Детерминированное и стохастическое движения. Ограничение воздействия на макроуровне как фундаментальный закон природы

Возникает вопрос, какие же новые качества приобретают макросистемы при приближении к тепловому равновесию. В классической стратегии познания все частицы макросистемы совершают строго детерминированное движение по своим траекториям и понятие теплового равновесия отсутствует. Такому детерминированному движению обычно принято противопоставлять хаотическое движение.

Часто хаотичность движения возникает вследствие неточности задания начальных данных или условий контролируемого внешнего воздействия, при этом никакого теплового равновесия не возникает. Наблюдаемые на опыте характерные особенности теплового равновесия довольно трудно сочетать с законами классической физики. В них отсутствует объективный критерий, позволяющий отличить детерминированное движение микрочастиц, входящих в макросистему, от истинно хаотического движения, ведущего к тепловому равновесию. Чтобы подчеркнуть, что в природе такое различие явно наблюдается, вводится специальный термин для обозначения теплового хаотического движения – стохастическое (т.е. случайное, нерегулярное, непредсказуемое) движение. Поскольку это различие универсально, оно должно быть связано с каким-то общим свойством, присущим макромиру в целом, а не со свойствами конкретных макрообъектов или их взаимодействий, а именно степень неупорядоченности макросистемы

Такой мерой неупорядоченности, следуя Л. Больцману, принято считать физическую величину, называемую энтропией. Энтропия макросистемы, находящейся в определенном макросостоянии определяется логарифмом числа ее микросостояний , где W – число микросостояний, а k_Б- постоянная Больцмана. В равновесной макросистеме энтропия принимает максимальное значение. Если все частицы движутся детерминировано, то макросистеме соответствует единственное микросостояние, так что ее энтропия равна нулю. Минимальное изменение энтропии (степени неупорядоченности) в макросистеме равно DS = k_Бln2 или просто DS = k_Б, если энтропию выражать в единицах ln 2, как это принято в теории информации.

Таким образом, можно придти к выводу, что стохастическое движение макрообъекта можно отличить от детерминированного по наличию у него энтропии. Иначе говоря, природа устроена так, что в ней фиксировано минимальное изменение неупорядоченности макросистемы при тепловом воздействии.

Универсальной количественной характеристикой изменения неупорядоченности при тепловом воздействии служит постоянная Больцмана

Она характеризует приближение любого макрообъекта к тепловому равновесию и служит мерой минимального теплового воздействия на него. Универсальность постоянной Больцмана проявляется и в том, что через нее могут быть выражены любые физические характеристики, которые передаются от термостата к макрообъекту в процессе приближения к тепловому равновесию. Действительно, размерность постоянной Больцмана (или минимального изменения энтропии)

[k_Б] = (10.2).