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

Разумеется, прежде всего люди должны были решить, что река Колорадо больше не будет самовольно распоряжаться своими водами, и поставить их под контроль человека путем создания дамбы, регулируя с ее помощью количество воды, попадающей в нижнее течение реки. После возведения плотины Гувера наводнения уже не угрожают населению Калифорнии, как не угрожает и полное высыхание реки Колорадо: теперь вода течет по ее руслу непрерывно. У такого решения проблемы есть еще одно важное преимущество: вода, пропускаемая через плотину, вращает турбины электрогенераторов, установленных на гидроэлектростанции. В результате плотина, помимо всего прочего, становится источником достаточно дешевой электроэнергии, что позволяет сотням тысяч людей полноценно жить и работать в безводных пустынях американского юго-запада.

Плотина Гувера строилась для того, чтобы человек мог эффективно регулировать поток воды, однако использованный при этом принцип распространяется не только на воду. Каждый раз, когда нужно запастись энергией, от нас требуется создать пару-тройку препятствий на ее пути «из пункта A в пункт B». Физический мир всегда стремится к состоянию равновесия, но иногда нам удается искусственно создать ближайшую точку равновесия для использования в собственных целях. Контролируя такой поток, мы можем также контролировать моменты высвобождения энергии. А затем добиваемся, чтобы она совершала какое-то полезное для нас действие. Мы не создаем энергию и не уничтожаем ее, а всего лишь направляем в нужное русло и регулируем заслонки на ее пути.

Подобно многим цивилизациям до нас мы сталкиваемся с проблемой ограниченных ресурсов. Ископаемые виды топлива, такие как нефть и (в определенной степени) уголь, сформировались из растений, которые существовали благодаря использованию энергии Солнца. Эти ископаемые энергоресурсы – энергетический эквивалент плотин, форма, которая запасает энергию в состоянии временного равновесия. Когда мы добываем их из земных недр и приступаем к использованию запасенной в них энергии, мы, по сути, самостоятельно выбираем момент ее высвобождения, создавая маршрут к другому возможному состоянию равновесия посредством сжигания и химического разложения на двуокись углерода и воду. Проблема, стоящая перед нами, заключается в том, что у нас есть лишь весьма ограниченное количество ресурсов «в верхнем течении» (то есть «вверх по потоку») в форме ископаемых видов топлива и за время жизни буквально нескольких поколений мы высвободили энергию, на накопление которой ушли миллионы лет. Запасы ископаемых энергоресурсов на планете подходят к концу, и у нас нет нескольких миллионов лет, чтобы их восполнить. Возобновляемая энергия, как и гидроэлектроэнергия, вырабатываемая на плотине Гувера, является производной энергии Солнца, пронизывающей сегодня наш мир. Проблема, с которой сталкивается наша цивилизация, неизменна: научиться эффективно останавливать и запускать поток энергии, чтобы использовать нужное ее количество, не нанося при этом заметного ущерба окружающему миру.

Включив в очередной раз какое-либо устройство, питающееся от батареи или аккумулятора, вы, по сути, выбираете момент высвобождения энергии из соответствующего источника, открывая электрический шлюз и направляя энергию по электрическим цепям данного устройства, с помощью которого хотите совершить некое полезное действие. В конечном счете эта энергия превратится в тепло. Именно к этому в итоге приводит каждое нажатие кнопки включения на любом из таких устройств. Все они представляют собой привратников, контролирующих моменты пуска и остановки потока, неизменно направляющегося в сторону равновесия. Если мы предоставим этому потоку возможность беспрепятственного прохождения, то получим один результат; если же замедлим его прохождение тем или иным способом (например, разрешим ему проходить лишь в моменты, когда это нужно нам), то результат будет совершенно иным. Время играет здесь очень важную роль, поскольку также течет только в одну сторону; выбирая момент, когда поток движется в сторону равновесия, а также скорость этого движения, мы обеспечиваем себе необычайно эффективный контроль над окружающим миром. Впрочем, далеко не всегда система, достигнув равновесия, останавливается. Если при приближении к точке равновесия она движется очень быстро, то может ее просто проскочить. Это открывает дверь для совершенно нового множества явлений, а также сопутствующих им проблем.

Обеденный перерыв, во время которого я успеваю не торопясь выпить чашку чая, – важная частью моего рабочего дня. Но недавно я заметила, что даже эта чашка заставляет меня «сбавлять обороты», причем дело здесь не только в том, что для того чтобы вскипел чайник, требуется какое-то время. Мой кабинет в University College London находится на одном конце длинного коридора, а комната для приема пищи – на другом. Путешествие с полной чашкой чая в руке обратно в кабинет происходит отнюдь не в том темпе, в котором я привыкла работать (привычный мой темп можно было бы описать одним словом: гонка). Дело не только в том, что я держу в руке полную чашку чая, – проблема в колебаниях поверхности жидкости. С каждым шагом они усиливаются. Обычный человек в таких случаях принимает вполне естественное решение: двигаться медленнее. Но любой уважающий себя физик должен сперва провести ряд экспериментов, чтобы убедиться, что указанное выше решение действительно единственно правильное. Вы никогда не знаете, какие открытия поджидают вас на этом пути. Короче говоря, я не собиралась сдаваться без боя.

Налив воду в чашку, поставьте ее на ровную поверхность и слегка подтолкните: вода начнет колебаться из стороны в сторону. Что же происходит на самом деле? После того как вы слегка подтолкнули чашку, она немного сдвигается, однако вода в ней поначалу остается на месте, но «накапливается» с той стороны чашки, которую вы подтолкнули. В результате уровень воды с одной стороны чашки оказывается выше, чем с другой. Гравитация тянет вниз воду с той стороны, где уровень воды выше, а вода с другой стороны подталкивается вверх. Через какое-то мгновение поверхность воды в чашке выравнивается, но у воды нет никакой причины останавливаться. Она продолжает движение, вследствие чего ее уровень с другой стороны чашки (назовем ее «второй» стороной) начинает повышаться. Гравитация тянет вниз воду с этой стороны, но, чтобы полностью ее остановить, требуется какое-то время. К моменту, когда вода остановится, ее уровень на «второй» стороне чашки будет выше, чем на противоположной, «первой» стороне; затем описанный выше цикл повторится снова. Если чашка с водой стоит на ровной горизонтальной поверхности, то колебания воды постепенно затухнут, то есть будет достигнуто состояние равновесия. Другое дело, если вы движетесь с чашкой в руке.