ДИССИПАЦИЯ И СМЕРТЬ
Представления о механическом или, точнее говоря, механистическом устройстве Вселенной вовсе не сводились только к философии. Длительная промышленная революция, завершившаяся лишь в конце XIX века, поставила перед учеными ряд связанных с этим задач. Одной из этих задач посвятил свою жизнь великий французский ученый Николя-Леонард-Сади Карно (1796-1832), умерший совсем молодым (по-видимому, от холеры), искавший возможности получения максимального коэффициента полезного действия паровых двигателей.
Основная задача производства энергии почти не изменилась со времен Карно и заключается в том, что мы должны получать от машины теплоту и каким-то образом регулировать ее потоки. Рассмотрим в качестве простейшего примера газотурбинный двигатель, работающий на каменном угле. Теплота в таком двигателе производится при сгорании топлива и передается образующемуся газу, разогретая струя которого направляется на лопасти турбины и заставляет ее и связанные с ней электромагнитные контуры вращаться, в результате чего в цепи генерируется электрический ток. Паровой двигатель, ставший «рабочей лошадкой» промышленной революции, действовал именно по этому принципу, используя в качестве горячего газа водяной пар.
Но что, собственно, есть теплота? К концу XVIII века большинство крупных ученых стали считать теплоту некоторой физической средой, получившей название теплорода, перетекающей из более нагретых тел в холодные. В отличие от них американский ученый Бенджамин Томпсон (1753-1814), позднее получивший титул графа Румфорда, предложил рассматривать теплоту в качестве характеристики движения атомов при случайных столкновениях. При этом теплота не возникает из-за таких столкновений, т. е. ее не следует считать, например, следствием трения поверхности атомов, а связана непосредственно с самими столкновениями. Нагрев вещества означает, что составляющие его атомы начинают двигаться и сталкиваться более интенсивно, что происходит, например, при контакте с другим телом, где атомы уже двигаются с высокой скоростью[10]. С таким определением соглашался и Карно, который в 1824 году писал: «Теплота есть результат движения»4. Предлагаемая теория позволила вернуться к древнегреческому представлению об атомах на механистической основе.
Основная задача инженеров и техников сводится к тому, чтобы «уловить» возможно большую часть этого микроскопического движения и преобразовать его в другие формы движения, связанные с работой и движением железнодорожных вагонов, станков, насосов и т. п. Карно удалось понять механизм теплопередачи и связать его с потоком теплоты от нагретого тела к более холодному. Он разработал общую теорию, позволяющую даже точно рассчитать количество теплового потока, которое может быть преобразовано в полезную работу. Оказалось, что полное преобразование теплоты в работу невозможно, поскольку часть тепловой энергии всегда необратимо рассеивается, а максимально возможная степень преобразования зависит от разности температур между горячим «источником» и холодным «стоком» теплового потока. Развивая теорию, Карно предложил двигатель, в котором используется циклический процесс, получивший название цикла Карно, когда тепловой поток позволяет газу расширяться (при нагреве) и сжиматься (при охлаждении), двигая поршень в цилиндре тепловой машины. Анализ работы такого устройства стал ключевым моментом в создании обширной новой научной дисциплины, названной термодинамикой (буквально: «движение тепла»).
Известно, что очень многие не любят термодинамику (и теоретическую, и экспериментальную), считая ее довольно скучной и нудной наукой, хотя в действительности это одна из самых блестящих физических теорий. Стоит лишь вспомнить, что именно термодинамика не только позволила инженерам XIX столетия создать множество прекрасных и разнообразных двигателей, но и дала ученым возможность сформулировать фундаментальные утверждения относительно законов развития Вселенной в целом[11]. В сущности, термодинамика является наукой об изменениях, в отсутствие изменения она безгласна.
Подобно механике Ньютона термодинамика тоже основана на трех основных законах. Честно говоря, в смысле третьего закона термодинамики разбираются только профессиональные физики[12], но первые два закона стоит усвоить каждому человеку, пытающемуся понять основы современной науки. Первый закон чрезвычайно прост, и суть закона сохранения энергии: энергия никогда не возникает и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. Панели солнечных батарей лишь «поглощают» энергию света и преобразуют ее в электричество, точнее, лишь ее малую часть, так как большая часть, увы, при этом превращается в теплоту. В турбинах гидростанций энергия движения воды преобразуется в кинетическую энергию вращения лопастей турбины, а затем превращается в электрическую энергию. Так Вселенная сохраняет свою полную энергию. Особо хотелось бы подчеркнуть, что закон удалось строго сформулировать лишь после того, как движение атомов (кинетическая энергия) удалось отождествить с понятием теплоты.
Второй закон является более сложным и настолько интересным, что многие ученые еще спорят о его смысле и значении. В качестве доказательства его важности можно привести очень известную (хотя, возможно, и переоцененную) и несколько ворчливую цитату из знаменитой книги Чарльза П. Сноу Дее культуры:
Множество раз мне приходилось бывать в обществе людей, которые по нормам традиционной культуры считаются высокообразованными. Обычно они с большим пылом возмущаются литературной безграмотностью ученых. Как-то раз я не выдержал и спросил, кто из них может объяснить, что такое второй закон термодинамики. Ответом было молчание, означающее отказ.
А ведь задать этот вопрос ученому означает примерно то же самое, что спросить у писателя: «Читали ли вы Шекспира?»5
Существует много формулировок этого закона. Первую предложил еще в 1850 году немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888), который между строк отметил, что теплота всегда перетекает от нагретых тел к холодным. Такое определение кажется удручающе тривиальным, однако в действительности этим замечанием он отметил, что существует целый класс процессов, протекающих только в одну сторону, иными словами, необратимых. Образно говоря, тепловой поток всегда направлен в одну сторону, подобно тому как ручьи всегда текут только вниз, а не вверх по горному склону.
Простое и кажущееся безобидным утверждение Клаузиуса скрывает в себе основную тайну любого изменения и преобразования. Наличие в природе необратимых процессов сразу влечет за собой существование некой «стрелы времени», т. е. единственного направления, соответствующего этим процессам. Второй закон термодинамики как бы подтверждает наше интуитивное представление о том, что мы двигаемся по времени только вперед и не можем вернуться в прошлое.
Клаузиус не остановился на достигнутом, и позднее ему удалось сформулировать математическую теорию изменчивости, введя соответствующий необратимости параметр, названный им энтропией. Энтропия возникла в термодинамике в качестве очень абстрактной величины, хотя в действительности она является вполне измеримым параметром подобно теплоте, выделяющейся при химической реакции[13]. Очень упрощенно энтропию можно назвать мерой беспорядка в системе, а второй закон сводится к утверждению, что при любых самопроизвольных процессах (а к ним относится, например, перенос тепла от нагретых тел к холодным) энтропия возрастает.
В 1852 году Уильям Томсон (позднее получивший титул лорда Кельвина; 1824-1907) отметил, что в процессах преобразования энергии всегда наблюдается «общая тенденция к диссипации (рассеянию) механической энергии»6. Под этим он подразумевал, что часть энергии всегда «теряется» в виде тепла (или, иными словами, в виде энергии хаотического движения атомов). Читатель может вспомнить, что при работе турбин часть энергии всегда тратится на преодоление трения, приводящее к нагреванию подшипников. Превратить такое тепло в полезную[14], т.е. используемую, энергию очень сложно, и она обычно рассеивается в окружающем пространстве. В 1854 году немецкий физик Герман Гельмгольц (1821-1894) довел теорию необратимого рассеяния энергии до логического завершения. Он пришел к выводу, что рано или поздно вся Вселенная должна прийти к некоторому единому, усредненному «теплому» состоянию, в котором не останется никаких горячих и холодных тел, а следовательно, и никаких тепловых потоков. Это конечное состояние было названо им «тепловой смертью» Вселенной. Таким образом, рассуждая о паровых двигателях, физики неожиданно пришли к заключению о грядущей судьбе всего сущего.