Микро-, макро- и мегамиры. Макромир

– макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время – в секундах, минутах, часах, годах;

– микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10^-8 до 10^{-16 см, а время жизни - от бесконечности до 10-24}с;

– мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов - миллионами и миллиардами лет.

И хотя на всех этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны за счет основных физических взаимодействий.

При изучении основных закономерностей следует понять, что описание объектов макромира возможно только с использованием системного подхода. В макромире изменение механического состояния объекта (его координат и импульса) в пространстве и времениописывается классическими законами механики.Перемещение зарядов и образованных ими полей описывают уравнения электродинамики Максвелла.Классическая равновесная термодинамика описывает взаимодействие тел через изменение их энергии посредством передачи теплоты или совершения работы.

Подробнее следует остановиться на термодинамических законах. XIX в. ознаменовался открытием одного из самых великих принципов современной науки, приведшему к объединению самых различных явлений природы. Принцип этот гласит, что существует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Энергия – единая мера различных форм движения материи.

Следует отметить, что процесс установления закона сохранения и превращения энергии – это одновременный процесс формирования таких дисциплин в физике, как статистическая физика и термодинамика. В рамках термодинамики устанавливаются I и II начала (законы) термодинамики, вырабатываются понятия энергии, теплоты, работы, энтропии.

Уясните, что возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому – в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена). Первый закон термодинамики устанавливает эквивалентность этих двух способов передачи энергии, утверждая, что изменить внутреннюю энергию тела можно любым из этих способов. Всеми явлениями природы управляет I закон термодинамики – закон сохранения и превращения энергии: «Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую».

Для описания термодинамических процессов I закона тер­модинамики недостаточно, так как он не позволяет определить направление протекания процессов в природе. Характер протекания процессов в природе, их направленность фиксируется II началом термодинамики, согласно которому «в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении – в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим».

Р. Клаузиусом было установлено, что в обратимых процессах некоторая физическая величина, названная им энтропией S, сохраняется.
В случае изолированных систем введенное понятие энтропии позволяет отличать обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых (энтропия возрастает).

Благодаря работам Л. Больцмана это отличие было сведено с макроскопического уровня на микроскопический. Всякое макросостояние может быть осуществлено различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы. Число различных микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называется статистическим весом W, или термодинамической вероятностью макросостояния. Больцман первым увидел связь между энтропией и вероятностью и связал понятие энтропии S с натуральным лога­рифмом статистического веса S = к In W, где k – коэффициент пропорциональности, названный постоянной Больцмана.

Связав энтропию с вероятностью, Больцман показал, что второй закон термодинамики является следствием статистических законов поведения большой совокупности частиц. Точка зрения Больцмана означала, что необратимое возрастание энтропии в изолированной системе, которая не обменивается энер­гией с окружающей средой, следует рассматривать как проявление все увеличивающегося хаоса, постепенного забывания начальной асимметрии, ибо асимметрия приводит к уменьшению числа способов, которыми может быть осуществлено данное макросостояние, т. е. к уменьшению термодинамической вероятности W. Так что любая изолированная система самопроизвольно эволюционирует в направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопическое состояние с максимальной W, соответствующее состоянию хаоса и максимальной симметрии.

Следует уяснить, что для изолированной системы будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого. То есть возрастание энтропии определяет направление, «стрелу времени». Энтропия же возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Поэтому любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку.