Скотт Бембенек - Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

Когда вы едете на машине, двигатель выделяет тепло в окружающую среду, потому что этого требуют законы природы (это компенсация, которую требует природа за то, что вы пользуетесь автомобилем). Поэтому невозможно использовать абсолютно все топливо (энергию) для работы. Более того, будет возникать дополнительная потеря тепла из-за разного рода трений внутри двигателя вашего автомобиля. И поскольку, согласно Клаузиусу, энтропия — это «отношение тепла к температуре», природа снова нашла способ приблизить ее значение к максимуму.

Хотя определение энтропии у Клаузиуса достаточно точное, оно не является полным. Клаузиус пытался объяснить энтропию с точки зрения микроскопических частиц, молекул и атомов, но его попытки были безуспешными. Максвелл же сделал первые шаги в этом направлении. Он продемонстрировал, что атомы газа двигаются на разных скоростях, ограниченных определенным диапазоном, или распределением. По сути, скорость атомов в этом диапазоне такова, что малое их количество перемещается быстрее или медленнее основной массы, которая движется со средней скоростью. Это был первый случай, когда статистический подход использовали для описания физических свойств системы. Более того, он избавлял от устрашающей и со всех практических точек зрения невыполнимой задачи учитывать все столкновения внутри системы атомов газа.

Ранее мы говорили, что при комнатной температуре и давлении шар, наполненный гелием, содержит приблизительно 10 23атомов, которые двигаются со средней скоростью около 4 500 км/ч, при этом отдельный атом сталкивается миллиарды раз в секунду с другими атомами. Как вообще можно надеяться точно учесть все это?

Максвелл продемонстрировал, что это и не нужно, таким образом открыв дорогу Больцману. Тот показал, что подход Максвелла применим не только к скорости атомов или их кинетической энергии, но и к общей энергии системы в распределении Больцмана. Это решение стало революционным.

Применяя распределение Больцмана, можно рассчитать множество наблюдаемых свойств системы. Таким образом, хотя мы и не видим атомы и молекулы, теория Больцмана основывается на их существовании, благодаря которому мы наблюдаем видимые свойства объекта. Однако во времена Больцмана существование молекул и атомов все еще было предметом жарких споров, и он постоянно защищал свою теорию.

Сегодня мы принимаем как данность, что вещество состоит из атомов и молекул. Тем не менее история атома, как и теорий и экспериментов, благодаря которым он был открыт, — поистине увлекательное повествование и тема для части 3.

Древнегреческие философы сыграли значительную роль в формировании начальной теории об атомах. Несколько древних философов создали теорию материи, одна из которых даже предполагала существование фундаментальных строительных блоков, из которых были сделаны не только живые существа и неживые предметы, но и сверхъестественные. Тем не менее их рассуждения были скорее умозрительными и философскими, нежели научными. И хотя они попытались объяснить природу материи и ее состав, их реальная цель состояла в том, чтобы донести до древних греков нечто, глубоко беспокоившее их: природу постоянства и изменений. К сожалению, эти «теории» материи прожили недолго. Хотя был новый всплеск в Средние века и Ренессанс, только в XVII веке они получили новый импульс.

Греческий философ Гераклит (ок. 540–475 до н. э.) был уроженцем греческого города Эфес, расположенного на побережье Малой Азии (современной Турции). Мы знаем о Гераклите главным образом из уцелевших фрагментов работ Платона и Аристотеля, где его цитируют для опровержения, а также из работ Диогена Лаэртского (ок. III века), который писал биографии греческих философов и рассказал о жизни Гераклита в целом.

Гераклит был пессимистом и во многом презирал человечество. Он высмеял Гомера [101], которого, как он заявлял, нужно было выпороть и прогнать, и был в плохих отношениях со многими известными умами того времени, такими как Пифагор [102](ок. 560–480 до н. э.) и Ксенофонт [103](ок. 570–480 до н. э.). О своих согражданах из Эфеса он говорил так: «Будет замечательно, если они повесятся все до единого и оставят город своим детям».

Гераклит представлял себе Вселенную как систему, находящуюся в постоянном изменении, где ничто не остается прежним даже на малейший момент времени (он даже заявлял, что и Солнце новое каждый день). Эта доктрина постоянного изменения [104]подразумевает, например, что невозможно прикоснуться к одному и тому же объекту дважды; вы можете прикоснуться к объекту, но к тому времени, когда вы сделаете это снова, его состояние уже изменится, как утверждал Гераклит. Однако идея, что все меняется, странна и противоречит нашему восприятию, которое говорит нам, что некоторые вещи, кажется, сохраняют своего рода постоянство.

Вот как Гераклит описывает «постоянство»: хотя река кажется вам чем-то цельным и постоянным, вода в ней находится в непрерывном движении, и таким образом река постоянно меняется [105]. Интересно отметить, что теория Гераклита относительно постоянного изменения не далека от действительности. Вообразите стакан воды, стоящий на вашем кухонном столе. Предположим, что на всем протяжении дня вы обращаете внимание на этот стакан воды несколько раз, и, конечно, в нем визуально ничего не меняется. По большей части, с макроскопической точки зрения, стакан воды — тот же. У него та же температура, объем и количество молекул воды [106]каждый раз, когда вы обращаете на него внимание.

Однако с микроскопической точки зрения стакан постоянно изменялся. Молекулы воды в стакане находятся в постоянном движении. Безусловно, Гераклит не знал об атомах и молекулах, и поэтому этот пример просто не мог привести. Хотя Гераклит и не верил в атомы, он верил в то, что материя состоит из основополагающих строительных блоков, которые он называл «элементы».

Гераклит верил, что существует три главных элемента: земля, воздух и огонь. Среди них огонь он считал «первичным элементом». Выбор огня в качестве основного элемента был проделан им в том же духе, что и рассмотрение вышеупомянутой реки. Если смотреть на огонь, легко представить, что он неизменен, так как пламя горит без каких-либо существенных признаков изменений. Однако в действительности огонь изменяется в силу постоянного потребления самого топлива, необходимого для поддержания пламени. Таким образом, согласно Гераклиту, огонь является источником всех других элементов: «Все вещи превращаются в Огонь и Огонь — во все вещи…» Более того, в то время как все во Вселенной находится в состоянии постоянных изменений, сама Вселенная вечна. Он говорит: «всегда был, есть и будет существовать вечно живой Огонь»… [107]В то время как Гераклит считал, что Вселенная находится в постоянном состоянии перемен, Парменид заявлял о прямо обратном.