В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики - Питер Эткинс

пришел Карно в самом начале XIX столетия, встретив скептическую реакцию современников. Но он оказался прав.

Существует несколько альтернативных эквивалентных формулировок второго начала термодинамики, в которых энтропия не упоминается, но которые мы теперь можем понять в свете, проливаемом на них понятием энтропии и работой Карно. Я сейчас приведу две таких формулировки – обе они иллюстрируют один из моих любимых афоризмов, который принадлежит венгерскому биохимику Альберту Сент-Дьердьи (1893–1966). Он как-то обронил, что быть ученым значит видеть то, что видели все, но думать так, как не думал никто. Уильям Томсон (лорд Кельвин Ларгский, 1824–1907; этот титул, происходящий от названия реки Кельвин, которая течет недалеко от его лаборатории в Глазго, он принял в 1892 году) видел, как видели многие до него, что паровая машина не будет работать, если у нее нет холодного теплоприемника. Но он задумался об этом и в результате предложил для второго начала термодинамики «формулировку Кельвина», из которой сумел вывести всю остальную термодинамику[35]. Мы теперь знаем, в чем здесь дело: если у вас нет холодного теплоприемника, не будет и роста энтропии, а значит, ваша машина не заработает. Еще одним ученым, который думал о том, что он видит, был Рудольф Клаузиус, – как он заметил (я здесь фантазирую, это явный анахронизм), для того, чтобы машина заработала, в нее надо встроить холодильник. Точнее, он отметил то, что все знали, но над чем никто не задумался: тепло не потечет от холодного тела к более горячему, если для этого не произвести работу. Это наблюдение он развил в то, что мы теперь называем «формулировкой Клаузиуса» второго начала. Клаузиус, как и Кельвин, тоже построил на этой формулировке свою версию термодинамики[36]. И мы теперь знаем, в чем здесь дело: если энергия в виде тепла покидает холодный объект, происходит сильное уменьшение энтропии, а когда тепло поступает в горячий объект, рост энтропии мал. В целом энтропия уменьшается, и этот процесс не является спонтанным. Для того, чтобы это произошло, необходимо произвести работу: в машину должен быть встроен холодильник. Поток энергии от холодного объекта должен быть усилен посредством совершения работы, чтобы, когда эта энергия поступает в горячий объект, рост энтропии был бы достаточен для компенсации ее снижения в холодном объекте. Здесь стоит обратить внимание, как принадлежащие Кельвину и Клаузиусу две с виду различные формулировки закона природы сливаются в одну путем введения того, что изначально считалось чисто абстрактным утверждением, заявленным в терминах энтропии. Абстракция – необыкновенно мощный инструмент объединения, казалось бы, несопоставимого, средство достижения прогресса и извлечения смысла.

Вот еще один глубокий результат такого подхода, возможно, неожиданный, – еще один вызов здравому смыслу. Можно утверждать, что самой важной составной частью двигателя является вовсе не его хитроумная инженерная начинка, а естественное окружение: воздух или река. Как вы только что видели, изменения вызываются ростом энтропии, который в двигателе достигается переносом энергии в виде теплоты в холодный теплоприемник. Если такого роста не произойдет, машина работать не будет, поэтому ее важнейшей составной частью будет место, в котором происходит рост энтропии – естественная окружающая среда. Я исхожу из этого, чтобы прийти к выводу: рост энтропии должен произойти посредством получения энергии в виде тепла; эта энергия поступает от горячего источника, и после того, как турбина или поршень производят работу, отводится в теплоприемник. Однако это поступление энергии – процесс в некотором смысле вторичный: по сути, он работает против того, чего вы пытаетесь достичь. Ведь отъем энергии в виде тепла от горячего источника дает лишь малое снижение энтропии, что вовсе не помогает работе двигателя. Получается, что эффективность двигателя в действительности зависит от его окружающей среды, а горячий источник – это вторичное, хоть и необходимое зло.

Инженеры опираются на вывод, сделанный Карно, в попытках улучшить эффективность двигателей и расширить диапазон связанных с ними устройств, таких как холодильники и тепловые насосы. Все эти технические приложения основываются на описанном мной представлении о Природе, согласно которому Вселенная постепенно остывает и сползает в состояние хаоса, не имея никакого руководящего принципа, кроме лежащих глубоко в ее фундаменте и основанных на бездействии законов, – таких как закон сохранения энергии.

* * *

Вокруг тематики этой главы остается еще несколько невыясненных вопросов, и я сейчас разберу некоторые из них – те, что попадутся под руку. Например, вопрос о том, придет ли всему когда-нибудь конец. Когда до сознания создателей термодинамики дошла суть основанного на ней понимания естественных изменений, они были потрясены открывшейся перспективой конца мира и видением его «тепловой смерти». А это не просто изменение климата.

Тепловая смерть целой Вселенной наступает, когда беспорядок становится полным и всеобъемлющим. Можно предсказать, что в результате последних тепловых судорог Вселенной вся ее энергия деградирует до состояния хаотического теплового движения (на разговорном языке просто «перейдет в тепло»), и всякая возможность дальнейшего роста хаоса, а следовательно, и возможность дальнейшего естественного изменения, будет потеряна. Все наши структуры, процессы, достижения и стремления рассеются как дым, как будто их никогда и не было. И у второго начала термодинамики не будет никаких перспектив на получение второго шанса.

Таким вполне может оказаться наше далекое будущее – мир, лишенный каких бы то ни было признаков. Возможно, оно настанет не так скоро, как опасались те, кто его предсказал. Ведь теперь мы знаем, что Вселенная не просто конечная сфера – она расширяется, причем, по всей видимости, с ускорением. Каждый день в расширяющейся Вселенной остается все больше места для хаоса. Была высказана идея, что Вселенная в один прекрасный день может начать снова сжиматься к своему первоначальному «состоянию беременности», к бесконечно малому «первичному яйцу». Какой оказалась бы в этом случае траектория изменения энтропии, неясно, но сейчас такая перспектива больше не считается возможной (впрочем, мы можем и ошибаться, когда речь идет о временных масштабах в квадриллионы лет). Я уже говорил, что наши исследования Вселенной позволяют охватить промежуток всего в несколько миллиардов лет, а на значительно более длинных шкалах времени все может выглядеть совершенно иначе (вспомним хотя бы об упомянутой мною возможности циклического времени). Никто пока не знает даже как подступиться к этим вопросам.

А если зайти с противоположного конца – от начала времен? Можно ли что-нибудь сказать об энтропии, о мере беспорядка в тот момент? Если вы примете мою изначальную посылку – что при сотворении мира ничего особенного не произошло, – вы получите ответ на этот вопрос.

До начала времен (в этой Вселенной, или, возможно, в некой предшествовавшей ей