Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

Связь заключается в том, что две наши начальные точки — обратимость и паровые машины — тесно связаны. Причина в том, что паровая машина основана на циклическом процессе: поршень, который расширяющийся пар выталкивает наружу, затем возвращается в начальную позицию, где ожидает следующего толчка. Пар тоже возвращается к начальным параметрам — объему, температуре и давлению; то же должны сделать и остальные значимые части, готовя машину к новому циклу нагрева и выталкивания поршня. Хотя ни один из этих процессов не требует тех ужасно маловероятных событий, при которых каждая молекула находит свой путь обратно в начальную точку или приобретает в точности ту же скорость, какую она имела в начале предыдущего цикла, работа машины все же подразумевает, что общая обстановка — макросостояние машины — вернулась в первоначальный вид, чтобы начать следующий цикл.

Что из этого следует в плане энтропии? Поскольку энтропия есть число микроскопических конфигураций, которые предстают перед нами в виде одного и того же макросостояния, то если макросостояние паровой машины сбрасывается до исходного в начале каждого цикла, значит, ее энтропия должна сбрасываться тоже. Это означает, что энтропия, которую паровая машина приобретает в ходе заданного цикла (когда она поглощает теплоту от горящего топлива, выделяет дополнительную теплоту за счет трения движущихся частей и так далее), должна целиком выбрасываться в окружающую среду к моменту завершения цикла. Как паровая машина это делает? Ну, мы уже видели, что для переноса энтропии необходим перенос теплоты. Таким образом, чтобы паровая машина сбрасывала свое состояние для следующего цикла, она должна выпускать тепло в окружающую среду. Значит, историческая формулировка второго начала термодинамики (неизбежное выбрасывание тепла в окружающую среду) — та самая деградация, которая так печалила Бертрана Рассела, — напрямую выводится из статистической версии второго начала 16.

Мы добрались до пункта назначения, к которому я здесь стремился, так что можете свободно переходить сразу к следующему разделу. Но, если у вас хватит терпения, поговорим об одной детали, не упомянуть которую было бы упущением с моей стороны. Вы, возможно, задались сейчас примерно таким вопросом: если паровая машина поглощает теплоту из сжигаемого топлива (набирая таким образом энтропию) только для того, чтобы потом сбрасывать теплоту в окружающую среду (сбрасывая таким образом и энтропию), то почему у нее еще остается энергия на выполнение полезных задач, таких как работа локомотива, к примеру? Ответ состоит в том, что паровая машина высвобождает в окружающую среду меньше тепла, чем поглощает, и все же умудряется полностью очиститься от накопленной энтропии. Вот как это происходит.

Паровая машина поглощает теплоту и энтропию от горящего топлива и высвобождает теплоту и энтропию в более прохладную окружающую среду. Здесь принципиально важна температурная разница между топливом и средой. Чтобы понять, почему это так, представьте себе два включенных бытовых обогревателя, совершенно одинаковых, один из которых находится в промерзшей комнате, а второй — в жаркой. В промерзшей комнате холодные молекулы воздуха получают от обогревателя встряску, которая заставляет их двигаться быстрее и распределяться по всему пространству, так что их энтропия возрастает значительно. В жаркой комнате молекулы воздуха и без того двигаются быстро и разлетаются широко, так что обогреватель лишь слегка увеличивает их энтропию. (Это примерно как ускорить ритм на дикой новогодней вечеринке и почти не заметить, что участники стали танцевать чуть быстрее; но ускорьте ритм в буддистском монастыре Тикси и заставьте монахов прервать медитативные практики и начать танцевать крамп, и вы сразу заметите изменения.) Следовательно, несмотря на то что обогреватели идентичны, количество энтропии, которую они передают окружающим объектам, различно: хотя каждый из них генерирует одинаковое количество теплоты, обогреватель в холодной комнате передает среде больше энтропии. Таким образом, более прохладная среда, получая заданное количество теплоты, превращает его в больший рост энтропии. С учетом этого мы понимаем, что паровая машина может сбрасывать всю энтропию, полученную ею с теплотой от горячего топлива, выпуская лишь часть этой теплоты в более прохладную окружающую среду. Тогда оставшаяся теплота может заставить пар расширяться, толкая поршень и выполняя при этом полезную работу.

Таково объяснение, но не позволяйте подробностям заслонять собой главный вывод: со временем физические системы с фантастически высокой вероятностью развиваются от конфигураций с более низкой энтропией к конфигурациям с более высокой энтропией. Если система, такая как паровая машина, пытается поддерживать свою структурную целостность, она должна сдерживать естественное стремление к повышению энтропии, периодически передавая накопленную энтропию окружающей среде. Для этого машина должна выбрасывать лишнюю теплоту в окружающую среду.

Если вы тщательно продумаете сделанные нами шаги, то увидите, что, хотя паровую машину мы разобрали вдоль и поперек, выводы наши выходят за рамки этого исходного пункта XVIII в. Суть нашего анализа — аккуратный учет энтропии, и такой учет можно провести в любом контексте. Это ключевой вывод, поскольку переход энтропии от паровой машины в окружающую среду через выброс теплоты всего лишь один из вариантов абсолютно повсеместного процесса, который мы встретим, когда будем отслеживать эволюцию космоса. Я называю его энтропийным тустепом, подразумевая при этом любой процесс, в котором энтропия системы снижается, поскольку он порождает более чем компенсирующее увеличение энтропии среды. Тустеп гарантирует, что, хотя энтропия, возможно, снижается здесь, она непременно повысится там, обеспечивая суммарный энтропийный рост, который следует из второго начала.

Энтропийный тустеп — основа того, как Вселенная на пути ко все большему беспорядку может тем не менее рождать и поддерживать упорядоченные структуры, такие как звезды, планеты и люди. Дальше мы будем раз за разом встречать тему о том, что, когда энергия течет через систему — как энергия от горящего угля течет через пар, обеспечивая выполнение работы, а затем уходит в окружающую среду, — она уносит прочь энтропию, поддерживая, таким образом или даже порождая, порядок на своем пути.

Именно этот энтропийный танец координирует подъем жизни и разума, а также почти все остальное, что, по мнению разума, имеет значение.

Учитывая важность сброса энтропии каждый раз, когда паровая машина начинает рабочий цикл, вам, возможно, любопытно, что произойдет, если сброс энтропии прекратится. По существу, отсутствие сброса энтропии эквивалентно отсутствию адекватного сброса теплоты, так что с каждым циклом машина будет греться все сильнее и в конечном итоге перегреется и сломается. Если паровую машину постигнет такая судьба, это может причинить кому-то неудобства, но — при условии, что обошлось без пострадавших, — не станет, скорее всего, ни для кого экзистенциальным кризисом. Однако те же физические принципы задействованы в вопросе о том, могут ли жизнь и разум существовать в будущем до бесконечности. Все очень просто: то, что верно для паровой машины, верно и для вас.