Характер физических законов - Ричард Фейнман

Итак, если мы станем наблюдать слишком пристально, мы снова ничего не сможем понять. Ведь каждое из столкновений полностью обратимо, а все же наш кинофильм, прокрученный в обратном направлении, показывает нечто совершенно абсурдное: как молекулы, поначалу смешанные (синие, белые, синие, белые), с течением времени после множества столкновений разделились на белые, сосредоточенные в одном месте, и синие, расположенные в другом. Но ведь этого не может быть, это неестественно, чтобы синее само по себе случайно отделялось от белого. И в то же время, если наблюдать нашу прокручиваемую задом наперед картину, каждое столкновение абсолютно законно.

Единственный вывод, к которому здесь можно прийти, заключается в том, что данная необратимость как раз и вызвана всеми этими случайностями. Если вы начнете с состояния, в котором все разделено, и станете производить всякие случайные изменения, то распределение будет все более и более равномерным. Но если начать с равномерного распределения и снова заняться случайными изменениями, то мы не придем к разделению. В принципе разделение может наступить. Законам физики не будет противоречить такое движение и такие отражения молекул, при которых они разделятся. Просто это очень маловероятно. Так может произойти раз в миллион лет. В этом и заключается ответ на наш вопрос. События нашего мира необратимы в том смысле, что их развитие в одну сторону весьма вероятно, а в другую – хотя и возможно, хотя и не противоречит законам физики, но случается один раз в миллион лет. Поэтому просто нелепо сидеть и ждать, что когда-то хаотическое движение атомов приведет к разделению равномерной смеси чернил и воды на чернила по одну сторону резервуара и воду – по другую.

Теперь выделим из нашего эксперимента очень маленький объем, так что в новый резервуар попадет всего по четыре-пять молекул каждого типа, и станем наблюдать за тем, как они перемешиваются. Мне кажется, нетрудно поверить в то, что когда-то, и совсем необязательно через миллион лет, может быть, и в течение года, в процессе бесконечных хаотических столкновений этих молекул окажется, что они вернулись в состояние, более или менее похожее на исходное. По крайней мере если в этот момент захлопнуть заслонку, все белые молекулы окажутся в правой половине резервуара, а все синие – в левой. В этом нет ничего невозможного. Но реальные объекты, с которыми мы имеем дело, состоят не из четырех или пяти белых и синих молекул. В них четыре или пять миллионов миллионов миллионов миллионов молекул, и нужно, чтобы все они разделились таким образом. Поэтому кажущаяся необратимость природы не следует из необратимости основных законов физики. Она связана с тем, что если вы начинаете с некоторой упорядоченной системы и подвергаете ее случайностям, происходящим в природе, столкновению молекул например, то все происходит необратимым образом, только в одну сторону.

В связи с этим возникает следующий вопрос: а чем объяснить существование исходного порядка? Другими словами, почему удается начать с упорядоченной системы? Трудность здесь заключается в том, что мы начинаем всегда с упорядоченного состояния, но никогда не приходим к такому же состоянию. Один из законов природы состоит в том, что все меняется от порядка к беспорядочности. В этом случае слово «порядок», так же как слово «беспорядок», является еще одним примером того, как повседневные слова меняют свой обыденный смысл, когда ими начинают пользоваться физики. Порядок в физическом смысле вовсе не должен быть полезным для нас, людей; это слово просто указывает на существование какой-то определенности. Все атомы одного типа расположены с одной стороны, а все атомы другого типа – с другой, или все они перемешаны, – вот и вся разница между порядком и беспорядком в физике.

Таким образом, вопрос состоит в том, как же достигается первоначальный порядок и почему, когда мы смотрим на любую обычную ситуацию, которая упорядочена только частично, мы можем заключить, что, вероятнее всего, она возникла из другой, еще более упорядоченной. Если я смотрю на резервуар с водой, которая с одной стороны темно-синяя, с другой – бледно-голубая, а посредине – промежуточного синего цвета, и я знаю, что в течение последних 20 или 30 мин к этому резервуару никто не прикасался, я легко догадаюсь – такая расцветка возникла потому, что раньше разделение было гораздо более полным. Если подождать еще, то прозрачная и синяя вода перемешаются еще больше, и если я знаю, что в течение достаточно долгого времени с ней ничего не делали, то смогу сделать некоторые заключения о ее первоначальном состоянии. Тот факт, что по краям цвет воды «ровный», указывает на то, что в прошлом эти цвета были разделены гораздо резче. В противном случае за прошедшее время они перемешались бы в гораздо большей степени. Таким образом, наблюдая настоящее, мы можем узнать кое-что о прошлом.

На самом деле физиков это обычно не очень интересует. Физики склонны считать важными и серьезными задачи только такого типа: сейчас условия таковы, что будет дальше? Остальные родственные нам науки занимаются совсем другими задачами. Да и вообще все другие области знания – история, геология, астрономия – решают задачи совсем другого рода. Оказывается, они умеют делать предсказания совсем другого типа, чем те, к которым привыкли физики. Физик обычно говорит: «При таких-то условиях я могу сказать вам, что сейчас произойдет». А геолог скажет вам что-нибудь в таком роде: «Я выкопал из земли кости определенного типа. Поэтому я предсказываю, что если покопать еще, то можно будет найти и другие кости того же типа». Историк, хотя и говорит о прошлом, может при этом говорить о будущем. Когда он утверждает, что Французская революция произошла в 1789 г., он хочет сказать, что, если вы заглянете в другую книгу о Французской революции, вы найдете в ней ту же дату. В действительности он делает предсказание особого рода о чем-то, чего он еще никогда не видел, о документах, которые еще нужно найти. Он утверждает, что в этих документах, если речь в них идет о Наполеоне, окажется то же, что написано в других документах. Возникает вопрос, почему это возможно, и единственный выход – предположить, что в этом смысле прошлое нашего мира более организовано, чем его настоящее.

Некоторые полагают, что наш мир стал упорядоченным следующим образом. Сначала вся наша Вселенная находилась в состоянии абсолютно неупорядоченного движения, совсем как полностью перемешанная вода. Но мы видим, что если ждать достаточно долго и если число атомов очень невелико, то чисто случайным образом в один из моментов времени вода оказывается разделенной. Некоторые физики (в прошлом веке) высказали предположение, что с нашей Вселенной случилось лишь вот что: в нашем мире, где беспорядочное движение все шло и шло своим чередом, произошла флуктуация. (Именно этим термином пользуются каждый раз, когда наблюдается некоторое отклонение от обычной равномерности.) Итак, произошла флуктуация, а теперь мы наблюдаем, как все потихоньку возвращается к хаосу. Вы можете возразить мне: «Послушайте, сколько же времени надо ждать, чтобы дождаться такой флуктуации». Знаю, знаю, но если бы флуктуация не была достаточно сильной для того, чтобы начались процессы эволюции, чтобы возникли разумные существа, никто бы ее и не заметил. Так что нам ничего и не оставалось, как ждать и ждать до тех пор, пока мы не появимся на свет и не заметим ее, – на это понадобилась флуктуация хотя бы такой силы. Правда, лично мне такая теория кажется неверной. Она мне кажется нелепой, и вот по каким причинам.

Предположим, что наш мир очень большой, что в первоначальном состоянии атомы были хаотически разбросаны по всему миру и что я могу наблюдать за любой его частью, выбирая ее совершенно случайным образом. Тогда если вдруг окажется, что атомы наблюдаемой мною части каким-то образом упорядочены, у меня не будет никаких оснований предполагать аналогичную упорядоченность атомов в других участках нашего мира. В самом деле, если здесь, у нас, произошла флуктуация и мы видим здесь что-то необычное, то, вероятнее всего, она появилась здесь за счет того, что в другом месте не стало ничего необычного. Другими словами, для того чтобы добиться отклонения от нормы в одном месте, необходимо, так сказать, призанять со стороны, но занимать нужно не очень много. В нашем опыте с подкрашенной и чистой водой в тот момент, когда наши несколько молекул вдруг разделятся, вся остальная вода, вероятнее всего, будет перемешана. А поэтому, хотя каждый раз, когда мы смотрим на звезды и на мир в целом, мы замечаем, что все упорядочено, мы должны были бы считать, что коль скоро это – флуктуация, то дальше, куда мы еще не заглядывали, все должно быть в беспорядке и состоянии полного хаоса. Хотя разделение материи на горячие звезды и холодный космос, которое мы наблюдаем, и может быть результатом некоторой флуктуации, в других местах, которые мы не можем наблюдать сегодня, мы не имели бы никаких оснований ожидать разделения на звезды и космос. Тем не менее мы всегда предсказываем, что вне пределов нашей досягаемости находятся звезды такого же типа, или что там можно найти те же самые утверждения о Наполеоне, или заметить кости, которые мы уже видели раньше. Успех всех таких научных предсказаний свидетельствует о том, что наш мир не появился на свет в результате флуктуации, а, наоборот, развился из другого, более организованного. Поэтому мне кажется необходимым добавить к известным физическим законам гипотезу о том, что в прошлом Вселенная была более упорядоченной (в физическом смысле этого слова), чем сегодня. Я думаю, именно этого дополнительного утверждения нам не хватает для того, чтобы поставить все на свои места, чтобы до конца разобраться в явлениях необратимости.