Термодинамика

Двумя важнейшими открытиями физики XIX века, практическую и космологическую значимость которых трудно переоценить, стали термодинамика и электромагнетизм. С наступлением промышленной революции появилась потребность в детальном изучении механизма работы тепловых двигателей и возникла новая наука термодинамика, описывающая результаты исследования тепловых явлений. Основанная исключительно на наблюдениях макроскопических механических систем, в которых происходит теплообмен и обмен работой, термодинамика эволюционировала в весьма сложную техническую науку, изучающую измеримые величины, такие как температура, давление и плотность.

Два основных постулата термодинамики — это ее первый и второй законы (или начала).

ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Изменение внутренней энергии системы равно разности теплоты этой системы и выполненной ею работы.

Первое начало термодинамики следует из закона сохранения энергии, который вывели в согласовании с принципами этой науки. Теплота рассматривалась как форма энергии, в то время как работу еще раньше определили как полезное приложение силы. Если вы прикладываете к телу силу, чтобы увеличить его скорость, работа, совершенная над телом, равняется увеличению его кинетической энергии (энергии движения). Бели на тело действует сила трения, замедляющая его движение, потеря кинетической энергии проявляется в теплоте трения.

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Энтропия замкнутой системы с течением времени должна либо оставаться неизменной, либо нарастать.

Второй закон изначально был сформулирован в контексте функционирования двигателей и холодильников, чтобы объяснить тот факт, что эффективность их работы не может быть абсолютной, несмотря на то что абсолютная эффективность не противоречит закону сохранения энергии. Иными словами, двигатель не может превратить 100% сообщаемой ему тепловой энергии в работу. В противном случае можно было бы построить вечный двигатель, получающий всю необходимую энергию из внешней среды. Аналогично холодильник или кондиционер не могут изменить температуру, не совершая работы. Иначе их не требовалось бы подключать к электрической розетке. В1865 году Рудольф Клаузиус (1822–1888) заново сформулировал эти законы в контексте абстрактной величины, называемой энтропией, которая является показателем неупорядоченности системы.

Влияние термодинамики на представления людей XIX века о мире было огромным, особенно того, что касается ее связи с богословскими вопросами. Многие философы и богословы тех времен обратились к первому и второму началам термодинамики, чтобы найти в них подтверждение гипотезы конечной, сотворенной Вселенной. К первому закону обращались, чтобы доказать, что внутренняя энергия Вселенной, состоящая из потенциальной энергии гравитационного притяжения и кинетической энергии (энергии движения), должна иметь источник, находящийся за пределами Вселенной.

На основании второго закона термодинамики доказывали, что Вселенная не может быть вечной, она должна иметь начало и, более того, в итоге должна умереть^{88}. Это явление получило название тепловой смерти Вселенной — состояния, при котором движение полностью прекратится и температура Вселенной снизится до минимально возможного уровня, то есть абсолютного нуля.

Термодинамический аргумент в пользу божественного творения, высказанный многими авторами, заключается в следующем: во-первых, если бы Вселенная существовала вечно, ее тепловая смерть, то есть состояние полной неупорядоченности, максимальной энтропии, уже наступило бы. Во-вторых, уровень энтропии Вселенной в прошлом был ниже и в какой-то момент должен был быть минимальным (нулевым), это и был момент рождения Вселенной. Это, утверждали они, свидетельствует не только о том, что Вселенная имела начало, но и о том, что она была сотворена сверхъестественным образом. Этот вывод следует из того факта, что Вселенная в то время находилась в состоянии полного беспорядка, хаоса, значит, существующий порядок должен был прийти извне.

Герман фон Гельмгольц, написавший в 1847 году исчерпывающий трактат о законе сохранения энергии, объяснил, каким, на его взгляд, будет конец Вселенной, в лекции, прочитанной им в Кенигсберге в 1854 году:

«Если физические процессы во Вселенной будут дальше неизменно идти своим чередом, вся сила [под силой подразумевается энергия] в конечном итоге обратится в форму тепла, а все тепло придет в состояние равновесия. Тогда исчезнет возможность всяких дальнейших изменений и наступит полная остановка всех естественных процессов… Иными словами, с этого момента Вселенная будет обречена пребывать в состоянии вечного покоя»^{89}.

В 1868 году Клаузиус дал определение тепловой смерти Вселенной с точки зрения энтропии: «Энтропия Вселенной стремится к максимуму», и в момент, когда его достигнет, «Вселенная застынет и умрет»^{90}.

Но не все были в этом убеждены. Выдающийся британский физик лорд Кельвин (Уильям Томсон) соглашался с гипотезой тепловой смерти. В 1862 году он написал: «Результатом всего этого [того, что он называл законом рассеяния энергии] неизбежно было бы состояние всеобщего покоя и смерти». Однако далее он подвергает сомнению этот вывод, говоря, что «наука побуждает нас скорее допускать бесконечное развитие через бесконечное пространство действия, ведущего к превращению потенциальной энергии в осязаемое движение, а оттуда в тепло, чем смотреть на природу как на один конечный механизм, бегущий, как часы, и останавливающийся навсегда»^{91}. Другими словами, закон рассеяния энергии не выполняется в условиях бесконечного пространства. Но у Кельвина не было убедительного аргумента в пользу бесконечности последнего.

Другие ученые, в частности шотландский инженер и физик Уильям Ранкин (1820–1872), один из основателей термодинамики (абсолютная температурная шкала, имеющая ту же цену деления, что и шкала Фаренгейта, называется шкалой Ранкина), искали способы избежать тепловой смерти Вселенной. Ранкин предполагал, что «лучистая теплота» может иметь свойства, позволяющие ей повторно фокусироваться, вместо того чтобы рассеиваться^{92}.

Что касается происхождения Вселенной, тогда считалось, что существует закон сохранения массы, следовательно, вещество, составляющее Вселенную, должно было откуда-то взяться. Джеймс Клерк Максвелл, великий ученый, создавший единую теорию электричества и магнетизма, о котором мы еще поговорим позже и который к тому же был христианином-евангелистом, в 1873 году высказал в своей речи общепринятое мнение по этому вопросу:

«Наука недостаточно компетентна, чтобы рассуждать о сотворении из ничего как таковом. Мы достигли крайнего предела своих мыслительных способностей, когда признали, что, поскольку материя не может быть вечной и самодостаточной, у нее должен был быть творец»^{93}.

По сути, научное знание XIX века, казалось, настаивало на том, что Вселенная была создана сверхъестественным образом некоторое время назад и в любом случае встретит свой конец спустя какое-то количество лет, когда все процессы в мире остановятся. Тому были довольно веские причины, основанные на самых прогрессивных научных достижениях тех лет. Но, как мы увидим в дальнейшем, ни одна из этих причин не выдерживает проверки современными научными данными.

Тем временем многие физики и научные философы, в частности Эрнст Мах (1838–1916), поддержали доктрину позитивизма, подразумевающую, что любые явления, не поддающиеся непосредственному наблюдению, относятся не к физике, а к метафизике и не поддаются эмпирическому исследованию. В лекции, прочитанной в 1872 году, Мах утверждал, что с позиции науки нельзя делать осмысленных заявлений о Вселенной в целом. Такие понятия, как энергия Вселенной или энтропия Вселенной, не имеют смысла, поскольку эти величины не поддаются измерению^{94}.

Иными словами, в отношении космологических последствий термодинамики соглашение достигнуто не было. Большинство астрономов вообще не обратили внимания на этот спор. Французский философ и историк Пьер Дюгем (1861–1916) выдвинул интересное предположение, впоследствии оказавшееся верным: даже если второй закон термодинамики требует, чтобы энтропия нарастала со временем, это не означает, что у этого процесса должен быть верхний или нижний предел^{95}.