Если мы обратимся к микроскопической, атомной структуре материи, то нам нужно подойти иначе к определению теплового состояния тела. Степень нагретости тела, согласно механической теории тепла, определяется энергией движения молекул. Не все молекулы имеют одинаковые скорости, а энергия не распределена поровну между всеми молекулами, но и скорость и энергия распределены между молекулами по определенному закону.
Каждому определенному распределению скорости между молекулами соответствует определенное тепловое состояние тела. Иначе говоря, каждому микросостоянию, определяющемуся распределением молекул, соответствует макросостояние, определяющееся температурой.
Но одному и тому же макросостоянию, определяющемуся температурой, соответствует не одно, а несколько микросостояний.
Одно и то же тепловое состояние тела может быть реализовано различными распределениями скоростей между молекулами, если только средняя энергия остается той же: В самом деле, для определения теплового состояния не имеет значения, какие именно молекулы обладают той или иной скоростью.
Скорость, которой обладает определенная молекула, — случайна. Случайна именно в смысле объективной случайности, так как для определения теплового состояния важен общий характер распределения скоростей, характеризующий всю совокупность молекул в целом, а не индивидуальное распределение скоростей.
Точно так же, как в разобранном примере в ряде бросаний монеты имеет значение не отдельное выпадение орла или решки, а общее распределение числа орлов и решек, характеризующее изучаемый ряд в целом.
Итак, одно и то же тепловое состояние может быть реализовано определенным количеством микросостояний.
Это значит, что если мы будем рассматривать всевозможные микросостояния тела, газа, например, причем будем обращать внимание на значение скоростей у каждой отдельной молекулы, то мы получим чрезвычайно большой ряд микросостояний. Но мы видели выше, что целый ряд микросостояний будет реализовать одно и то же тепловое состояние.
Чем больше ряд микросостояний, реализующий одно и то же тепловое микросостояние, тем оно вероятнее, подобно тому как вынуть белый шар из урны, содержащей 1 000 белых шаров и 1 черный, вероятней, чем вынуть черный.
Каждое тепловое состояние с точки зрения микро-космической обладает определенной вероятностью.
Наблюдая течение тепловых процессов, мы убеждаемся, что разность уравнений макроскопических тепловых состояний стремится выравняться, т. е. прийти в состояние равновесия. В обратном направлении процесс протекать не будет.
В этом и состоит суть формулировки Клаузиуса: переход всегда совершается только от тела более нагретого (на более высоком тепловом уровне) к телу менее нагретому (на более низком тепловом уровне).
Так как мы наблюдаем постоянно только такое течение процесса, то отсюда мы заключаем, что микропроцессы, реализующие равновесное состояние, наиболее вероятны.
Если мы имеем один объем газа более нагретый, чем другой объем, то тепловой процесс будет протекать так, чтобы температура выравнялась, т. е. чтобы получилось наиболее вероятное микросостояние, а это и будет состояние теплового равновесия.
Мы можем искусственно, внешним вмешательством нарушить тепловое равновесие — например, нагрев одно из тел, — точно так же, как мы можем искусственно выбирать каждый раз черный шар из урны. Но, предоставленный самому себе, тепловой процесс снова придет в равновесие, подобно тому как если мы, не выбирая, будем тащить шар наудачу, то получим распределение, соответствующее вероятности появления того или иного шара.
Теперь ясно, почему мы считаем тепловые процессы необратимыми. Они необратимы, потому что в течение теплового процесса есть переход от менее вероятного состояния к более вероятному. Вероятность обратного перехода тепла от холодного тела к теплому — весьма маловероятна, но не равна нулю!
Мы не наблюдаем в природе такого перехода, потому что он необычайно маловероятен, но отнюдь не потому, что он вообще невозможен.
Если мы ставим кастрюлю с водой на примус, то вода закипит. Это то, что мы наблюдаем постоянно. Но вода не необходимо должна закипеть. Она может и замерзнуть, т. е. тепло от воды перейти к пламени горелки. Это не невозможно, но настолько маловероятно, что на появление подобного состояния хоть один раз понадобился промежуток времени, по сравнению с которым время существования всей нашей Солнечной системы лишь исчезающе мало, подобно тому, как для того чтобы вынуть черный шар из урны, содержащей 1 000 000 белых и один черный шар, надо осуществить необычайно длинный ряд вытаскиваний шаров. Конечно, черный шар вовсе не должен вынуться непременно под конец. Он может появиться в любой момент, даже в самом начале, но число его появлений по сравнению с числом появлений белых шаров будет в миллион раз меньше.
Вообще говоря, реализация как угодно маловероятного микросостояния не невозможна и, как и появление черного шара, может случиться в любой момент. Но если бы даже оно случилось и наблюдалось нами, то этим нисколько бы не была нарушена основная тенденция тепловых процессов идти от состояния менее вероятного к состоянию более вероятному.
Такая концепция тепловых процессов есть выражение их в форме статистической закономерности.
В случае динамической закономерности мы имеем определенное однозначное поведение процесса. Камень, поднятый над землей, необходимо должен упасть под действием силы тяготения. Высказывание это с необходимостью относится к каждому единичному случаю.
Если я ставлю кастрюлю на плиту, то вода может и закипеть и обратиться в лед.
Общая закономерность течения тепловых процессов, состоящая в переходе от менее вероятных состояний к более вероятным, ничего не говорит о течении единичных процессов. Статистическая закономерность есть высказывание относительно всей совокупности процессов.
Закон рассеяния энергии есть статистический закон, и этим разрешается противоречие обратимых и необратимых процессов: всякий процесс и обратим и необратим. Он необратим, как процесс макрокосмический, как объект человеческой практики, ибо вероятность его обращения по сравнению с временем человеческой и земной практики исчезающе мала. Поэтому мы не станем замораживать воду, ставя ее на плиту, и не будем топить печи льдом. Но не потому, что это невозможно вообще, а потому, что реализация таких процессов в рамках нашей практики исчезающе мала.
Но всякий процесс также и обратим, как процесс микрокосмический, ибо для космических промежутков времени любое как угодно маловероятное микросостояние необходимо будет реализовано.
Статистическое толкование закона рассеяния энергии устраняет затруднение в вопросе о начале мира во времени. Всякое наступившее равновесное состояние есть смерть только с ограниченной, «земной» точки зрения. С точки зрения космической возможны как угодно маловероятные образования, отступления от теплового равновесия. Тепловая смерть есть начало новой жизни. Мир не имеет ни начала, ни конца ни во времени, ни в пространстве. Таков конечный вывод статистического толкования закона рассеяния энергии.
Единство обратимых и необратимых процессов состоит в том, что в основе необратимых (тепловых) процессов лежат механические движения миллиардов молекул, и поэтому принципиально всякое тепловое состояние обратимо.
Специфичность необратимых процессов состоит в том, что закономерность течения необратимых процессов есть закономерность статистическая, а не динамическая, и поэтому мы можем говорить о необратимых процессах, хотя в единичных случаях может происходить переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому.
Если мы примем, что случайность есть категория субъективная, то мы тем самым должны объявить субъективным и специфичность необратимых процессов. Но то, что тепловые процессы практически необратимы, учит нас повседневный опыт. И необратимость их основана не на том, что статистическая закономерность есть неполное знание, а на специфическом отличии макроскопических тепловых процессов от механического движения молекул. Это качественное различие, подтверждаемое нашей практикой, не исчезает, если мы изучим во всей подробности движение каждой молекулы, «устраним случайность как следствие нашего незнания».
