Безымянный документ
Миры вне равновесия
Ж.П.ПЕТИТ
Бывший научный сотрудник ЦНРС
Декабрь 2012
Английская версия, переведенная Франсуа Браулем
Статья, которую академик Роберт Домтрай поддержал для публикации 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 постоянном движении в разных направлениях, имея среднюю скорость теплового движения 400 метров в секунду. Эти молекулы с умопомрачительной скоростью сталкиваются, взаимодействуют. Эти столкновения изменяют их скорости. Однако физик скажет, что это приводит к определенной стационарности, статистически говоря. Представьте себе эльфа, который, в какой-то точке пространства, может измерять в любой момент времени скорость молекул воздуха, движущихся в определенном направлении, скажем, в каком-то направлении, с небольшой угловой разницей. В любой момент он считает, и пересчитывает, сколько молекул имеют скорость, в алгебраическом значении, между V и V + ΔV. Он записывает результаты измерений на графике и видит появляющуюся красивую кривую Гаусса, с пиком около этой средней скорости 400 метров в секунду. Потом, чем больше молекул быстрых или медленных, тем меньше их количество.
Он повторяет эту операцию, направляя свой измерительный прибор во все направления пространства и, о чудо, получает одинаковый результат. Тепловое движение молекул воздуха в комнате изотропно. Более того, ничего не нарушает это динамическое равновесие, при условии, что температура этого газа остается постоянной, поскольку его абсолютная температура как раз является мерой средней величины кинетической энергии, соответствующей этому тепловому движению.
Физик скажет, что этот газ находится в состоянии термодинамического равновесия. Эта ситуация имеет другие аспекты. Молекулы воздуха не являются объектами сферической симметрии. Молекулы диатомических газов, 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 устанавливает, что энергия должна равномерно распределяться по этим различным «режимам». При столкновении кинетическая энергия может вызвать вибрацию или вращение молекулы. Но обратный процесс также возможен. Все сводится к статистике, и наш эльф может подсчитать, сколько молекул находятся в том или ином состоянии, обладают определенной кинетической энергией, находятся в определенном вибрационном состоянии. Всё это в воздухе, который мы дышим, приводит к стационарности этого состояния. Говорят, что это среда находится в состоянии термодинамического равновесия, релаксированного.
Представьте себе волшебника, который может остановить движение этих молекул во времени, застывшими различными вращательными и колебательными движениями, и изменить их по своему усмотрению, создавая другую статистику, деформируя эту красивую кривую Гаусса, или развлекаясь, создавая какую-то анизотропную ситуацию, где скорости теплового движения, например, в определенном направлении в два раза больше, чем в поперечных направлениях. Затем он позволит системе развиваться, по своему усмотрению, в результате столкновений.
Сколько из них потребуется, чтобы система вернулась в состояние термодинамического равновесия? Ответ: несколько. Среднее время свободного пробега молекулы между двумя столкновениями дает порядок величины времени релаксации в газе, его времени. Существуют ли среды вне равновесия, где статистика скоростей движения элементов значительно отклоняется от этой утешительной 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 газообразное множество, где молекулы — это звезды. В этом случае обнаруживается очень удивительный мир, где среднее время свободного пробега звезды, по отношению к встрече с ее соседями, составляет в десять тысяч раз возраст Вселенной. Но что подразумевается под встречей? Речь идет о столкновении, при котором два астрономических объекта сталкиваются? Даже не это. В области теоретической физики, называемой кинетической теорией газов, считается, что столкновение происходит, когда траектория звезды просто изменяется существенно, когда она проходит рядом с соседней звездой. Расчеты показывают, что такие события крайне редки, и что система из 100 и нескольких миллиардов звезд, обращающихся в галактике, может быть рассмотрена как система практически без столкновений. 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 замечает маленькие неровности, созданные другими звездами.
Сразу же вытекает следствие. Поместим нашего эльфа, ставшего астрономом, рядом с Солнцем в нашей галактике и попросим его провести статистику скоростей относительных всех соседних звезд во всех направлениях. Тогда становится очевидным, что среда динамически очень анизотропна. Существует направление, в котором средние скорости звездного теплового движения (называемые астрономами остаточными скоростями, по отношению к среднему движению 230 км/с вблизи Солнца, 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 управлять такими системами, которые так категорически находятся вне равновесия. Если мы исключим парадоксальные ситуации, в которых находятся галактики, с этим неприятным эффектом недостающей массы, открытой швейцарским американцем Фрицом 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 регионами...