Стрела времени и необратимость, возникновение хаоса из порядка и порядока из хаоса как следствие фундаментального детерминизма (стр. 4 из 11)

Речь идет о кинетической энергии общего переноса (кооперативной энергии), связанной с результирующим импульсом, т.е. той энергии, которая совершает макроскопическую работу. Закон сохранения общей кинетической энергии системы не нарушается, т.к. адекватно увеличивается хаотическая составляющая кинетической энергии. При увеличении массы, переносящей результирующий импульс, в 10 раз кинетическая энергия, переносимая этим импульсом, и остающаяся в направленной форме, уменьшается в 10 раз. И при стремлении массы результирующего импульса к бесконечности кинетическая энергия общего переноса стремится к нулю. Таким образом при стремлении массы результирующего импульса к бесконечности, т.е. вовлечении в процесс переноса импульса огромного числа частиц, скорость результирующего импульса стремится к нулю и направленное движение затухает. Результирующий импульс, оставаясь постоянным по величине и направлению, вырождается как носитель кооперативной энергии, равносильно тому, что

и система приходит в равновесное состояние. Вся кооперативная энергия переходит к нуль-вектору хаоса.

Этим разрешается парадокс который мы выявили в начале. В случае центрального удара рассеяние вообще не происходит. В этом примере мы рассматривали столкновение шара с покоящимися шарами. Картина рассеяния и затухания не изменится, если шары будут не покоиться, а хаотически двигаться с

, т.к. причиной рассеяния является не состояние системы, а нецентральное соударение.

Теперь о самом главном – о применении закона сохранения результирующего импульса к многочастичным (термодинамическим) системам. Когда я рассматриваю механизм релаксации термодинамических систем через рассеяние направленной кинетической энергии, переносимой результирующим импульсом, то для замкнутой системы неукоснительно соблюдаю закон сохранения результирующего импульса. Если выше я пишу: “Каким образом кинетическая энергия направленного движения с

переходит в кинетическую энергию хаотически движущихся частиц с как вектор”, то это относится не к утверждению, а к постановке задачи. Это утверждение давным давно сделал Клаузиус, когда сформулировал второй закон в форме, что направленный процесс в замкнутой термодинамической системе неизбежно приходит в равновесное состояние. Ведь если процесс направленный, то это кооперативное (совместное) движение многих частиц, а значит имеется результирующий импульс, который должен в замкнутой системе оставаться постоянным как вектор что бы не происходило. Но если система придет в равновесное состояние, т.е. реализуется Максвеловское распределение по скоростям, то легко показывается что в системе Вот это и породило сомнение, появилась необходимость согласовать эти противоречащие друг другу фундаментальные опытные факты. Причём предпочтение отдано закону сохранения результирующего импульса как более фундаментальному закону на том основании что закон сохранения результирующего импульса сформулирован для любых замкнутых систем, а 2-й закон сформулирован только для многочастичных термодинамических замкнутых систем. Однако применяя закон сохранения импульса к диссипативным системам необходимо учитывать одну тонкость, которая и позволяет снять ранее отмеченное противоречие и примирить 2-й закон и закон сохранения результирующего импульса. Эта тонкость является важным свойством диссипативных (термодинамических) систем. Под скоростью центра масс результирующего импульса (см. формулу (1)) нужно понимать не скорость центра масс всей замкнутой системы, которой передан импульс, а скорость центра масс частиц вовлечённых в результате не центрального соударения в перенос первоначального импульса (который относился к первоначальному шару). Это открытая система, активно взаимодействующая с остальной несоизмеримо большей частью всей замкнутой системы и вовлекающая в первоначальный импульс всё большее число молекул через не центральное соударение. Учитывая число частиц реальных термодинамических систем (достаточно вспомнить порядок числа Лошмидта), понятно что в доли времени и на минимальных расстояниях первоначальная масса частиц из которых складывался импульс возрастает в миллиарды и миллиарды раз. Хотя будет составлять малую часть всей замкнутой системы. И далее я показываю, рассматривая механизм релаксации, что кооперативная кинетическая энергия связанная с этим импульсом убывает обратно пропорционально росту массы. Кооперативная энергия разносится взаимно уравновешенными импульсами (см. рис.-1) и направленная кооперативная кинетическая энергия переходит в тепловую форму с . Хотя первоначальный импульс остался постоянным по величине и направлению как вектор ( сложившись из огромного числа микро импульсов вовлеченных частиц), он вырождается как носитель кооперативной энергии, которая перешла к нуль вектору, складывающемуся из пар взаимно уравновешенных импульсов. Даже если будут сталкиваться одновременно три и более частиц (вероятность чего пренебрежимо мала), то и тогда импульсы, разносящие кооперативную энергию перпендикулярно первоначальному импульсу, в сумме должны дать нуль вектор. Иначе будет нарушен закон сохранения результирующего импульса. Так как скорость центра масс открытой системы стремится к нулю ( ), то я и утверждаю, что с продолжающимся лавинообразным нарастанием массы открытой системы с некоторого момента следующий миллиметр пути импульс не преодолеет никогда, а это значит что перенос кооперативной энергии прекратится. Оставаясь постоянным по величине и направлению как вектор, импульса не стало как энергетического носителя кооперативной энергии. Вот что я понимаю под вырождением результирующего импульса. Он остался постоянным по величине и направлению, но без энергии. Вся его первоначальная энергия перешла к нуль вектору хаоса. Именно это я имею в виду когда пишу . И если ещё учесть что кооперативная энергия не только уменьшается обратно пропорционально суммарной массе вовлеченных в первоначальный импульс частиц, но в процессе развития экспоненциально расширяется и площадь проходного сечения потока кооперативной энергии, то плотность потока энергии (вектор Умова-Пойтинга) убывает ещё быстрее и польза от этой кооперативной энергии с точки зрения совершения полезной работы против сил убывает быстрее убыли её величины. Это и есть механизм релаксации через диссипацию кооперативной энергии, через вырождение результирующего импульса при не центральном соударении.

Теперь рассмотрим другой пример рассеяния направленной кинетической энергии, исключающий соударение шаров (молекул) между собой. Пусть имеем адиабатную полость с отверстием. В отверстие полости влетает n шаров, причем скорости шаров строго параллельны (молекулярный пучок). После того как шары влетают в полость, отверстие за ними закрывается. Рассмотрим как будут развиваться события в этой замкнутой системе. Эта задача решается в теории бильярдов Синая. В начале результирующий импульс равен скалярной сумме всех импульсов шаров, т.к. импульсы шаров параллельны и вся кинетическая энергия переносима результирующим импульсом, находится в кооперативной форме. В следствие того что шары не зависимы друг от друга, то после соударения со стенкой они разлетаются в различных направлениях в зависимости от углов соударения каждого шара со стенкой, а так как стенка имеет кривизну, то углы различны. Строго говоря и здесь нужно вести речь не о кривизне, а о нецентральном соударении по причине корпускулярного строения стенки. Налетающая частица сталкивается со стенкой представляющей для этой частицы потенциальный барьер из суперпозиции силовых полей частиц стенки. Соударение происходит с какой-то отдельной частицей стенки по законам не центрального соударения как и в случае газа. Только частицу в стенке нужно принимать практически бесконечно большой массы, из-за её жестких связей с огромной совокупностью частиц стенки, с которыми она выступает как единое целое. После отражения от стенки результирующий импульс шаров уменьшается, т.к. скорости шаров уже не параллельны. И кинетическая энергия, переносимая результирующим импульсом, соответственно уменьшается. То есть и здесь вырождение импульса, диссипация кооперативной энергии вызывается не центральным соударением и большой массой. И если шаров в пучке много, то после серии столкновений со стенками результирующий импульс будет стремиться к нулю. Здесь стенка изменяет геометрию каждого отдельного импульса, в результате уменьшается результирующий и уменьшается кинетическая энергия общего переноса. Этим и определяется рассеяние кооперативной энергии в ситуации рассматриваемой в теории бильярдов Синая.

Всесилие механизма релаксации, приводящего систему к равновесию, заключается в том, что материя имеет корпускулярное строение, т.е. частицы имеют конечные размеры, а значит соударение нецентральное. Частиц же великое множество и затухание происходит очень быстро. Механизм диссипации направленной энергии через вырождение результирующего импульса имеет универсальный характер не зависимо от среды (газ, жидкость, твердое тело или их совокупность). Именно благодаря этому простому, но всесильному механизму обратимые законы механики в приложении к многомолекулярным системам, вырождаются в необратимые законы статистики. Ведь для обращения процесса релаксации назад необходимо, чтобы в один и тот же момент все частицы системы, вовлеченные так или иначе в процесс релаксации, да и не только они, столкнулись по закону центрального абсолютно-упругого удара с каким-то препятствием, чтобы отлететь с той же скоростью в строго обратном направлении. Это невозможно в принципе. Во - первых в реальности не возможен абсолютно-упругий удар. Во - вторых как в многомолекулярной системе вообще организовать внедрение этих очень массивных, теоретически с бесконечной массой, препятствий? Причём бесконечные массы перед каждой из частиц нужно внедрить мгновенно, в один момент времени, и при этом обеспечить строго центральное соударение, чтобы все частицы одновременно повернуть назад. Кто знает, как это сделать, учитывая порядок числа Лошмидта и то, что реальные частицы не шары? Сказанное и является основой необратимости процесса вырождения импульса в термодинамических макро системах. Релаксация и необратимость вытекают из обратимых законов механики при их действии в среде многомолекулярных систем. Обратим особое внимание на это свойство диссипативных сред, их способность качественно вырождать закон сохранения результирующего импульса и как следствие качественно изменять динамику, когда детерминизм динамики уступает место вероятности статистической механики. Это происходит в результате действия эффекта вырождения результирующего импульса, который является стержневым свойством много частичных (диссипативных) сред. Механизм вырождения результирующего импульса как носителя связанной с ним кооперативной кинетической энергии – самое главное в моей работе. Без этого механизма всё остальное не имеет логического базиса. Остается только удивляться что в так долго длившейся борьбе между двумя подходами к проблеме неравновесности, представителями которых были скажем А. Пуанкаре и Л. Больцман, ускользнул этот объединяющий обе точки зрения момент. Связано это видимо было с тем, что в термодинамике закон сохранения импульса как системный закон всегда был в тени. Его прослеживают только в молекулярно-кинетической теории при каждом акте соударения, не прослеживая его системный характер. Хотя как уже отмечалось выше Больцман в своём первом, механическом варианте H-теоремы был очень близок к решению задачи аналитического доказательства второго закона термодинамики и вывода равновесного состояния из законов динамики. Его ошибкой было принятие модели частиц как материальных точек, что приводило к центральному соударению при рассмотрении столкновений частиц. При центральном соударении рассеяния не происходит в принципе. Причина рассеяния в нецентральном соударении. Вызывают удивление многочисленные возражения механицистов против механического варианта H-теоремы Больцмана. Например возражение высказанное Лошмидтом и известное как “парадокс Лошмидта”. Лошмидт предложил при достижении системой равновесного состояния изменить направления всех молекул на прямо противоположные и тогда система вернётся в исходное неравновесное состояние. Странно, но вместо того, чтобы спросить, а как это сделать хотя бы теоретически, Больцман соглашается с возражением и отказывается от динамического обоснования второго закона.