Почему же во всех подобных процессах возникает необратимость, если они складываются из движений частиц, которые явно обратимы во времени? Где и как теряется эта обратимость?
Загадка была решена еще в прошлом веке.
В 1850 году немецкий физик Р. Клаузиус и в 1851 году независимо от него английский физик У. Томсон открыли закон, известный как второе начало термодинамики. Этот закон, по существу, обобщал только что описанные нами опыты и мог формулироваться как вывод, что тепло всегда переходит от горячего тела к холодному (об опыте с чернилами мы скажем чуть позже). В формулировке У. Томсона этот закон звучит следующим образом: «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, совершенная за счет охлаждения теплового резервуара». Отсюда следовало, что невозможно полное превращение тепла в механическую энергию или же в другие виды энергии. Это означает, что если изолировать какую-либо систему, то в конце концов в этой системе все виды энергии перейдут в тепло, а тепло равномерно распределится по всей системе, и наступит, как говорят, термодинамическое равновесие.
На практике мы прекрасно знаем проявление этого закона. Трение, например, в механических системах сопровождается переходом механической энергии в тепло. В тепловых машинах мы можем, правда, наоборот, переводить тепловую энергию в механическую работу, но для этого обязательно надо поддерживать разницу в температуре нагревателя и холодильника машины, иначе она работать не будет. На это надо затрачивать энергию, и часть ее при этом также переходит в тепло. Его возникает в таком процессе больше, чем обратного превращения тепла в механическую работу в тепловой машине. Так происходит непрерывное накапливание тепла, в которое переходят все виды энергии. Позже Р, Клаузиус дал математическое выражение второго начала термодинамики.
Термодинамические идеи Р. Клаузиуса и У. Томсона были развиты австрийским физиком Л. Больцманом. Он показал, в чем заключается смысл второго начала термодинамики. Тепло является, по существу, хаотическим движением атомов или молекул, составляющих материальные тела. Поэтому переход энергии механического движения отдельных частей системы в тепло означает переход организованного движения крупных частей системы в хаотическое движение мельчайших частиц, то есть означает, что увеличение беспорядка неизбежно в силу случайности движения частиц, если только на систему не влиять извне, не способствовать сохранению порядка.
Л. Больцман показал, что мерой беспорядка в системе является величина, введенная еще Р. Клаузиусом, — энтропия. Чем больше хаос, тем больше энтропия. Переход отдельных видов движения материи в тепло означает рост энтропии. Когда все виды энергии перешли в тепло, а тепло равномерно распределилось по системе, то это состояние максимального хаоса уже не меняется с течением времени и соответствует максимуму энтропии.
Так вот в чем дело! В сложной системе из многих частиц или других элементов в силу случайности многих взаимодействий неизбежно нарастает беспорядок, как иногда говорят — нарастает «хаос». Энтропия и есть численное выражение меры беспорядка. Конечно, рост беспорядка происходит в том случае, если не принимаются специальные меры по поддержанию порядка. Но тогда за системой надо следить, надо вмешиваться в процесс извне. Поэтому, разбирая примеры, мы специально оговаривали отсутствие таких внешних воздействий.
В случае с горячим бруском и холодной водой гораздо более вероятно, что молекулы горячего бруска, обладая большей энергией, будут отдавать ее при взаимодействии с менее энергичными молекулами воды. Когда температура выравнивается во всем объеме, это, очевидно, соответствует большему беспорядку, чем упорядоченное сосредоточение энергичных «горячих» молекул в одном месте и менее энергичных «холодных» в другом. Именно поэтому процессы, текущие в природе, всегда выравнивают температуру. Как уже отмечено, это соответствует переходу в состояние наибольшего беспорядка.
То же надо сказать и об опыте с чернилами. При случайных взаимодействиях гораздо вероятнее, что молекулы чернил рассеются по всему сосуду, чем то, что они направленно станут собираться в каплю. Равномерное распределение чернил по сосуду с водой отвечает наибольшему беспорядку.
Таким образом, вероятностные законы статистики при случайных взаимодействиях определяют направление необратимых процессов.