Александр Никонов - Физика на пальцах. Для детей и родителей, которые хотят объяснять детям

Если нет разницы потенциалов (электрических, температурных или высотных), будет полный покой и никакого движения, способного совершить полезную работу. Нужен поток! Поток энергии (электронов в виде тока, текущей воды, передающегося от горячего тела к холодному тепла). Нет потока – нет работы.

А передача тепла от холодного тела к горячему так же невероятна, как вода, сама по себе текущая в гору! Поэтому вечный двигатель второго рода и невозможен. Да, вокруг нас полно паразитного тепла – оно и в воздухе, и в воде, но попробуй его собери! Попробуй-ка организуй «кучку тепла», из которой потом можно будет организовать обратный поток в окружающую среду для пользы дела.

Представьте себе большой баллон с газом, разделенный пополам перегородкой. В левой половинке баллона у нас газ под большим давление, а в правой половинке – под малым. Температура газа одинакова. Это значит, что скорости молекул в обеих частях одинаковы, просто слева (где высокое давление) молекул больше и их пробег между соударениями короче.

Разница потенциалов налицо – с одной стороны высокое давление, с другой низкое! Что теперь произойдет, если мы уберем заслонку между половинками баллона или откроем на ней какой-нибудь вентиль?

Давление выровняется. И в обеих частях баллона будет мельтешить одинаковое количество молекул.

Пока давление выравнивается, мы можем поставить под дутье турбинку и получить кручение – полезную работу. А вот когда давление выровняется, турбинка крутиться перестанет.

Может ли так случиться, что миллиарды и триллионы молекул газа в баллоне вдруг сами по себе совершенно случайно соберутся в одной части баллона? Да нет конечно! Чисто статистически это практически невероятно! Они ведь движутся хаотически и все в разные стороны!

Теперь представим другую ситуацию. Тот же баллон, только теперь в левой части газ нагретый, а в правой – холодный. Убираем перегородку, и что происходит? Энергичные и быстрые («горячие») молекулы из левой части начинают сталкиваться с «холодными», то есть медленными молекулами из правой части, подталкивая и подгоняя их. А сами при этом будут свою скорость терять. И в результате через некоторое время скорости молекул усреднятся.

Может теперь так случиться, что миллиарды и триллионы молекул газа вдруг как-нибудь сами по себе совершенно случайно разделятся на две группы – очень быстрых и очень медленных? Да нет конечно! Это практически невероятно! Они ведь движутся хаотически и все в разные стороны!

Вот в этом и заключается феномен однонаправленности времени. Он носит чисто статистический характер. Просто большинство происходящих в мире процессов статистически необратимы!

Выравнивание температуры (вверху) и давления (внизу) в баллоне

Времени как такового нет. Есть только необратимые с точки зрения теории вероятности процессы. Нет, они не невозможны! Они просто настолько маловероятны, что для их реализации не хватит времени существования всей вселенной.

Это значит, что все в нашем мире ведет к усреднению и деградации. Когда-нибудь все запасы энергии во вселенной будут потрачены и превращены в рассеянное тепло. Все неравномерности и разности потенциалов усреднятся, и в мире просто ничего не будет происходить. Эта печальная картина получила в науке название тепловой смерти вселенной.

– А вот у нас дома есть кондиционер, – скажет мне особо сметливый читатель, – и он очень даже запросто передает тепло от холодного тела к нагретому. Он не дает уравниваться температурам на улице и в доме, делая прохладу в квартире, тогда как на улице жара. Кондиционер забирает квартирное тепло и выкидывает его на жаркую улицу.

Сметливый читатель мог припомнить и более обыденную вещь – холодильник. Тот тоже работает против усреднения, искусственно создавая разницу температур в комнате и внутри себя. Но на создание этой разницы температурных потенциалов мы тратим энергию из сети.

Конечно, можно локально препятствовать природе в ее стремлении к усреднению и тепловой смерти, но для этого нужно затрачивать энергию. То есть где-то ее брать, прикладывать к нужному месту и в этом месте творить созидательную работу по противодействию слепым омертвляющим силам природы. По противодействию энтропии.

Вы когда-нибудь слышали это слово – «энтропия»? Это термин из области термодинамики – раздела физики, который, как видно из названия, изучает процессы передачи тепла и превращения в тепло других видов энергии.

Мера статистического усреднения. Чем более усреднена система, чем меньше она способна совершить работу, тем больше в этой системе энтропии. Один из законов физики гласит: энтропия в любой закрытой системе может только расти или по крайней мере не убывать. Причем не убывать она может только в одном случае – если уже достигла максимума. Если система умерла.

Рост энтропии – это рост хаоса, это усреднение, умирание, деградация, разрушение. Стрела времени – это стрела энтропии.

В рисунках с газовыми баллонами, приведенными ранее, сверху система, обладающая минимальной энтропией, а снизу, после усреднения – максимальной.

Но почему физика уточняет, что энтропия растет только в закрытых системах? И что такое закрытая система?

Закрытой является система, которая не обменивается с окружающей средой массой и энергией. А если обменивается, то уже становится открытой.

Когда физиками были осознаны законы термодинамики, – а их естественным следствием стала будущая тепловая смерть вселенной, – физики немного огорчились. Им жалко стало нашего мира. А церковь, наоборот, обрадовалась. В термодинамике они увидели свой шанс.

Дело в том, что бурное развитие наук в XVI–XIX веках очень сильно потеснило разного рода мифологические доктрины. Наука стала объяснять то, что раньше объяснялось только наличием богов и ангелов, и конструировать такие вещи, которые с помощью религии сделать было нельзя. Люди стали все больше смеяться над прошлыми наивными представлениями о мире, которые им продавала церковь, и авторитет церкви начал стремительно падать. В конце концов на рубеже XVIII–XIX веков на волне социальных революций люди стали в массовом порядке отказываться от религиозных сказок.

И тут наука преподнесла религии неожиданный подарок. Из законов термодинамики вытекало два неопровержимых следствия и один неприятный для науки вопрос.