Об одной малоизвестной системе обобщения классической термодинамики

УДК 536

А. Н. Верхозин

ОБ ОДНОЙ МАЛОИЗВЕСТНОЙ СИСТЕМЕ ОБОБЩЕНИЯ КЛАССИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Рассматриваются основные положения и следствия нелокальной термодинамики, представляющей собой обобщение классической, предложенное профессором В. П. Майковым в 1997 году. Обобщение это строится на введении кванта энтропии, равного постоянной Больцмана. Нелокальная термодинамика приводит к ряду парадоксальных выводов и объясняет ряд затруднений, в частности, проблему расходимостей в квантовой теории поля.

Ключевые слова: термодинамика, квантование, энтропия, постоянная Больцмана, расходимость, квантовая теория поля.

Система обобщения классической (равновесной) термодинамики, о которой пойдёт речь, — нелокальная термодинамика (НЛТ) — была предложена профессором Московского государственного университета инженерной экологии В. П. Майковым в 1997 году [1]. НЛТ обобщает классическую термодинамику подобно тому, как квантовая механика обобщает классическую. Несмотря на то, что на эту тему защищено несколько кандидатских диссертаций, система Майкова остаётся малоизвестной даже специалистам-теплофизикам. Поэтому представляется актуальным кратко рассмотреть основные положения и выводы этой теории.

В основе НЛТ лежат три основных принципа (постулата).

1. Предполагается существование кванта энтропии, равного постоянной Больцмана, т. е. к трём фундаментальным физическим константам (постоянной тяготения у, постоянной Планка h и скорости света в вакууме о) добавляется четвёртая — постоянная Больцмана k. «Введение дискретной энтропии — решение не менее радикальное, чем шаг, сделанный физикой сто лет назад, когда появление постоянной Планка позволило открыть для науки квантовую механику», — считает В. П. Майков.

2. Вместо математически бесконечно малых величин рассматриваются физически бесконечно малые величины, т. е. не используется понятие «точка», вместо точки рассматривается малый термодинамический объём.

3. Используется исключительно феноменологический способ описания, принятый в классической термодинамике (отказ от построения детальных механических моделей).

Каковы были предпосылки создания НЛТ? Майков рассказывает об этом так. «В то время я заинтересовался одной общефизической задачей, близкой к термодинамической. Речь шла о проблеме времени релаксации системы к равновесию, которое теоретически всегда неограниченно большое. Если этот результат перевести с языка математики на обычный язык, то оказывается, что наиболее вероятное равновесное состояние реально недостижимо. Со временем я пришёл к выводу, что для устранения этого парадокса необходимо введение в физику новой гипотезы о дискретности энтропии с квантом равным постоянной Больцмана»

224

[2]. При обосновании классической термодинамики по Клаузиусу считается, что в малом, но всё-таки макроскопическом объёме материальной среды осуществляется элементарный термодинамический цикл, с двумя изотермами и двумя адиабатами. Математика же рассматривает формально бесконечно малый объём. Это противоречие также можно разрешить введением гипотезы о квантованности энтропии.

В таком случае ^ можно рассматривать как характерную термодинамическую энергию AE = ^ (ср. с формулой Планка: ДЕ = ку). Записывая соотношения неопределённостей, можно получить макроскопический квант времени

Д* = Ы4пкТ

— минимальный интервал, до которого ещё имеет физический смысл различение прошлого, настоящего и будущего. В интервале т < Д* отсутствуют причинно-следственные связи.

Полагая г = сД* (с — скорость света в вакууме), можно рассчитать характерный объём

V = (4/3) пг3 = с%ъ/48Л^, который Майков называет макроячейкой. Этот минимальный макроскопический или максимальный микроскопический объём является основным объектом исследования НЛТ. Нелокальность НЛТ связана с отказом от использования представления о бесконечно малой математической точке как о реальном физическом объекте.

Макроячейку можно рассматривать как подсистему. Полная термодинамическая система, включает макроячейку и её окружение (термостат). Полный объём такой системы ограничен горизонтом событий и определяется только температурой. Размеры системы могут быть огромны и намного превышать размеры наблюдаемой Вселенной.

Как видим, квант времени, радиус и объём макроячейки зависят только от абсолютной температуры. Например, для Т = 300 К имеем Д* = 10-14 с, г = 3,8 мкм, V = 2,33-10"16 м3.

Таким образом, в равновесную термодинамику вводится дискретное время! Кроме того, в равновесном состоянии системы при заданной температуре обе неопределённости (ДЕ и Д*) оказываются известны, вопреки принципу дополнительности Бора. Конечные объём макроячейки, энтропия, энергия, время и др. позволяют с помощью дифференциальных термодинамических соотношений перейти к другим физическим предельно малым параметрам.

Приведём для сравнения несколько характерных соотношений:

ДЕ = Ы — квант механической энергии;

AQ = ^ — макроквант тепловой энергии;

AS = k — макроквант энтропии;

Д* = Ы4пкТ — макроквант времени.

Процедуру вычисления предельно малых величин Майков называет макроквантованием .

В термодинамике Майкова не бывает расходимостей, а поэтому не нужны калибровочные поля и процедуры перенормировки. Напомним, что перенормировкой в квантовой теории поля называется процедура изменения параметров, входящих в

уравнения движения, для устранения бессмысленных расходящихся выражений, которые возникают при решения уравнений методом теории возмущений.

НЛТ предсказывает существование магнитных монополей (магнитных зарядов). Поэтому уравнение Максвелла div В = 0 отменяется. Вместо этого уравнения появляется уравнение div В = ц0 рт, где ц0 — магнитная постоянная, а рт — плотность связанных магнитных зарядов. Под магнитными зарядами понимаются ненаблюдаемые (виртуальные) магнитные векторные монополи. Другое уравнение Максвелла имеет вид: div Е = р^80. Значит, силовые характеристики электрического и магнитного поля входят в систему уравнений Максвелла симметричным образом.

Отношение двух фундаментальных зарядов имеет размерность скорости и в вакууме оказывается равно qm/q = с. Отсюда вытекает подлинный смысл константы c, как фундаментальной характеристики пространственно-временной метрики. Этим объясняется независимость скорости света от скорости движения источника.

НЛТ носит квантовый характер, но, в отличие от общепринятой боровской квантовой механики, описывает явления без участия наблюдателя. Аналогом процедуры измерения является взаимодействие макроячейки с окружающей средой.

При динамическом равновесии макроячейка обменивается со средой порциями (макроквантами) энергии ^. В среднем, в соответствии с первым началом термодинамики, энергия системы сохраняется. Если же учитывать релятивистский эффект, то окажется, что флуктуационная энергия ^, передаваемая макроячейкой в окружающую среду, обратно в эту ячейку передаётся лишь частично. Часть энергии отдаётся окружающей среде. Это приводит к самопроизвольному понижение температуры системы и уменьшение её энтропии. Таким образом, наряду со вторым началом термодинамики, предсказывающим рассеивание энергии и рост энтропии, в природе возможны процессы самоорганизации, сопровождающиеся концентрацией энергии и убыванием энтропии. Эффекты эти исчезающе малы. Скорость самопроизвольного понижения температуры системы не превышает одной миллионной доли градуса за тысячу лет. Вечный двигатель второго рода оказывается практически неосуществим, но это связано не с исключительно малой вероятностью процессов понижения энтропии, как это утверждает классическая термодинамика, а с их исключительно малой скоростью.

Процесс понижения температуры и возрастания объёма физического вакуума и расширения макроячейки приводит к явлению, эквивалентному антигравитации.

НЛТ называют также квантово-релятивистской термодинамикой.

На базе НЛТ создаётся новая область физики — термодинамическая космология, решающая и объясняющая такие проблемы, как сингулярность, феномен Большого взрыва, чёрные дыры, скрытая масса, гравитационное излучение и т. д. В космологии, например, существует проблема «начала» Метагалактики. Стандартной модель утверждает, что около 15 млрд. лет назад Космос был сжат в невообразимо малом объёме и очень горяч. Произошёл так называемый Большой взрыв, и с тех пор Метагалактика непрерывно расширяется. Косвенным подтверждением этого считается: 1) красное смещение в спектрах далёких галактик; 2) большое количество дейтерия в Космосе; 3) реликтовое излучение (низкотемпературные фотоны с температурой около 3 К), заполняющее всю Вселенную.

Сингулярность — это состояние с бесконечно большой плотностью в момент * = 0. Здесь, как и в квантовой теории поля, возникает проблема бесконечностей. В НЛТ эта проблема решается так: поскольку бесконечно малых точек в природе не существует, то и бесконечно малой точки — сингулярости с нулевым объёмом — никогда не могло быть. Была лишь некая макроячейка, имеющая конечные размеры. Можно считать, что математическая сингулярность заменяется физической, наступающей при планковских масштабах.

Некоторые методологические и философские вопросы, связанные с НЛТ, а также приложение НЛТ к теории тяготения и космологии, рассмотрены в оригинальных работах Майкова [3-6], к которым мы и отсылаем заинтересованного читателя.

Сформулируем основные следствия НЛТ.

1. Энтропия квантуется, квант энтропии равен постоянной Больцмана.

2. В НЛТ отсутствует физическое понятие материальной точки, а также бесконечно малые и бесконечно большие величины, решается проблема расходимо-стей в теории поля и отпадает необходимость в перенормировке.

3. Вместо материальной точки вводится характерный термодинамический объём — макроячейка, объём которой зависит только от температуры.

4. Процедура измерения сводится к взаимодействию макроячейки с макросистемой, т. е. с окружением. Наблюдатель в процессе измерения не играет активной роли.

5. Квантование в НЛТ заменяется макроквантованием.

6. Термодинамике придаётся макроквантовый характер.

7. В равновесной НЛТ появляется дискретное время (напомним, что в классической равновесной термодинамике времени нет).

8. При температуре Т = 0 вопреки третьему началу термодинамики энтропия

5 ф 0.

Конечно, не все выводы НЛТ одинаково убедительны, а многие требуют более глубокого осмысления. Отметим, например, один странный результат квантования энтропии по Майкову. Если подставить «квант энтропии» k в известную формулу Больцмана 5 = k 1пЖ , то получается, что минимальному значению энтропии (5 = к) соответствует дробный статистический вес (дробная термодинамическая вероятность) Ж = 2,71... .

Идея квантования энтропии (и связанной с ней информации) представляется весьма продуктивной не только в термодинамике, но и в информатике. Дело осложняется тем, что хотя взаимосвязь термодинамической энтропии Клаузиуса и статистической энтропии Больцмана общеизвестна, взаимосвязь информационной и термодинамической энтропии оказывается не такой очевидной.

Противники взаимосвязи энтропии Клаузиуса и информационной энтропии, в свою очередь, утверждают, что «термодинамическая энтропия и информационная энтропия — это разные величины. Это видно хотя бы из того, что информационная энтропия не является термодинамическим параметром» [9]. С таким утверждением трудно согласиться, поскольку считать или не считать энтропию параметром состояния, — зависит от её определения. Параметр состояния — не обязатель-

но термодинамический параметр! Согласно второму началу термодинамики, замкнутая (изолированная) система, т. е. система в отсутствие вещественного, энергетического и информационного обмена с внешней средой, стремится к устойчивому равновесному состоянию с максимальной термодинамической энтропией. Легко показать, что в этом случае информационная энтропия также будет максимальна. Это значит, что в отсутствие информационного обмена система самопроизвольно «забывает» всю накопленную ранее информацию и переходит в состояние, эквивалентное состоянию системы с максимальной энтропией.

Сторонники такой взаимосвязи считают, что энтропия Больцмана и информационная энтропия эквивалентны или даже тождественны друг другу. Такой точки зрения придерживался, например, знаменитый французский физик Л. Бриллюен [7, 8]. В качестве аргумента «за» он указывает на то, что в формуле информационной энтропии присутствует логарифм и коэффициент пропорциональности K, зависящий от выбора системы единиц. В самом деле, по Шеннону энтропия рассчитывается по формуле:

N

H = -K£ p, log2 p,,

i=1

где p, — вероятность i-го события, а N — число случайных событий, K — коэффициент пропорциональности. Если все события равновероятны, то формула Шеннона переходит в известную формулу Хартли:

H = Klog2N.

Если в формуле (2) взять в качестве K постоянную Больцмана, то можно формально перейти от информационной энтропии к энтропии статистической и термодинамической. В таком случае подход Майкова означает новое слово не только в термодинамике, но и в информатике, следствия которого ещё предстоит изучить.

Таким образом, нелокальная термодинамика, предложенная профессором В. П. Майковым, представляет собой обобщение классической. Обобщение это строится на введении кванта энтропии, равного постоянной Больцмана. Нелокальная термодинамика приводит к ряду парадоксальных выводов и объясняет ряд затруднений, в частности, проблему расходимостей в квантовой теории поля.

Литература

1. Майков В. П. Расширенная версия классической термодинамики — физика дискретного пространства-времени. М.: МГУИЭ 1997. 160 с. [Электронный ресурс]: URL: сЫ1р://%'%глг.та1к№.Ла1ги/ book/bookr.htm

2. Майков В. П. Мотивы изучения времени. Материалы российского междисциплинарного семинара по темпорологии. [Электронный ресурс]: URL: http://www.chronos.msu.ru/seminar/motivy/ maykov_motivy.html

3. Майков В. П. Методология физики с неньютоновым временем. Философия физики: актуальные проблемы; О доказательстве единственности пространственно-временной метрики термодинамического происхождения (тезисы) // Материалы научной конференции (МГУ, ОИЯИ) 17-18 июня 2010 года. М.: ЛЕНАНД, 2010. С. 95-99. [Электронный ресурс]: URL: http://www.maikov. chat.ru/methodology.htm

4. Майков В. П. Квантовая гравитация в суперсимметричной физике без калибровочных полей и расходимостей; «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах» //

Материалы XIII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы, 18 мая 2009 г. Санкт-Петербург. Т. 1. СПб.: Изд-во политехи. ун-та, 2009. С. 103. [Электронный ресурс]: URL: http://www.maikov.chat.ru/methodology.htm

5. Майков В. П. К проблеме «глобальная энергия». Нелокальная термодинамика // «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах», Материалы XII Всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы, 14 мая 2008 г., С.-Петербург. СПб.: Изд-во политехн. ун-та, 2008. С. 100. [Электронный ресурс]: URL: http://www.maikov.chat.ru/ methodology.htm

6. Майков В. П. Квантово-релятивистская термодинамическая космология. Философия физики: актуальные проблемы. Материалы научной конференции (МГУ, ОИЯИ) 17-18 июня 2010 года. М.: ЛЕ-НАНД, 2010. С. 228-232. [Электронный ресурс]: URL: http://www.maikov.chat.ru/methodology.htm

7. Бриллюэн Л. Наука и теория информации. М.: Физматгиз, 1960. 391 с.

8. Волькенштейн М. Б. Энтропия и информация. М.: Наука,1986. 193 с.

9. Базаров И. П. Заблуждения и ошибки в термодинамике. М.: Изд-во МГУ,1993. 54 с.

Об авторе

Верхозин Анатолий Николаевич — доктор физико-математических наук,

профессор, заведующий кафедрой общей физики, факультет информатики, Псковский государственный университет, Россия.

E-mail: verkhozin60@yandex.ru

A. N. Verkhozin

ON A LITTLE-KNOWN SYSTEM OF GENERALIZED CLASSICAL

THERMODYNAMICS

Fundamentals and corollary of nonlocal thermodynamics, which is a generalization of the classical proposed by Professor V. P. Maikov in 1997, is discussed. This generalization is based on the introduction of the quantum entropy equal to the Boltzmann constant. Nonlocal thermodynamics leads to a number of paradoxical findings and explains a number of difficulties, in particular the problem of divergences in quantum field theory.

Key words: thermodynamics, quantization, entropy, the Boltzmann constant, the divergence, quantum field theory.

About the author

Verkhozin Anatoly Nikolaevich, Doctor of Physico-mathematical Sciences, Professor, Head of the Department of General physics, Faculty of Computer Science, Pskov State University, Russia.

E-mail: verkhozin60@yandex.ru