Георгий Гамов - Мистер Томпкинс внутри самого себя

Любое сколь угодно холодное тело (разумеется, если оно не находится при температуре абсолютного нуля) испускает тепловое излучение с определенной характерной длиной волны. При увеличении температуры тела излучение становится более интенсивным, а характерная длина волны — более короткой. Кусок льда отдает очень мало тепла; встав радом с глыбой льда, ты почувствуешь холод, так как твоя кожа испускает больше теплового излучения, чем лед. С другой стороны, печь имеет более высокую температуру, чем твое тело, и испускает больше теплового излучения, чем твоя кожа, и поэтому, стоя у печки, ты ощущаешь исходящее от нее приятное тепло. При температуре ниже 800° С длина волны теплового излучения слишком велика, чтобы воздействовать на сетчатку твоих глаз, и ты не видишь теплового излучения, а только ощущаешь его. Такое невидимое излучения часто называют «тепловыми лучами». При увеличении температуры характерная длина волны убывает, и тепловое излучение становится «видимым». Сначала нагретое тело мы видим раскаленным докрасна, затем оно светится желтым и, наконец, нестерпимо ярким белым светом.

С этими словами Уилфред извлек из кармана пачку сигарет и начертил на ее оборотной стороне график.

— Вот посмотри, папа, — сказал он. — Я начертил здесь распределения энергии в спектре теплового излучения при различных температурах излучающего тела. Пояснения излишни, так как график говорит сам за себя. Я хочу только обратить внимание на то, что при любой заданной температуре существует вполне определенное распределение энергии по спектру и, следовательно, вполне определенная суммарная интенсивность, или количество энергии излучения, приходящееся на единичный объем. Наблюдаемые свойства теплового излучения могут быть выведены теоретически из предположения о том, что световые колебания происходят совершенно случайным образом как по направлениям, так и амплитудам. Такая гипотеза полностью эквивалентна гипотезе о случайном характере молекулярного движения в газе. Например, как и в случае газа, нормальным состоянием теплового излучения служит состояние беспорядка на молекулярном уровне, и его энтропия имеет максимальное значение.

Однако такое утверждение справедливо лишь постольку, поскольку тепловое излучение находится в непосредственном контакте с поверхностью горячего тела, испускающего излучения. Когда же излучение от поверхности Солнца распространяется в окружающее пространство, его интенсивность падает. Плотность энергии солнечного излучения убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от Солнца.

Так как расстояние от Солнца до Земли в 214 раз превышает радиус Солнца, плотность энергии (количество энергии, приходящееся на единицу объема) солнечного излучения оказывается в 46000 (или, что то же, 214 2) раз меньше, чем в фотосфере Солнца. Однако уменьшение плотности энергии не сопровождается соответствующими изменениями в распределении энергии по спектру, так как когда тепловое излучение распространяется в космическом пространстве между Солнцем и Землей, никакого обмена энергией между различными длинами волн не происходит.

Спектр энергии при различных температурах

В результате солнечное излучение достигает поверхности Земли, находясь в некотором гибридном состоянии (распределение энергии по спектру соответствует очень высокой температуре солнечной поверхности 6000°С), а плотность энергии соответствует гораздо более низкой температуре жаркого солнечного дня на Земле. Нетрудно видеть, что подобное состояние для излучения отнюдь не является «наиболее вероятным», или иначе говоря, энтропия достигающего поверхности Земли солнечного излучения далеко не максимальна. Это, однако, не означает, что энтропия солнечного света убывает по пути на Землю, так как убывание энтропии нарушало бы закон возрастания энтропии.

В действительности происходит нечто другое: вопреки ожиданиям, что солнечное излучение увеличит свою энтропию по пути от Солнца к Земле, достаточно большого увеличения энтропии не происходит. Ситуация здесь аналогична той, в которой оказывается налогоплательщик, обнаруживающий в конце года, что его доходы меньше ожидавшихся в начале года, которые налогоплательщик внес в свою декларацию о доходах. Но так или иначе солнечные лучи, падающие на поверхность зеленых листьев, могут, так сказать, отсосать избыток энтропии, тем самым способствуя уменьшению общей энтропии растения. Разумеется, этот процесс не обязательно должен идти сам по себе, растение может воспользоваться «по своему усмотрению» возможностью извлечь отрицательную энтропию из солнечного излучения. Точно так же в деловом мире «благоприятная финансовая обстановка» не обязательно обогащает бизнесмена — он должен проявить смекалку, чтобы воспользоваться ею. Когда солнечное излучение, несущее в себе возможность уменьшить энтропию, падает на железную крышу дома, эта возможность попросту утрачивается, так как железо «не обладает должной смекалкой» и не знает, как использовать предоставившуюся возможность. Крыша нагревается, испускает солнечное излучение назад в форме теплового излучения с высокой энтропией. Но растения достаточно «разумны», чтобы не упустить предоставляющуюся возможность, и с помощью особого процесса, известного под названием фотосинтеза, используют энергию и дефицит энтропии солнечных лучей для образования сложных органических структур из гораздо более простых неорганических молекул.

— Но таким образом, — возразил мистер Томпкинс, — нехватка энтропии, или негативная, т.е. отрицательная, энтропия может быть использована развивающимися растениями? Трудно представить себе, что нехватка чего-то может оказаться полезной. Разве можно использовать негативное для получения чего-нибудь позитивного?

— Не торопись с выводами, — последовал ответ Уилфреда. —Стоит немного задуматься, и ты поймешь, что трудность, о которой ты говоришь, в действительности связана исключительно с терминологией с тем, что мы первоначально определили энтропию как величину, характеризующую степень беспорядка, а не степень порядка. Действительно, когда мы говорим, что дефицит энтропии в поглощаемом излучении необходим для жизни растений, наше утверждение надлежит понимать примерно так же, как утверждение о том, что дефицит мышьяка в продуктах питания человека необходим для его жизни.

Подавляющая часть энтропии (и энергии), получаемая растениями от солнечных лучей, теряется напрасно, когда растение умирает и его останки уничтожаются под действием гниения, но когда лошадь или корова поедает траву или когда кто-нибудь из нас ест салат, дефицит энтропии растений служит уменьшению энтропии тканей людей и животных. А когда мы съедаем бифштекс, необходимый дефицит энтропии достается нам, так сказать, из вторых или даже из третьих рук в несколько более легко усвояемом или по крайней мере более вкусном виде. Один мой австрийский друг говаривал, что в современном ресторане, организованном на основе научных принципов, в меню следовало бы указывать не только цены и калории (энергетическое содержание), но и от какого количества энтропии посетитель избавится, съев то или иное блюдо.