Речь идёт о формах динамик в мире физики. Этот очередной опус можно было бы назвать и так: обратимость и необратимость. Порядок и беспорядок в мире физики как раз тесно связаны с обратимостью и необратимостью движений, процессов, явлений. Ранее мне приходилось касаться темы противоречивых отношений первого и второго начала термодинамики. Но в этом опусе хотелось бы затронуть тему порядка и беспорядка не только в связи с термодинамикой, но как общую для всей физики.
Да, говоря о термодинамике, проще всего употреблять понятия «порядок» и «беспорядок» (хаос). Может ли порядок стать беспорядком? Может, и даже легко. Это и происходит в основном в нашем вещественном мире. Может ли беспорядок стать порядком? Может, но очень нелегко, и лишь локально. Действительно, первый закон термодинамики утверждает о сохранении энергии в замкнутой системе вселенной. Второй закон термодинамики говорит о необратимом рассеянии энергии, росте энтропии, хаоса. Вроде бы, законы противоречат друг другу. На первый взгляд – да, противоречат. Но надо сознавать, что под понятием «энергия» скрывается не только термодинамическая энергия молекулярного и атомарного движения, а и другие виды энергии движения, включая ядерную энергию, энергию квантовых флуктуаций среды физического вакуума («дыхание вакуума» протона), энергию гравитационного вакуумного давления. Только в сумме все эти виды энергии движения дают картину сохранения энергии в замкнутой системе вселенной.
Ядерные структуры, атомные структуры, молекулярные структуры – это мир порядка, соорганизованности, относительно устойчивые энергетические системы. Когда эти системы разрушаются, распадаются, рвутся связи – выделяется термическая энергия, за счёт которой горит Солнце, сохраняется жизнь на Земле за счёт внутреннего тепла планеты. Ядерные частицы больше не могут здесь из беспорядка, хаоса соединиться в организованные системы атомных ядер, в прежний энергетический кластер. А вот у молекулярных структур такой шанс есть. Например, углерод и его соединения. Организованная, упорядоченная углеродная структура древесины сгорает, превращаясь в уголь, в углекислый газ и другие элементы. Но углекислый газ из атмосферы становится «пищей» для новых растений, для строительства новых упорядоченных углеродных структур клеток. Небольшая победа над энтропией, молекулярным беспорядком, хаосом!..
По-видимому, все обратимые процессы в природе имеют характер колебаний. Например, вращение планеты по эллиптической орбите вокруг Солнца. Именно по эллиптической, где есть подпитка энергией при ускоренном приближении к звезде. Или круговорот воды в природе. Правда, здесь есть такой момент: реки питаются не только водами дождей, но и болот, и родников. Но всё равно есть цикличность, периодичность. И здесь работают и тепло Солнца, и гравитация Земли. Или ещё: заряд-разряд аккумуляторов. В химической реакции идёт разделение зарядов, которые движутся в противоположные стороны. Когда все молекулы прореагируют, то разделение и движение зарядов прекратится. Но если с источника постоянного тока подать заряды на клеммы аккумулятора, то химическая реакция станет обратимой, восстановятся формы прежних молекул и атомов.
Порядок и обратимость в мире физики там, где работают законы, где соблюдаются установленные природой правила. Это лучше всего показывают три закона Кеплера для движения планет Солнечной системы. Любое периодическое колебание также описывается уравнением, куда входят все характеристики и элементы колебательной системы. Порядок устойчивой динамической системы атомного ядра обеспечен своим законом периодичности, где каждая частица ядра в каждый момент времени имеет своё значение углового орбитального момента по отношению к соседним частицам. Что в сумме даёт целочисленное значение волн. И соединение различных атомов в устойчивую молекулу тоже обусловлено этим же правилом целочисленности волн, в итоге чего движения всех частиц упорядочены и согласованны по фазам их орбитальных моментов.
Подавляющее большинство всех химических элементов Периодической системы Д. И. Менделеева находятся в природе виде простых или сложных соединений (кроме группы инертных газов). Химических элементов в природе в чистом виде не так много, например, золото, серебро, платина, углерод в виде алмазов и графита, сера и некоторые другие. Это, что называется, минералы. Но когда же на Земле появилась органическая жизнь в виде сложных соединений углерода, то молекулярное богатство планеты возросло многократно! В ходе эволюции вещества в недрах и на поверхности Земли углеродные соединения превращались в новые формы углеводородов (горючие газы, нефть). Появление и рост растений на Земле обеспечили такие условия, как атмосфера планеты, вода и энергия Солнца. Именно энергия Солнца превращается в «концентрат» энергии углеводородов, которые, сгорая, отдают запасённую энергию. Да, часть этой энергии рассеивается безвозвратно, но это рассеяние энергии отнюдь не нарушает закон сохранения энергии в замкнутой системе вселенной. В молекулярный беспорядок движения, в хаос превращается то, во что раньше была вложена энергия Солнца и внутреннего тепла Земли. Так что это в некотором роде возвращение кредита. Как было сказано, часть продуктов сгорания (окисления) со временем вновь становится углеродной тканью клеток растений и животных. Затраты энергии тут не так велики.
Соорганизация протонов и нейтронов в упорядоченные системы атомных ядер требует значительно бОльших энергий. Где и как происходит эта соорганизация нуклонов в атомные ядра – вопрос до конца не решенный. Современная наука стоит за термоядерную природу синтеза ядер в недрах звёзд. Но есть основания полагать, что соорганизация нуклонов в упорядоченные системы ядер происходит иначе, в другом месте и в других условиях. Эта тема мной ранее здесь, на Дзене, обговаривалась, так что останавливаться не буду. Важно то, что ядро атома есть такой же «концентрат» энергии, как углеводороды, но с величинами энергии много бОльшими. Распад и деление многонуклонных атомных ядер являются основными источниками термической энергии во вселенной. Звезды, расточая в пространство космоса потоки частиц, свет и тепло, лишь отдают энергию, полученную ранее, при формировании ядерных систем.
Сама частица протон, как устойчивая колебательная динамика среды физического вакуума (дыхание вакуума), – пример упорядоченности и обратимости движения. И тоже «концентрат» энергии движения, расход которой чрезвычайно мал и кратен постоянной Планка. Именно энергия собственных колебаний протона, как возбуждения среды, является основой вообще всей энергетики вселенной. Трудно сейчас говорить – как и откуда взялись эти протонные осцилляции среды. Вероятно, тут можно делать предположения о вселенной, как о структурном, упорядоченном образовании, и об иерархии динамик в ней. Ранее я говорил о частице протон, как о симбиозе имплозии и эксплозии, взрывных сжатии и расширении, периодически сменяющих друг друга в колебательной динамике частицы протон. Но в физике с давних пор есть похожие по смыслу понятия – дивергенция и конвергенция, иначе, расхождение и схождение потоков чего-то. Эти понятие стали широко известны в науке с построением электромагнитной теории Максвелла.
Когда-то я уже пользовался таким сравнением: магнитное поле отличается от гравитационного, как военный парад от толпы людей на базарной площади. Магнитные и так называемые электрические явления отличаются упорядоченностью, организованностью, определённой направленностью вихревых динамик. Это вытекает из природы магнитного поля. Согласно уравнениям Максвелла, у магнитного поля нет источников и нет дивергенции. Подобные представления укоренились, и вошли во все учебники по физике электромагнетизма. Думаю, это не совсем верно. Источником магнитного поля являются сонаправленные кольцевые вращательные движения связанных зарядов атомов ферромагнетика. Это кольцевое движение зарядов создаёт вокруг тела вихревое магнитное поле. Дивергенция (расхождение) магнитного поля тут есть, но своей особой формы замкнутых линий поля, и оно убывает по закону обратных кубов, т. к. магнит – диполь. Так называемый электрический заряд создаётся свободными, не связанными зарядами. Но эти заряды тоже имеют момент вращения, спин, и тоже по природе – диполи, иначе говоря, перевернувшись на 180 градусов, могут стать зарядами с противоположным спином. Эти свободные заряды распределяются по поверхности более-менее равномерно, со своей плотностью. Если поверхность плоская – заряды образуют нечто вроде одного полюса постоянного магнита. Хотя дивергенция (расхождение) как у постоянного магнита, идёт вперёд и назад. Но у свободных зарядов на поверхности диэлектрика этого как бы не видно. И потому принято считать, что дивергенция электрического поля пропорциональна плотности зарядов. А у магнитного поля дивергенция равна нулю. Если свободные заряды распределены на сфере, то и расхождение (дивергенция) полей этих зарядов тоже имеет форму сферы. Но магнитная вихревая сущность полей от этого ничуть не меняется!..
Дивергенция, расхождение магнитного поля у постоянного магнита различается: у полюсов дивергенция иная, чем дивергенция с боковой части магнита. Вся сила магнитного поля идёт как раз с полюсов, здесь оси кольцевых вращений зарядов образуют единую упорядоченную динамическую вихревую систему. Дивергенция, расхождение магнитного поля тут максимальны. Это те силовые трубки магнитного поля, о которых говорил когда-то Майкл Фарадей. Тогда как с боковой части магнита той силы магнитного поля и напора дивергенции уже нет, т. к. сонаправленные оси кольцевых вращений зарядов здесь уже не играют такой роли. Постоянный магнит – диполь, и потому его вращение, где полюса периодически меняются местами, будет вызывать в среде физического вакуума возбуждение так называемой электромагнитной волны. Хотя на самом деле – это переменная магнитная волна, где правый вихрь закрутки периодически меняется левым винтом закрутки. И заряды, и частица протон в своём кольцевом вращении, и ионизированные атомы, и полярные молекулы – это тоже диполи, и потому при своём вращательном поступательном движении они неизбежно тоже возбуждают электромагнитные (переменные магнитные) волны. Вообще, успех в использовании магнитных и электромагнитных явлений в нашей жизни обеспечен этим самым порядком и организованностью динамик, в основе которой лежит лишь кольцевое движение зарядов и сонаправленная их ориентация.
А вот природа гравитационного поля совсем иная, здесь как бы царствует беспорядок, хаос. Но и тут есть важный момент, который превращает царство хаоса в организованную структуру. Гравитационное поле вокруг массивного тела создано суммой волновых полей всех протонов (нуклонов) тела без исключения. Протон, являясь колебательным возбуждение в среде физического вакуума, распространяет вокруг себя постоянное волновое поле. И именно эти поля протонов в среде вакуума, обладающей колоссальным давлением и плотностью, создают градиент, разность плотностей и давлений среды вокруг массивного тела, как бы упорядоченную структуру поля. Эта градиентная «яма» вокруг тела и есть гравитационное поле тела. Градиентная «яма» есть градиент плотности скоростей, хаотичных динамик среды физического вакуума. Это состояние вакуума рядом с массивным телом, пользуясь языком термодинамики, можно назвать «горячим» вакуумом. С удалением от массивного тела, вакуум «остывает», но плотность и давление его при этом пропорционально растут. «Холодный» вакуум с максимальной плотностью и давлением среды находится в межгалактическом пространстве и в войдах вселенной. Пробное тело, попав в этот градиент плотностей и давлений среды рядом с массивным телом, будет с ускорением выдавливаться в сторону поверхности массивного тела, туда, где плотность и давление среды минимальны. В центре же массивного тела градиент плотностей и давлений среды равен нулю, невесомость. Градиент плотностей и давлений гравитационного поля в термодинамике соответствует градиенту температур вокруг сильно нагретого тела, что есть и градиент скоростей молекулярного движения.
И в заключение. На Дзене попалась статья о законе сохранения энергии на примере подвешенной гири в поле гравитации. Но автору так и не удалось в простой и понятной форме раскрыть природу этого закона. А суть такова: если обрезать верёвку и дать гире возможность свободно упасть, то выделится ровно столько энергии, сколько было затрачено энергии на подъём гири, на удержание и подвеску гири; ни больше и не меньше! Баланс энергий равен нулю.