Несбалансированные миры
Ж.П.ПЕТИТ
Бывший научный сотрудник ЦНР
Декабрь 2012
Английская версия, переведенная Франсуа Браулом
Статья, за которую академик Роберт Дороуэй обещал поддержать публикацию в журнале Pour la Science.
Но, после месяцев молчания, я потерял надежду, что это будет сделано
Когда обычный человек думает о системе в равновесии, он представляет себе шарик в ямке или что-то подобное.
Понятие термодинамического равновесия включает в себя нечто более тонкое: понятие динамического равновесия. Простейший пример — воздух, который мы дышим. Его молекулы находятся в движении в разных направлениях, представляя среднюю скорость теплового движения 400 метров в секунду. С ускоренным ритмом эти молекулы сталкиваются, взаимодействуют. Эти столкновения изменяют их скорости. Однако физик скажет, что это приводит к определенной стационарности, статистически говоря. Представим себе эльфа, который может измерять в любой момент времени скорость молекул воздуха, движущихся в определенном направлении, скажем, в каком-либо направлении, с небольшой угловой шириной. В каждый момент он считает и пересчитывает, сколько молекул имеют скорость, в алгебраическом выражении, между V и V + ΔV. Он записывает результаты измерений на графике и видит появление красивой кривой Гаусса с пиком около этой средней скорости 400 метров в секунду. Чем больше молекул с большей или меньшей скоростью, тем меньше их количество.
Он повторяет эту операцию, направляя свой прибор измерения во все направления пространства и, к своему удивлению, получает один и тот же результат. Тепловое движение молекул воздуха в комнате изотропно. Кроме того, ничего не нарушает это динамическое равновесие, если температура этого газа остается постоянной, поскольку его абсолютная температура является точной мерой средней величины кинетической энергии, соответствующей этому тепловому движению.
Физик скажет, что этот газ находится в состоянии термодинамического равновесия. Это состояние имеет другие аспекты. Молекулы воздуха не являются объектами сферической симметрии. Двухатомные молекулы кислорода или гелия имеют форму бобов. Молекулы, составляющие углекислый газ и водяной пар, еще более разные. В любом случае, эти объекты могут, вращаясь сами по себе, накапливать энергию, как миниатюрные волчоки инерции. Эти молекулы также могут вибрировать. Концепция равнораспределения этих энергий предписывает, чтобы энергия распределялась поровну по этим различным «режимам». При столкновении кинетическая энергия может вызывать вибрацию или вращение молекулы. Но обратный процесс также возможен. Все сводится к статистике, и наш эльф может подсчитать, сколько молекул находятся в каком-либо состоянии, имеют какую-либо кинетическую энергию, находятся в каком-либо вибрационном состоянии. Всё это в воздухе, который мы дышим, приводит к стационарности этого состояния. Говорят, что это средство находится в состоянии термодинамического равновесия, релаксированном.
Представим себе волшебника, который может остановить движение этих молекул во времени, застыть их различные движения вращения и вибрации, и изменить их по своему усмотрению, создавая другую статистику, деформируя эту красивую кривую Гаусса, возможно, играя в создание какой-либо анизотропной ситуации, где скорости теплового движения, например, в определенном направлении в два раза больше, чем в поперечных направлениях. Затем он позволит системе развиваться, по собственной воле столкновений.
Сколько из них потребуется, чтобы система вернулась в свое состояние термодинамического равновесия? Ответ: несколько. Среднее время свободного пробега молекулы между двумя столкновениями дает порядок величины времени релаксации в газе, его времени возвращения в состояние термодинамического равновесия.
Существуют ли среды, находящиеся вне равновесия, где статистика скоростей движения элементов значительно отклоняется от этой утешающей изотропии и красивых гауссовых кривых?
Да, и это даже большинство случаев во Вселенной! Галактика, это «мировое остров», состоящее из сотен миллиардов звезд, общая масса которых в целом довольно близка, может быть рассмотрена как газообразная система, в которой молекулы — это звезды. В этом случае мы обнаруживаем очень удивительный мир, где среднее время свободного пробега звезды относительно встречи с соседями в 10 000 раз больше возраста Вселенной. Но что подразумевается под встречей? Речь идет о столкновении, при котором два небесных тела сталкиваются? Даже не это. В области теоретической физики, называемой кинетической теорией газов, считается, что столкновение происходит, когда траектория звезды просто изменяется заметно, при пересечении с соседней звездой. Однако расчеты показывают, что такие события чрезвычайно редки, и что система из 100 и нескольких миллиардов звезд, обращающихся в галактике, может быть рассмотрена как система почти неколлизионная. Таким образом, в течение миллиардов лет траектория нашего Солнца очень регулярна, почти круговая. Если бы Солнце обладало сознанием, в отсутствие изменений его траектории, вызванных встречами, оно не знало бы, что у него есть соседи. Оно воспринимает только гладкую форму гравитационного поля. Оно движется, как в воронке, которую не может ощущать из-за маленьких неровностей, созданных другими звездами.
Сразу же возникает следствие. Поместим нашего эльфа, который стал астрономом, рядом с Солнцем, в нашей галактике и попросим его провести статистику скоростей относительно всех соседних звезд во всех направлениях. Тогда становится совершенно очевидным, что среда, динамически говоря, очень анизотропна. Существует направление, в котором средние скорости звездного движения (называемые астрономами остаточными скоростями, по отношению к среднему движению, составляющему 230 км/с рядом с Солнцем, по почти круговой траектории) в среднем почти в два раза выше, чем в поперечных направлениях. В воздухе, который мы дышим, говорили о скоростном сфероиде. Здесь это становится скоростным эллипсоидом.
Хорошо. Какое влияние это оказывает на наше восприятие мира? Это все меняет. Потому что мы просто не можем теоретически обрабатывать такие системы, которые так категорически находятся вне равновесия. Если мы исключим парадоксальные ситуации, в которых находятся галактики, с этим неприятным эффектом недостающей массы, открытой швейцарским американцем Фритцом Цвиком, мы не сможем создать модель систем точечных масс, самогравитирующих (вращающихся в собственном гравитационном поле). Наша физика всегда находится рядом с состоянием термодинамического равновесия. Конечно, любое отклонение от этого или того представляет собой отклонение от равновесия, например, отклонение температуры между двумя газовыми областями, что приведет к переносу тепла, переносу кинетической энергии...