Страница 7 из 13
К середине XIX в. промышленная революция шла полным ходом, и на многочисленных фабриках и заводах паровая машина давно уже стала рабочей лошадкой и главной движущей силой производства. Тем не менее даже с учетом критически важного рывка с переходом от ручного труда к механическому, эффективность паровой машины – полезная работа в сравнении с количеством потребленного топлива – оставалась мизерной. Примерно 95 % тепла, выработанного горящим деревом или углем, пропадало впустую, уходило в окружающую среду. Это подтолкнуло некоторых ученых глубоко задуматься над физическими принципами, управляющими работой паровой машины, и поискать способы сжигать меньше, а получать больше. Несколько десятков лет исследований привели в конечном итоге к каноническому результату, получившему заслуженную известность: ко второму началу термодинамики.
В весьма и весьма упрощенном изложении закон этот гласит, что производство отходов неизбежно. Несмотря на то что катализатором исследований послужила паровая машина, второе начало термодинамики имеет универсальное применение, что делает его жизненно важным. Второе начало описывает фундаментальную характеристику, изначально присущую любой материи и энергии, независимо от структуры и формы, одушевленности или неодушевленности, а именно утверждается (опять же, в примерном изложении), что все во Вселенной имеет ошеломляющую тенденцию разрушаться, деградировать, увядать.
Даже по такой простой формулировке можно понять, из чего исходил Рассел. В будущем, судя по всему, нас ждет непрерывное разрушение, неумолимое превращение производительной энергии в бесполезное тепло, постоянная утечка энергии – если можно так сказать – из батареек, питающих реальность. Но более точное осмысление науки позволяет понять, что подобная формулировка перспектив заслоняет собой насыщенный и полный нюансов процесс развития, который начался с Большого взрыва и будет протекать еще долго в будущем. Этот процесс помогает объяснить наше место на космической шкале времени, понять, как на фоне деградации и распада могут возникать красота и порядок; он же предлагает потенциальные способы, хотя и весьма экзотичные, обойти тот грустный конец, что видел перед собой Рассел. А поскольку именно эта наука, рассматривающая такие концепции, как энтропия, информация и энергия, будет вести нас вперед бóльшую часть маршрута, имеет смысл потратить немного времени, чтобы лучше ее понять.
Паровая машина
Конечно, мне не придет в голову предположить, что смысл жизни прячется где-то в жарких глубинах шумной паровой машины. Но понимание способности паровой машины впитывать в себя жар горящего топлива и использовать его для приведения в циклическое движение колес локомотива или лопаток шахтного насоса оказывается необходимым для понимания того, как энергия – любого сорта и в любых обстоятельствах – эволюционирует во времени. А то, как эволюционирует энергия, оказывает глубокое влияние на будущее материи, разума и любых структур во Вселенной. Так что давайте спустимся с горних высот жизни и смерти, цели и смысла к непрестанному грохоту и пыхтению паровой машины XVIII в.
Научная основа паровой машины проста, но оригинальна: испаренная вода (пар) расширяется при нагревании и тем самым порождает давление. Паровая машина задействует этот эффект. Она нагревает емкость, наполненную паром и закрытую сверху плотно прилегающим поршнем, который может свободно скользить вверх и вниз по ее внутренней поверхности. Когда нагретый пар расширяется, он с силой выталкивает поршень, и направленное вовне усилие может быть использовано для вращения колеса, привода мельницы или ткацкого станка. Затем пар, растративший энергию на это усилие, остывает и поршень соскальзывает вниз в начальное положение, где и остается в готовности снова быть вытолкнутым вверх, когда пар вновь нагреется; этот цикл будет повторяться до тех пор, пока горит топливо, нагревающее емкость с паром[19].
История фиксирует ключевую роль, которую паровая машина сыграла в промышленной революции, однако вопросы, которые она поставила перед фундаментальной наукой, имели не меньшее значение. Можем ли мы разобраться в паровой машине с математической точностью? Существует ли предел эффективности, с которой она способна преобразовывать тепло в полезное действие? Имеются ли в базовых процессах, протекающих в паровой машине, аспекты, не зависящие от деталей механической конструкции и используемых материалов и относящиеся, таким образом, к универсальным физическим принципам?
Ломая голову над этими вопросами, французский физик и военный инженер Сади Карно положил начало новому направлению науки – термодинамике, изучающей теплоту, энергию и работу. По продажам трактата Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу»[20] издания 1824 г., впрочем, об этом никак невозможно было догадаться. И хотя идеи Карно были восприняты далеко не сразу, на протяжении следующего столетия им суждено было вдохновить ученых на создание принципиально нового взгляда на физику.
Статистический взгляд
Традиционный научный взгляд, сформулированный в математическом виде Исааком Ньютоном, состоит в том, что физические законы выдают точные и недвусмысленные предсказания касательно движения вещей. Назовите мне пространственное положение и скорость объекта в конкретный момент, перечислите действующие на него силы – а остальное сделают Ньютоновы уравнения, предсказывающие траекторию объекта в дальнейшем. Будь то Луна, удерживаемая тяготением Земли, или бейсбольный мяч, который вы только что отправили в полет, предсказания эти, что подтверждается наблюдениями, совершенно точны и сходятся точка в точку.
Но в этом-то все и дело. Если взять школьную физику, то в ней – как вы, возможно, вспомните – при анализе траекторий макроскопических объектов мы обычно, даже не оговаривая этого, принимаем огромное множество упрощений. Для Луны и бейсбольного мяча мы забываем об их внутреннем строении и считаем, что то и другое представляет собой точечную массивную частицу. Это довольно грубое приближение. Даже крупинка соли содержит в себе около миллиарда миллиардов молекул, а ведь это всего лишь крупинка соли. Тем не менее когда Луна обращается по орбите вокруг Земли, нам, как правило, нет дела до беспорядочного движения той или иной молекулы, обитающей в пыльном Море Спокойствия. Когда бейсбольный мяч несется к цели, нам нет дела до колебаний той или иной молекулы в его пробковой сердцевине. Нас интересует только общее движение Луны или мяча. А для этого достаточно применить законы Ньютона к этим упрощенным моделям – и дело в шляпе[21].
Эти успехи лишь подчеркивают проблему, с которой столкнулись физики XIX в., занимавшиеся паровыми машинами. Горячий пар, выталкивающий поршень двигателя, состоит из громадного количества молекул воды, там может быть триллион триллионов частиц. Мы не можем игнорировать эту внутреннюю структуру, как при анализе движения Луны или бейсбольного мяча. Именно движение этих частиц – то, как они сталкиваются с поверхностью поршня, отскакивают от нее, сталкиваются со стенками цилиндра и вновь потоком устремляются к поршню, – лежит в основе работы двигателя. Проблема в том, что никто и нигде, каким бы гениальным он ни был и какие бы мощные компьютеры ни использовал, ни при каких обстоятельствах не сможет рассчитать все индивидуальные траектории, по которым движется такое громадное множество молекул воды.
Что же, тупик?
Можно счесть и так. Но оказывается, нас может спасти смена точки зрения. Большие совокупности иногда открывают возможности для значительных упрощений. Наверняка сложно и даже невозможно точно предсказать, когда вы в следующий раз чихнете. Однако если расширить наш взгляд до более крупного множества всех людей на Земле, то мы сможем предсказать, что в следующую секунду во всем мире раздастся приблизительно 80 000 чиханий[22]. Суть в том, что при переходе на статистический взгляд численность населения Земли становится ключом – а не препятствием – для прогностической силы. Большие группы часто демонстрируют статистические закономерности, отсутствующие на уровне отдельных объектов.
19
Разумеется, это очень упрощенное описание паровой машины, построенной на основе так называемого цикла Карно, содержащего четыре этапа: (1) пар в емкости поглощает тепло от источника (описываемого обычно как тепловой резервуар) и толкает поршень, производя работу при постоянной температуре; (2) емкость отключается от источника тепла, и пар продолжает толкать поршень, производя теперь работу с одновременным падением температуры пара (но его энтропия при этом постоянна, ведь теплопередачи нет); (3) затем емкость подключается ко второму тепловому резервуару, температура которого ниже, чем температура первого, и при этой более низкой постоянной температуре производится работа по возвращению поршня в первоначальную позицию, в процессе излишнее тепло сбрасывается; (4) наконец, емкость отсоединяется от холодного резервуара, над поршнем продолжает выполняться работа; поршень возвращается в первоначальное положение, а температура пара при этом вновь поднимается до первоначального уровня. После этого цикл начинается с начала. В реальной паровой машине – в отличие от теоретической, которую мы анализируем математически, – эти этапы (или сравнимые с ними) реализуются разными способами, диктуемыми инженерными и практическими соображениями.
20
Карно С. Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу. – М.: Государственное издательство, 1923.
21
Представление бейсбольного мяча в виде единичной массивной частицы без внутренней структуры – грубая аппроксимация этого самого мяча. Однако применение Ньютоновых законов к этой приближенной модели мяча дает точное классическое движение центра масс мяча. Для движения центра масс третий закон Ньютона гарантирует, что все внутренние силы уравновешивают друг друга, поэтому движение центра масс зависит исключительно от приложенных к мячу внешних сил.
22
В исследовании под заголовком «Как часто чихают и сморкаются нормальные люди?» (B. Hansen, N. Mygind, "How often do normal persons sneeze and blow the nose?" Rhinology 40, no. 1 [Mar. 2002]: 10–12) утверждается, что в среднем люди чихают примерно раз в сутки. Поскольку людей на Земле около 7 млрд, это дает нам 7 млрд чиханий в сутки на весь мир. В сутках 86 400 секунд, поэтому получаем около 80 000 чиханий в секунду в мире.