Несмотря на свой успех, атомная теория строения вещества все же подвергалась нападкам со стороны множества влиятельных химиков и философов, в частности Эрнста Маха. Как упоминалось ранее, Мах был позитивистом и считал, что предметом научного исследования могут быть только объекты, доступные чувственному познанию. Он настаивал на том, что не верит в атомы, поскольку не в состоянии их увидеть. Мах придерживался этой позиции до самой смерти в 1916 году, хотя к этому моменту уже имелись неоспоримые косвенные доказательства существования атомов. В наши дни атомы можно увидеть своими глазами с помощью сканирующего туннельного микроскопа.
Дальнейшие доказательства атомарной природы вещества были найдены в серии лабораторных наблюдений, кульминацией которых стал эксперимент 1896 года, поставленный британским физиком Дж. Дж. Томсоном (1856–1940) и его коллегами. Этот эксперимент подтвердил, что лучи, испускаемые катодом в вакуумной трубке, состоят из заряженных частиц намного меньшей массы, чем ион водорода — самый легкий объект из известных на тот момент. Эти частицы были названы электронами, и вскоре выяснилось, что они являются носителями электрического тока. Поскольку они двигались в направлении, противоположном направлению тока, условно названного положительным, заряд электронов был определен как отрицательный. Сегодня электрон все еще считается одной из фундаментальных частиц вещества.
Нарушая второй закон
Вернемся ко второму закону термодинамики. В 1872 году Больцман вывел так называемую Н-теорему, в которой доказал, что большое скопление хаотически движущихся частиц будет стремиться к состоянию равновесия, в котором некоторая величина Н, обратно пропорциональная энтропии, достигает минимума. Таким образом, Больцман фактически доказал, что второй закон термодинамики выводится из законов статистической механики частиц.
Коллега и хороший друг Больцмана Йозеф Лошмидт (1821–1895) усмотрел в этом парадокс, который получил название проблемы необратимости: если множество молекул хаотически движутся, теоретически они могут случайно прийти в состояние меньшей энтропии, даже будучи частью замкнутой системы.
В 1890 году Анри Пуанкаре опубликовал теорему возвращения, которая утверждает, что динамическая система спустя достаточное количество времени возвращается в исходное состояние. Это напрямую противоречило теореме Больцмана и потому как будто опровергало второе начало термодинамики.
В 1867 году Максвелл высказал сходные опасения относительно второго закона в своем знаменитом мысленном эксперименте, в котором воображаемая сущность, названная другими демоном Максвелла, перенаправляет частицы таким образом, чтобы добиться снижения энтропии.
Но ни в демонах, ни в ангелах потребности нет. Как в конечном итоге понял Больцман, его Н-теорема, а следовательно, и второй закон представляют собой вероятностные утверждения, а не незыблемые принципы. В среднем закрытая система, состоящая из множества хаотически движущихся частиц, будет стремиться к состоянию максимальной энтропии, как доказал Больцман, однако статистические колебания могут случайно привести систему в состояние меньшей энтропии. На самом деле в системе, состоящей из небольшого числа частиц, такое будет происходить довольно часто.
В повседневной жизни мы регулярно сталкиваемся с явлениями, которые называют необратимыми. Проколите шину — и воздух из нее выйдет наружу. Вам не приходилось наблюдать, чтобы сдутая покрышка через прокол вновь наполнялась воздухом из окружающей среды. Осколки разбитого стакана не склеиваются обратно. Мертвые не возвращаются к жизни.
Однако посмотрите на эти процессы с точки зрения элементарных частиц. Молекулы воздуха, окружающего сдутую шину, движутся случайным образом. Предположим, что большое их число совершенно случайно направится в дыру в покрышке. В таком случае шина могла бы надуться снова!
Мы не наблюдаем этого не потому, что это невозможно, но потому, что крайне маловероятно, чтобы молекулы воздуха, триллионы за триллионами, направились в нужном направлении, чтобы заново накачать покрышку.
Но, предположим, у нас есть закрытый сосуд, внутри которого всего три частицы. Вне этого сосуда находится среда, состоящая из множества частиц того же типа. Откройте его, и три частицы вылетят наружу. Пока мы держим его открытым, вероятность того, что эти три частицы вернутся обратно в сосуд, очень велика.
Другими словами, второй закон термодинамики не незыблем. Он представляет собой просто вероятностное утверждение.