подобно тому, как при бросании игральной кости может выпасть любое число очков от 1 до 6. Несомненно, что поведение молекул в сосуде гораздо сложнее движения брошенной игральной кости. Но и здесь можно надеяться обнаружить определенные количественные закономерности, если ставить задачу так же, как и в теории игр, а не как в классической механике. Нужно отказаться, например, от неразрешимой задачи определения точного значения импульса молекулы в данный момент, а попытаться найти вероятность того, что этот импульс имеет то или иное значение.

Максвелл решил эту задачу! Но главная его заслуга состояла не столько в решении, сколько в постановке самой задачи. Он ясно осознавал, что случайное поведение молекул подчиняется не детерминированным законам классической механики, а вероятностным (или статистическим) законам. В дальнейшем Л. Больцман разработал кинетическую теорию газов, в которой законы термодинамики предстали как следствие более глубоких статистических законов поведения ансамблей, состоящих из большого числа частиц. Классическая статистическая механика получила завершение в работах американского физика Дж. Гиббса, создавшего общий метод расчета термодинамических функций любых систем (а не только газов), находящихся в состоянии равновесия или вблизи него. 

Космологическая стрела времени