Элен Черски - Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса

Вообразите ворота шлюза в каком-нибудь канале. Они были придуманы в силу самой оригинальной из причин: чтобы речные суда могли «взбираться на холмы». Механизм шлюзования обеспечивается тем, что суда могут плыть против течения, но только при условии, что оно очень медленное. Ни одно речное судно не сможет взобраться вверх по водопаду, но с помощью системы шлюзов может «подниматься на холмы». Шлюз состоит из двух ворот, образующих в канале глухую пробку, создавая между двумя воротами изолированный пруд. По одну сторону шлюза уровень воды высокий, по другую – низкий. Любое судно, движущееся вверх или вниз по каналу, обязательно проходит через шлюз. Допустим, лодке на нижнем уровне нужно плыть вверх по каналу. Вода между воротами шлюза вначале находится на той же высоте, что и нижний уровень в канале. Нижние ворота открываются, и наша лодка заходит в шлюз, после чего нижние ворота закрываются. Теперь открываются – а точнее, лишь слегка приоткрываются – верхние ворота, и вода начинает поступать в шлюз. Это очень важный момент. Когда верхние ворота были закрыты, у воды над шлюзом не было причин куда-либо течь. Она располагалась на самом низком из возможных положений, пребывая в равновесии. При закрытых верхних воротах ей некуда было деваться, то положение, в котором она находилась, было для нее самым удобным, и она могла бы оставаться в нем бесконечно долго. Но как только верхние ворота приоткрываются и для этой воды создается путь, по которому она может соединиться с прудом, заключенным между воротами шлюза, баланс нарушается. Гравитация все время тянет воду вниз. Приоткрыв верхние ворота, мы создали для воды возможность реагирования на действие силы земного притяжения и перехода на еще более низкий уровень. Таким образом, вода затекает внутрь шлюза до тех пор, пока уровень воды в нем не сравняется с уровнем воды, находящейся выше шлюза. От нас требуется лишь создать путь к новому состоянию равновесия. Но теперь лодка находится на той же высоте, что и верхняя часть канала, и как только ворота будут полностью открыты, она сможет продвинуться вперед на своем пути вверх по течению – по очень медленному течению канала. Позади нее, как только ворота закроются, все опять будет в равновесии. Вода между шлюзами сможет оставаться здесь до бесконечности, так как лучшего для себя положения ей не найти. Все силы сбалансированы. Затем в какой-то момент в шлюз войдет еще какая-нибудь лодка, плывущая в противоположную сторону, то есть по течению; кто-нибудь откроет нижние ворота, и вода начнет поступать в ту часть канала, которая расположена ниже по течению, где она продолжит движение к новому состоянию равновесия.

Вывод из вышесказанного заключается в том, что управление позицией равновесия позволяет решать очень многие задачи в нашем мире. Вещи, предоставленные сами себе, меняются до тех пор, пока в них все не сбалансируется, а достигнув этого состояния, остаются в нем до тех пор, пока те или иные внешние силы не выведут их из него. Иными словами, целенаправленное изменение состояния равновесия – путь к успеху. То есть, имея возможность менять правила в ходе игры, вы сможете изменять ход тех или иных процессов в нужном для вас направлении и запускать их именно тогда, когда считаете нужным.

Представление о том, что физический мир всегда будет двигаться в направлении равновесия – то есть горячая и холодная жидкости будут смешиваться, пока не достигнут единой температуры, или воздушный шарик будет расширяться, пока давление внутри него и снаружи не станет одинаковым [43], – связано с убеждением, что время течет только в строго определенном направлении. Мир не может двигаться вспять. Вода никогда не будет сама по себе течь через шлюз от более низкого уровня к более высокому. Это означает, что вы всегда можете сказать, какое именно направление имеется в виду, когда речь идет о движении той или иной системы вперед: для этого достаточно понять, какое ее состояние будет состоянием равновесия. В то время как для осуществления изменений за счет применения грубой силы необходимы значительные затраты энергии, для воздействия на скорость «соскальзывания» системы в состояние равновесия обычно хватает минимальных усилий. К тому же часто это чрезвычайно полезно.

Гувер-Дам (плотина Гувера) на реке Колорадо в США – одно из крупнейших достижений гражданского строительства прошлого века. Подъезжая к нему со стороны Лас-Вегаса на автомобиле, вы движетесь по довольно пустынной скалистой местности, где кажется почти невероятным встретить большое сооружение. Единственные подсказки о том, что где-то поблизости есть нечто необычное, исходят от отблесков солнца на голубой воде, время от времени возникающих где-то очень далеко посреди пустыни. А потом вы поворачиваете, и внезапно перед вами предстает исполинское бетонное сооружение (общим весом около 7,5 миллиона тонн), построенное посреди сурового американского ландшафта.

Примерно сто лет тому назад река Колорадо безмятежно несла свои воды по руслу узкого каньона. Она берет свое начало в Скалистых горах, продолжает путь через обширные равнины, двигаясь по каскаду долин в юго-западном направлении, и впадает в Калифорнийский залив. Проблема для фермеров и жителей городов, расположенных в нижнем течении реки, заключалась вовсе не в нехватке воды – она-то как раз была в изобилии, – а в распределении ее поступления во времени. Весной ужасные наводнения смывали буквально все на своем пути, тогда как осенью река превращалась в хилый ручеек, воды в котором было явно недостаточно для удовлетворения нужд постоянно увеличивающегося населения. Река всегда брала свое начало в одних и тех же горах, текла через одни и те же равнины и впадала в один и тот же Калифорнийский залив. Однако фермеров и городских жителей не устраивал «график поступления воды»: они хотели, чтобы он был управляемым [44]и, в частности, чтобы в какие-то моменты ее поступление можно было бы вообще прекращать. В итоге было решено строить плотину.

Капля воды, совершившая долгое путешествие со Скалистых гор вниз через Большой каньон, теперь попадает в озеро Мид – гигантское водохранилище, образовавшееся позади дамбы. Прежде чем добраться до Калифорнийского залива, капле придется немного задержаться в озере. Дело в том, что избыток воды теперь накапливается в водохранилище, расположенном на границе штатов Невада и Аризона, в среднем течении реки Колорадо – то есть до того как ее воды достигнут Калифорнии. До 1930 года капле воды, покинувшей Большой каньон, приходилось опускаться примерно на 150 метров, прежде чем она достигнет того места, где сейчас находится дно озера Мид. Но после 1935 года, когда дамба была построена, такая же капля воды, достигшая озера Мид, теперь оказывается на 150 метров выше дна долины в этом месте. Самое удивительное, что для удержания воды на этом уровне не нужно затрачивать энергию – достаточно было лишь воздвигнуть надежное препятствие, которое не позволяло бы воде бесконтрольно продолжать течение. В данном случае мы имеем дело не с чем иным, как с рукотворным состоянием равновесия.