Владимир Келлер - Возвращение чародея

Этот воображаемый опыт нам понадобился для иллюстрации очень важного положения: и в случае превращения беспорядка в порядок не нарушается ни один закон микроскопической физики. Все эти законы допускают обратимость процессов в природе, «обратимость времени».

Но в общем-то избежать влияния закона возрастания энтропии невозможно. А он ограничивает применение других законов физики: он требует, чтобы в результате всякого процесса в конечном счете порядок хоть чуточку уменьшился бы, а беспорядок хоть чуточку возрос. Принцип возрастания энтропии по самому своему смыслу является принципом необратимости макроскопических процессов.

Как все сказанное связать с энергией, с взаимным превращением одних ее форм в другие?

Мы делили энергию на сконцентрированную и рассеянную, на восполняемую и невосполняемую, на четыре группы по происхождению: от Солнца, от притяжения Луны, от ядерных перестроек, от внутреннего тепла Земли. Мы можем делить ее еще на «благородную» и «неблагородную», или высшие и низшая формы. Первая, высшие формы энергии, — механическая, электромагнитная; вторая, низшая форма энергии — тепловая. В чем главное различие между ними, в чем «неблагородство» тепловой энергии?

Благородные формы энергии способны целиком превращаться в другие, полезные формы энергии, в работу. Тепловая, в лучшем случае, может быть превращена в полезную энергию лишь частично.

Почему?

Высшие виды энергии — все упорядоченные. Механическая энергия связана с упорядоченной частью движения молекул — по траекториям, одна рядом с другой. Падает ли вода, вращается ли колесо турбины, движется ли взад-вперед поршень двигателя — все это движения порядка, все это выделяется из стихий, находится в резком с ними неравновесии. Электромагнитная энергия вызывает образ строгого потока волн, движения по проводам потока электронов. У этих форм есть куда изменяться: от своего порядка к беспорядку; они способны соблюсти требование роста энтропии.

Иное — тепловая энергия. Она — сама беспорядок. Это энергия хаотического движения молекул вещества. Энергия теплового движения частиц не может перейти сама собой в механическую энергию, способную совершить работу, потому что это значило бы самопроизвольное превращение беспорядка в порядок, что запрещено законом физики.

Как бы ни были велики запасы тепловой энергии, они не могут быть превращены в работу, стать полезными, если речь пойдет о том, чтобы только «поднять их вверх». В Земле хранится очень много такой энергии. Охладив планету, масса которой равна 6·10 24(6 миллионов миллиардов миллиардов) килограммов, всего на 1 градус, мы получили бы 1,2·10 24килокалорий тепла — в миллиард раз больше, чем вырабатывают сейчас каждый год все вместе электростанции мира. Но это невозможно; такого рода тепло бесполезно для электростанции: извлечь его не позволяет закон роста энтропии.

Мы не смогли бы превратить в работу тепловую энергию Земли, даже если бы вся планета вдруг резко разогрелась бы, а мы в жаростойких костюмах поспешили воспользоваться этим для выработки электроэнергии.

Многие убеждены, что, для того чтобы заработала паровая машина, достаточно дать пар. Но это совершенно неверно. Беспорядок не может сам по себе превратиться в порядок.

Чтобы работали тепловые двигатели, обязательно находят где-то холодильник, может быть обыкновенную воду при обычной температуре. Почему? Нетрудно догадаться. Хотя «с двух сторон» машины и будут находиться два источника тепла низшей формы энергии: горячий пар и холодная вода для охлаждения, — но само по себе соединение этих двух источников создаст какое-то упорядоченное движение. Им будет переток более «горячих» (то есть обладающих более высокой средней кинетической энергией) молекул в сторону менее «горячих» молекул (то есть молекул с менее высокой средней кинетической энергией). А это уже порядок, это уже возможность стремиться к беспорядку и, значит, совершать работу.

Здесь та же логика, как в утверждении, что большая потенциальная механическая энергия озера на горе бесполезна для электростанций, пока озеру не найдут хорошего слива. Горячий пар — одна потенция, вода — другая. Лишь в соединении они способны создать энергетический поток, который может производить работу.

Теперь, пожалуй, вы можете спросить: почему так странно названа эта глава? Чем пугает нас беспорядок и чем он должен вдруг радовать?

С тех пор как был открыт закон возрастания энтропии, многие ученые стали развивать «теорию тепловой смерти»: раз все идет от высших форм энергии к низшей, тепловой, — остывает, односторонне превращается в беспорядок, — то, дескать, мир рано или поздно весь остынет. Ведь беспорядок порядком уже не сделать.

То, что предсказывали пессимисты, было бы истинным холодом смерти. Даже если бы все вещество Вселенной можно было уничтожить, превратив его массу в энергию (а 1 грамм массы вещества смог бы быть преобразован в 9·10 20эргов энергии), то и тогда мировое пространство нагрелось бы от минус 270–273 градусов всего до минус 260 градусов, то есть лишь примерно на 10 градусов.

Бояться этого, однако, не приходится, даже если думать о поколениях людей, которые будут жить через многие миллионы лет. Прежде всего закон возрастания энтропии сформулирован и многократно проведен для ограниченных физических систем. Что такое «энтропия всей Вселенной» — это вряд ли кому-нибудь сегодня ясно.

Человек уже показал, что разум в состоянии находить всё новые источники энергии, способные поддерживать бесконечный перепад температур, и это в принципе может продолжаться вечно.

А радоваться чему? Тому, что основные законы физики со временем не изменяются. Само существование порядка и беспорядка в раз навсегда положенной последовательности, немыслимость их поворота — тоже благотворный порядок.

Огненное облако с огромной скоростью скатилось с вулкана Мон-Пеле и превратило в пепел цветущий город Сен-Пьер с населением 26 тысяч человек. Катастрофа была столь же ужасна, сколь неожиданна и непонятна. Долго не могли объяснить, каким образом мельчайшие раскаленные частицы вулканического вещества не поднялись в воздух, не рассеялись, а упали на город и предали его страшной участи.

Это произошло в 1902 году на острове Мартиника в архипелаге Малых Антильских островов.

Иначе на противоположной стороне планеты двигалось другое облако — песчаное облако пустыни Кара-Кумы. Оно двигалось не спеша — десятилетиями, веками. Оно незаметно по земле подползало к становищам людей, к продуктам их труда. Оно не убивало сразу, но то, что укутывалось им, переставало существовать. Пески пустыни омертвляли все встречавшееся на пути: колодцы и сады, пастбища и бахчи, города и кишлаки, обнесенные глинобитными стенами.