Текст книги "Саша, Саня, Шура (СИ)"
Автор книги: Дарья Волкова
сообщить о нарушении
Текущая страница: 23 (всего у книги 26 страниц)
Румфорд нашел один из них, измерив теплоемкость стружек, и установил, что она такого же порядка, как теплоемкость сплошного металла. Вывод мог быть один: твердая, цельная пушка предоставляла столько же места теплороду, как и разрозненные мелкие стружки!
Что могли возразить приверженцы теплорода?
Мода-временный закон
Они ничего возразить не могли, но тем не менее вера в теплород продолжала жить и после убедительных опытов Румфорда. Вера в тепловую жидкость продолжала жить и после виртуозных опытов Джоуля, ученого-любителя, которого загадка теплоты вырвала из привычного круга дел, и он, променяв пивоварню на научную лабораторию, поставил целью жизни доказать, что теплота – это форма энергии.
Джоуль был настолько поглощен загадкой теплоты, что даже во время медового месяца, который он проводил с молодой женой в Швейцарии, задумал провести серию экспериментов. Он обходил водопады, которых немало в этой стране, и измерял разность температур между верхним и нижним уровнем. Проводя дни у одного из водопадов высотой в 60 метров, он мучил себя вопросами: какова зависимость между высотой водопада, энергией падающей воды и повышением ее температуры внизу? Зависит ли это повышение от массы воды, почему даже в тихий день предсказанную разность температур дают не все водопады и почему некоторые типы водопадов вообще не создают разности температур?
Работам по теплоте Джоуль посвятил сорок лет. В честь его заслуг в этой области имя Джоуля присвоено единице энергии. Он достиг цели жизни – многое узнал о тайнах теплоты. Но пристрастие к теплороду уцелело и после опытов Джоуля и других многочисленных экспериментов Майера, Фавра, Хирна, Вебера, Зильбермана, Ленца… всех тех, кто перекачивал один вид энергии в другой – механическую в тепловую, тепловую в механическую, химическую в тепловую, или сначала в электрическую, а потом в тепловую, – иллюстрируя, что все эти виды энергии лишь разновидность одной, универсальной и неуничтожимой.
Мода хотя и временный, но закон. Он диктует свою волю целым поколениям. Так, на переломе XVIII–XIX веков в науке царила мода на невесомые. Таинственная, неуловимая материя – теплород, эфир, электрическая и магнитная жидкости – была у всех на устах. Ничто так не подогревает интерес, как таинственность, противоречивость, неопределенность. А в области невесомых таинственности и неопределенности было хоть отбавляй. Интерес подогревался постоянными столкновениями между теми, кто добывал новые факты, – экспериментаторами, и теми, кто истолковывал факты, – философами. Лесаж, Кант, Якоби – эти философы прославились своими умозрительными построениями, буквально умственными замками, построенными на фундаменте невесомых. Философы, физики, поэты спорили о тенях, правящих миром.
…18 сентября 1820 года. Ампер провел свой знаменитый эксперимент по взаимодействию проводников, обтекаемых электрическим током. Присутствующие на заседании Парижской академии наук были под большим впечатлением от непонятных движений электрического провода. История передает, что Лаплас, усомнившись в увиденном, придирчиво допрашивал ассистента, помогавшего при опыте:
– А не вы ли, молодой человек, подталкивали провод?
Но, как всегда, были и такие ученые, которые не хотели видеть в опытах Ампера ничего нового. Один из них сказал ему:
– Но что же, собственно, нового в том, что вы нам показали? Само собой ясно, что, если два тока оказывают действие на магнитную стрелку, они должны действовать и друг на друга.
Ампер не нашел, что ответить. Присутствовавший при этом Араго вынул из кармана два ключа и сказал:
– Каждый из них тоже действует на магнитную стрелку, однако же они не действуют друг на друга.
Опыт Ампера развенчал магнитную жидкость, которой объясняли магнитные явления, и с тех пор авторитет невесомых начал заметно падать. Закатилась звезда и тепловой жидкости. Зрело понимание того, что природа – материальна, что энергия – форма существования материи, что есть разные формы этой энергии и они способны переходить одна в другую по строгому закону сохранения.
…История, которая составила наш очерк, разумеется, не кончилась на этом этапе. Еще не была создана непротиворечивая теория теплоты, еще не была окончательно понята связь между градом открытий в области электричества, магнетизма, света, теплоты, которым так богат был тот этап развития науки.
Мы сделали лишь то, что делают телевизионные комментаторы, которые, желая обратить внимание зрителей на детали какого-то важного события во время спортивных состязаний, повторяют эпизод в замедленном темпе. Мы коснулись лишь событий, последовавших вслед за появлением статьи Марата – переломного момента в истории борьбы с невесомыми материями. Отстаивая теорию теплорода, Марат привлек к нему внимание столь мощных и разнообразных умов, что ускорил ее гибель, оказав тем самым науке огромную услугу. Мы попытались замедленно воспроизвести самый острый, начальный момент гибели теплорода, за которым, конечно же, последовало много замечательных событий. Но они за пределом нашей темы.
«Студенческий меридиан» № 12, 1976 г.
Обольщения
Авантюристические устремления могут сбить с пути, и порой сбивают с пути научные исследования. Но без них научный прогресс представляется почти невозможным.
Льоцци.
Истинное начало этой истории неизвестно, но скорее всего его можно связать со становлением древней астрономии. Повседневный опыт, накапливаемый веками, убеждал людей в очевидном факте – в вечном движении небесных тел. А отсюда вывод: если эти движения вечны, то должны существовать и вечные силы, поддерживающие движение. Мы, конечно, не знаем, кто первый задумался над тем, нельзя ли заставить вечные силы природы совершать даровую работу: тащить повозки, поднимать воду, молоть зерно. Первое письменное свидетельство о размышлениях и исследованиях этого рода оставил Пьетро Перегрино, физик из французского городка Марикура.
Задумав осаду итальянского города Лючеры, Карл Анжуйский призвал Перегрино в свои войска. Весельчак Пьетро скучал во время длительной осады и коротал досуг, высказывая разные соображения о природе вещей в письмах, которые адресовал пикардийскому дворянину Сигеру. Под последним письмом стоит дата – 8 августа 1269 года, и оно завершает цикл, образовавший трактат под названием «О магнитах».
В этом трактате, в числе прочего, содержалось описание вечно движущейся машины, которая, как мы сейчас формулируем существо дела, «будучи раз пущена в ход, совершала бы работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергии извне».
Трактат Перегрино и после смерти автора ходил по рукам. Он дал толчок такому количеству подражаний, был таким возбуждающим источником научного вдохновения, что заслужил право остаться навечно в летописи человеческой мечты.
История сохранила большое количество проектов вечных двигателей. Большинство их должно было использовать силу тяжести. Это были более или менее сложные комбинации рычагов, блоков, зубчатых и цепных передач, а иногда и насосов для подъема воды – стекая вниз, вода должна была совершать работу, попутно приводя в движение и сами насосы.
Наряду с заблуждающимися, но добросовестными энтузиастами в числе создателей вечных двигателей были и мошенники, демонстрировавшие легковерным обывателям механизмы, движение которых поддерживалось скрытыми приводами. Так, например, в XVIII веке большой популярностью пользовался вечный двигатель Оффиреуса – колесо, вращающееся безостановочно после первоначального толчка. Многие ученые, наблюдавшие его работу, не могли обнаружить никакого обмана. Однако, когда один из наблюдателей проявил слишком большую настойчивость и любознательность, конструктор разбил аппарат… И все же в те времена отдельные неудачи и разоблачения никак не могли дискредитировать идею. Достаточно вспомнить, что с 1678 года начинает выходить французский научный журнал, где регулярно помещаются многочисленные проекты вечных двигателей.
Мечта о вечном двигателе стала поразительной массовой галлюцинацией. На протяжении многих веков перпетуум-мобиле казался легко осуществимым, и никто не подозревал, что самой природой на него наложен непреодолимый запрет.
Первый отпор идея перпетуум-мобиле получила в XVI веке. И ополчился против вечного двигателя ученый, который в силу своего характера, научных склонностей должен был бы приветствовать такой подарок судьбы! Должен был ухватиться за идею перпетуум-мобиле и поставить целью жизни осуществить ее.
Иероним Кардан был, пожалуй, самым авантюрным ученым в этот доверчивый век. Он слыл отличным математиком, физиком, врачом, и при всем этом его считали помешанным. Ну скажите, какой нормальный человек, будучи грамотным ученым, может верить, как верил Кардан, что каждый год 1 апреля в 8 часов утра он может получить от богов все, что пожелает? Кардан любил предсказывать, и многие его предсказания сбылись. Чтобы не подорвать веру в силу своего провидения, он оборвал жизнь голодовкой на 75-м году только потому, что имел неосторожность предсказать дату своей смерти.
Что же воодушевило Кардана на борьбу с вечным двигателем? Повышенное чувство долга? Вряд ли. Историки рассказывают, что он не смущался кражей чужого открытия. Тридцатилетний блестящий математик Тарталья рассказал ему о своем оригинальном решении уравнения третьей степени, а Кардан опубликовал это решение под своим именем. Тарталья вызвал его на математическую дуэль-диспут, однако Кардан вместо себя прислал своих учеников и те выдворили Тарталью из города!
Возможно, все эти отзвуки давно затихшей жизни – просто выдумка, как и легенды о том, что Кардан безмятежно перенес казнь сына, утрату колоссального состояния… История многое вольно добавляет и убавляет, когда дело касается биографий незаурядных людей. Если бы Кардан был только позером, он не оставил бы после себя такие замечательные (по свидетельству серьезных ученых) труды, наполненные мудростью и заботой о нуждах людей, как трактаты «О разнообразии вещей», «О тонкости», которые служили пособиями для воспитания многих поколений физиков.
Именно в трактате «О тонкости» Кардан высказывает и обосновывает в меру своих возможностей убеждение в несостоятельности идеи вечного двигателя. Но уровень званий его эпохи не дал ему возможности привести убедительные доказательства.
Особенно много проектов вечных двигателей появляется в XVI–XVII веках, в эпоху перехода к машинному производству. Ученые и фантазеры-самоучки, мало или совсем незнакомые с основами физики и механики, пытаются комбинировать простые механизмы в более сложные, но все равно получить от машины больше энергии, чем было затрачено на ее работу, не удается. Если бы конструкторы изучили труды Галилея, они знали бы это заранее. Галилей, как до него Стевин, ставил опыты с рычагами и блоками, наблюдал за скатыванием шаров по наклонной плоскости и пришел к заключению, что с помощью простых механизмов невозможно получить даровую работу.
Здесь уместно подчеркнуть, что ликвидация трения в механизме не превратила бы его в вечный двигатель, не спасла бы идею. Очень долгое движение можно осуществить с помощью большого маховика, вращающегося на хороших шариковых подшипниках. Но если от такого механизма попробовать отобрать энергию, он довольно быстро остановится.
Всплеск веры в возможность получить вечный двигатель произошел после изобретения электрических машин. Эта вера окрылила пивовара и физика Джоуля, человека практичного и предприимчивого. Он воспользовался вольтовой батареей и запустил от нее электродвигатель своей собственной конструкции. Батарея очень быстро выдохлась, а Джоуль в итоге пришел к выводу, что лошадь никогда не будет вытеснена электродвигателем, так как прокормить ее дешевле, чем менять цинк в батареях. Эта работа не увенчалась созданием перпетуум-мобиле. Но сыграла огромную роль в исследовании количественных соотношений между теплотой и механической энергией.
…Этот ученый родился далеко от научных центров, в заснеженном уголке, где большинство жителей вообще ничего не слышали о вечном двигателе, о магнетизме или электричестве.
Но тем не менее в темноте далекого края России зажегся свет любознательности у сына архангельского помора, который стал эпохой русской и мировой науки. Этот мальчик, не слышавший, конечно, о таких великих именах, как Аристотель, Леонардо да Винчи, Ньютон, стал в один ряд с ними, как последний из плеяды универсальных гениев.
Сфера научных интересов Ломоносова обнимает буквально все проблемы естествознания того времени. Его труды открыли первую страницу познания многих явлений природы. Он думал и над загадкой теплоты, но специально проблемой вечного двигателя Ломоносов не занимался. Он считал само собой разумеющейся невозможность осуществления вечного двигателя, и это привело его к всеобъемлющей формулировке закона сохранения, которую Ломоносов дал в 1748 году:
«Все изменения, случающиеся в природе, происходят так, что если что-либо прибавится к чему-либо, то столько же отнимется от чего-то другого. Так, сколько к какому-нибудь телу присоединяется материи, столько же отнимается от другого; сколько часов я употребляю на сон, столько же отнимаю от бдения и т. д. Так как этот закон природы всеобщ, то он простирается даже на самые правила движения: тело, побуждающее своим толчком другое к движению, столько же теряет своего движения, сколько сообщает другому, движимому им».
Казалось бы, вопрос о возможности получения чего-либо из ничего исчерпан.
Но почему же тогда через двадцать лет после появления ломоносовского закона сохранения Французской академии наук, изнемогающей от необходимости изучать бесчисленные проекты перпетуум-мобиле, пришлось принять специальное решение – оставлять без внимания всякие проекты новых вечных двигателей?
Кто эти безумцы, запускающие воздушные шарики сенсаций? Кто отваживается идти против законов природы? И на каком основании?
Увлечением XIX века стали особые вечные двигатели, они привлекли изобретателей тем, что породили надежду на получение бесплатной энергии без нарушения закона сохранения. Они заронили веру в возможность компромисса с природой.
В середине прошлого века родилось коварное заблуждение, дающее сложные рецидивы вплоть до наших дней. Вечный двигатель второго рода – так именуется новый тип перпетуум-мобиле, якобы способный без ограничения превращать тепло, запасенное в окружающих телах, в другие виды энергии.
Прошло немного времени после начала триумфального шествия паровых машин, как стало ясно, что эти прожорливые чудовища настолько плохо используют топливо, что грозят быстрым уничтожением лесов и исчерпанием запасов угля. Однако, несмотря на все попытки инженеров добиться улучшения работы паровых машин, сделать их более экономичными не удавалось. Да и как могло удасться, если существо процессов, сопровождающих работу этих машин, было совершенно непонятно?
Проблемой тепловых машин заинтересовался военный инженер Сади Карно. Поступив в 1819 году на должность лейтенанта во французский генеральный штаб, юноша вынужден был заниматься мелкими поручениями. Ему не давали хода – его отец, Лазар Карно, бывший министр французской республики, после реставрации монархии находился в изгнании.
Молодой Карно не тратил время на карьеру, все силы и досуг он отдавал науке, решив добиться от паровых машин большей отдачи. В 1824 году вышел из печати труд Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных проявить эту силу» – единственная работа, опубликованная при жизни этого гения. В возрасте сорока лет он заболел скарлатиной, а через два месяца заразился холерой, которой понадобилось лишь несколько часов, чтобы свести его в могилу.
Первоначальная цель Карно – построить как можно более хорошую паровую машину, способную получить максимум энергии из данного количества топлива. Но он не знает, как этого добиться. Карно начинает с того, что говорит себе: допустим, я построил идеальную машину. В чем проявится ее преимущество перед реальной машиной? Пусть, думает он, они работают в одинаковых условиях, от общего котла с общим холодильником, а я проанализирую, почему одна машина работает лучше другой.
И тут Карно почувствовал беспокойство: если эти машины заставить работать в паре одна с другой, лучшая сможет компенсировать потери в худшей, не правда ли? Более того: если одна машина лучше другой вдвое, то, затратив половину вырабатываемой энергии на совершение внешней работы, другую половину она сможет потратить на то, чтобы поддерживать работу худшей машины! Выходит, что, получив первоначальный толчок, такая система из двух машин может в дальнейшем обойтись без котла, без топлива?!
Карно отчетливо понял, что эти рассуждения привели его в лагерь авантюристов – он изобрел вечный двигатель! Но ведь вечный двигатель невозможен. Значит? Единственный логический вывод: в этой паре не может быть лучшей машины. Все тепловые машины, работающие от общего котла и с общим холодильником, одинаково эффективны. Повысить кпд тепловых машин выше определенного предела невозможно. И дело не в умении или неумении инженеров, а в запретах природы – в необратимой потере тепла в окружающем пространстве.
Поразительно, что Карно пришел к такому далеко идущему выводу путем простейших рассуждений. Еще более поразительно, что он сделал правильный вывод из неправильной посылки – Карно представлял тепло в виде жидкости, теплорода. Эта аналогия очень помогла ему представить процесс работы паровой машины наглядно. Под котлом с водой горит топливо, превращая воду в пар. При этом теплород течет от горячего пламени к холодной воде. Поглотив теплород, вода нагревается, а потом и испаряется. Горячий пар движет поршень машины и таким образом совершает работу. Пар при этом остывает и уходит в окружающее пространство, вместе с ним рассеивается теплород…
Карно опирался на теорию теплорода и все-таки не ошибался. Если его чутье тонкого физика не забило тревогу, когда он взял за исходный стержень своих размышлений аналогию между теплородом и жидкостью, значит, тут не было запрета. И, как теперь ясно, не могло быть: между жидкостью и теплотой действительно много общего в поведении.
Теплород и держался в науке так долго именно потому, что в нем отразились многие истинные свойства теплоты, хотя, конечно, на молекулярном уровне ясно полное отличие теплоты и теплорода. Можно легко сравнить течение теплорода в паровой машине – от горячего котла к холодильнику – с течением воды в реке – от верховья в низину. Реки не текут вспять. Не возвращается и ушедший в пространство теплород. Отсюда возникает понимание особой роли теплоты среди других форм энергии – ни одна из них не теряется безвозвратно, только теплота!
Так Карно впервые сформулировал принцип, которому суждено было стать основополагающим в науке о теплоте – в термодинамике: тепло самопроизвольно течет только в одном направлении, от горячих тел к холодным. Совершенно непринужденно при этом возникает понимание невозможности создания вечных двигателей. Воду в реке нельзя повернуть вверх по течению, не затратив на это работу? Не затратив работу, невозможно вернуть для полезной деятельности и теплород.
Так Карно путем элементарных рассуждений пришел к двум гениальным для его времени результатам. Первый – это принцип, носящий его имя: о естественном течении тепла только от горячего к холодному, но не обратно. И второй результат – формула для определения кпд идеальных тепловых машин. Уподобляя теплород воде, а разность температур на входе и выходе машины – разности уровней воды в водопаде, Карно заключил: как при падении воды работа измеряется произведением веса воды на разность уровней, так и в паровой машине работа измеряется произведением количества теплорода на разность температур.
Теперь ясно – кпд идеальной тепловой машины зависит только от разности температур. И ясен путь увеличения эффективности тепловых машин: ее можно поднять за счет увеличения температуры на входе – температуры пара в котле. Или за счет понижения температуры на выходе. Очень полезно использовать специальные, остужающие пар устройства – холодильники. Если пар на выходе машины не охлаждать, а просто выбрасывать в окружающее пространство, то машина будет малоэффективна. Пример – паровоз, его кпд едва достигает 3–4 процентов.
А если температура котла и холодильника одинакова? Паровая машина вообще не будет работать. Как не даст никакой работы водяная мельница, если ее колесо опущено в стоячую воду.
Для простоты понимания Карно изложил свои результаты без помощи математики. И хотя они предельно наглядны и просты, все это осталось почти не замеченным, во всяком случае, не понятым. Карно опередил свое время.
В последующие годы Карно продолжал свой великий и скромный труд. Он отказался от гипотезы теплорода, провел новые рассуждения на основе механической теории теплоты и даже довольно точно определил механический эквивалент теплоты. Его результаты были опубликованы в 1878 году при повторном издании «Размышлений» – более чем через сорок лет после смерти автора. А через пятнадцать лет после смерти Карно великий Клаузиус, который ввел в науку многозначительное понятие энтропии, добавил свое веское слово к принципу Карно: он выразил его в виде математической формулы и возвел в ранг Второго начала термодинамики: «Теплота не может самопроизвольно перейти от более холодного тела к более теплому».
Наименование «Второе начало термодинамики» было присвоено принципу Карно потому, что за годы, прошедшие между смертью Карно и работой Клаузиуса, было выработано общее понятие «энергия» и окончательно сформулирован закон сохранения энергии, получивший название Первого начала термодинамики.
Волнение, которое вызвал постулат Клаузиуса в среде ученых, можно представить себе из того, как переформулировал его Томсон (лорд Кельвин). Он считал необходимым записать Второе начало так: «При посредстве неодушевленного тела невозможно получить механические действия от какой-либо массы вещества путем охлаждения ее температуры ниже температуры самого холодного из окружающих тел».
Что же испугало Томсона в принципе Карно, во Втором начале термодинамики? Его испугал вывод о том, что могут существовать условия, при которых невозможно превращение тепла в работу или в другие формы энергии. Ему казалось неприемлемым признание того, что в отличие от других форм энергии теплота обладает особыми свойствами, что какие-то ее количества выпадают из замкнутого круга взаимных превращений, ужасал вывод, неизбежно следовавший из этого. Неизбежный логический вывод, противоречащий всему, что казалось надежно установленным великими предшественниками. Необратимое течение тепловых процессов сулило Вселенной гибель.
Шесть долгих лет Томсон изучал проблему, прежде чем решил опубликовать результат. В 1857 году в работе «О всеобщей тенденции в природе к рассеянию механической энергии» он сообщает: принцип Карно верен, и он отражает гибельную тенденцию, властвующую над природой. Все формы энергии в конечном счете переходят в теплоту, температура всех тел стремится к выравниванию за счет охлаждения нагретых тел.
Приговор был произнесен. Он потряс и ученых и воображение широкой публики. Мир не будет существовать бесконечно. Он обречен! Клерикалы по-своему утешали обывателя: мир не мог возникнуть без помощи бога, а раз так, то бог нас не оставит. А многие ученые пытались оспорить положение Томсона-Клаузиуса – они искали примеры, противоречащие Второму началу термодинамики. Все возражения были ошибочны, все примеры содержали погрешность.
Физика попала в тупик. Каков же выход?
«Современное естествознание вынуждено заимствовать у философии положение о неуничтожаемости движения: без этого положения естествознание уже не может существовать». Так охарактеризовал поворот событий Энгельс. Еще при его жизни гениальный физик Больцман освободил природу от опеки бога. Он показал, как в природе реализуется то, что Энгельс утверждал на основе общих положений диалектического материализма – движение бесконечно, мир не умрет, не остановится в своем развитии.
Вы спросите – как же так? Второй закон термодинамики утверждает, что мир стремится к покою, а Больцман берет на себя смелость утверждать, что вопреки этому велению природы движение вечно. За счет чего же?
В результате изучения явлений природы Больцман стихийно пришел к тому, к чему диалектический материализм приводит строго научно. Он понял и объяснил парадоксальное уклонение природы от собственных запретов. Примирил теорию и реальность. Узаконил жизнь вопреки правам смерти и отнес вывод о тепловом угасании мира к области заблуждений.
Проследим же за рассуждениями Больцмана. Проделаем два мысленных эксперимента.
Нальем в сосуд две одинаковые жидкости, различающиеся только цветом, и подождем. Они самопроизвольно смешаются. Сегодня и для школьника не секрет, что это результат хаотического теплового движения частиц жидкости.
Насыплем в барабан слой белых шаров, а на них слой черных и приведем барабан во вращение. Шары постепенно перемешаются, и, вынув из любой части барабана достаточно большую порцию шаров, мы обнаружим в ней одинаковое количество белых и черных.
Если мы взглянем на уравнения, описывающие процесс, то увидим странную картину. Время входит в них симметрично: со знаком плюс и со знаком минус. Уравнения построены так, словно описываемые ими процессы могут одинаково свободно развиваться как в сторону будущего, так и в сторону прошлого! Но ведь это противоречит многовековому опыту человечества – время, как и теплота, неотвратимо течет в одну сторону, от прошлого к будущему, и нет никакой возможности не только повернуть его вспять, но и остановить хотя бы на мгновение! Разве кто-нибудь когда-нибудь видел хоть одно исключение из этого правила?
Уравнения, о которых идет речь, дают основание предположить, что, вращая барабан в обратную сторону, можно добиться разделения шаров на белые и черные, то есть вернуть систему в первоначальное состояние, в прошлое. Но в действительности этого не происходит. Не разделяются и смешавшиеся жидкости. Почему?
Уравнения утверждают: чтобы шары, смешавшиеся в барабане, вновь разделились, при вращении в обратном направлении, нужно обеспечить точное воспроизведение всех элементарных шагов. То есть каждый шар в отдельности и все вместе должны воспроизвести в обратном порядке все свои движения – возвращением в прошлое мы назвали бы точное повторение событий в обратном порядке. Точное! Но это невозможно уже потому, что «шероховатости» – мельчайшие неровности поверхности шаров – деформируются случайным образом. Вращая барабан обратно и думая, что возвращаем процесс в прошлое, мы на самом деле уводим его еще дальше в будущее, в сторону беспорядка.
Этим рассуждением Больцман не только не опроверг, но подкрепил вывод Томсона о неуклонном развитии природы от порядка к хаосу, о движении мира от состояния, при котором механическая, электрическая, химическая, тепловая и другие виды энергии распределены неравномерно, – к состоянию, в котором все и везде одинаково, и одинаково навсегда: безжизненно, невозмутимо!
Но вернемся еще раз к барабану с шарами. Взяв из него тысячу шаров, мы почти всегда будем иметь 500 белых и столько же черных. Если же вынуть два шара, то часто оба будут белыми или черными, будут одинаковыми.
И вывод: в малых частях большой беспорядочной системы может самопроизвольно возникать упорядоченность! Самопроизвольно, то есть без помощи бога, лишь по воле случая…
Случай – вот всесильный джинн, которого обнаружил Больцман.
Мысль Больцмана сводится к тому, что Вселенная, огромная совокупность звездных систем, в целом находится в состоянии теплового равновесия – в полном беспорядке и в полном соответствии со Вторым началом термодинамики. Но в отдельных ее частях, и даже в объемах, колоссальных, с нашей точки зрения, но малых по сравнению со всей Вселенной, хозяином может стать случай. Он может породить всплеск энергии, как говорят ученые, – флуктуацию. Из-за игры случая кое-где могут случайно возникнуть очаги повышенной температуры. Они дадут ту разность тепловых уровней, которая породит движение, жизнь.
«Этот метод, – пишет Больцман, – кажется мне единственным методом, при котором можно представить себе… тепловую смерть единичного мира, без одностороннего изменения всей Вселенной от определенного начала к заключительному состоянию».
Можно сказать, что существование Вселенной и состоит в том, что в ней постоянно возникают случайные неупорядоченности, которые «рассасываются», чтобы по закону случая возникнуть вновь. Мы живем в одной из таких «возмущенных» областей. Наш мир – видимая нами часть Вселенной – существует уже около десяти миллиардов лет и просуществует еще много больше. Человечество возникло лишь пару миллионов лет назад, а цивилизация развивается всего несколько тысячелетий. Масштабы времени таковы, что нам незачем беспокоиться о том, когда завершится «возбужденность» нашего мира.
Но вернемся еще раз к законам термодинамики. Мы уже знаем, что ее первый закон, закон сохранения энергии, не основан ни на каких более фундаментальных законах. Он является просто обобщением всей совокупности человеческого опыта, это истина, не выводимая из каких-либо других положений. Этот закон окончательно отвергает веру в возможность построения вечных двигателей, веру в возможность получения энергии «из ничего». Отвергает, но не объясняет, почему это невозможно! Не объясняет потому, что объяснение – это сведение к чему-либо более простому, более фундаментальному, а закон сохранения энергии сам принадлежит к наиболее фундаментальным законам природы, и ничего фундаментальнее его мы не знаем.
Такие законы иногда называют постулатом. Постулатом в том смысле, который придается постулатам геометрии, – не сводимым ни к чему более простому, обобщениям геометрических свойств природы. Обобщениям всего опыта человечества.
В наше время убежденность в достоверности и универсальности закона сохранения энергии столь велика, что в случае, когда эксперимент приводит к отклонению от него, ученые вправе ожидать нового открытия. Именно так в первой половине нашего века из обнаруженного на опыте нарушения закона сохранения энергии при бета-распаде было предсказано существование нейтрино. Физикам было легче примириться с существованием неведомой частицы, не имеющей ни заряда, ни массы покоя, что уже само по себе казалось нереальным, чем поверить в нарушение закона сохранения энергии.
