Ирина Радунская – Когда физики в цене (страница 75)

Так Карно впервые сформулировал принцип, которому суждено было стать основополагающим в науке о теплоте — в термодинамике: тепло самопроизвольно течет только в одном направлении, от горячих тел к холодным. Совершенно непринужденно при этом возникает понимание невозможности создания вечных двигателей. Воду в реке нельзя повернуть вверх по течению, не затратив на это работу? Не затратив работу, невозможно вернуть для полезной деятельности и теплород.

Так Карно путем элементарных рассуждений пришел к двум гениальным для его времени результатам. Первый — это принцип, носящий его имя: о естественном течении тепла только от горячего к холодному, но не обратно. И второй результат — формула для определения кпд идеальных тепловых машин. Уподобляя теплород воде, а разность температур на входе и выходе машины — разности уровней воды в водопаде, Карно заключил: как при падении воды работа измеряется произведением веса воды на разность уровней, так и в паровой машине работа измеряется произведением количества теплорода на разность температур.

Теперь ясно — кпд идеальной тепловой машины зависит только от разности температур. И ясен путь увеличения эффективности тепловых машин: ее можно поднять за счет увеличения температуры на входе — температуры пара в котле. Или за счет понижения температуры на выходе. Очень полезно использовать специальные, остужающие пар устройства — холодильники. Если пар на выходе машины не охлаждать, а просто выбрасывать в окружающее пространство, то машина будет малоэффективна. Пример — паровоз, его кпд едва достигает 3–4 процентов.

А если температура котла и холодильника одинакова? Паровая машина вообще не будет работать. Как не даст никакой работы водяная мельница, если ее колесо опущено в стоячую воду.

Для простоты понимания Карно изложил свои результаты без помощи математики. И хотя они предельно наглядны и просты, все это осталось почти не замеченным, во всяком случае, не понятым. Карно опередил свое время.

В последующие годы Карно продолжал свой великий и скромный труд. Он отказался от гипотезы теплорода, провел новые рассуждения на основе механической теории теплоты и даже довольно точно определил механический эквивалент теплоты. Его результаты были опубликованы в 1878 году при повторном издании «Размышлений» — более чем через сорок лет после смерти автора. А через пятнадцать лет после смерти Карно великий Клаузиус, который ввел в науку многозначительное понятие энтропии, добавил свое веское слово к принципу Карно: он выразил его в виде математической формулы и возвел в ранг Второго начала термодинамики: «Теплота не может самопроизвольно перейти от более холодного тела к более теплому».

Наименование «Второе начало термодинамики» было присвоено принципу Карно потому, что за годы, прошедшие между смертью Карно и работой Клаузиуса, было выработано общее понятие «энергия» и окончательно сформулирован закон сохранения энергии, получивший название Первого начала термодинамики.

Волнение, которое вызвал постулат Клаузиуса в среде ученых, можно представить себе из того, как переформулировал его Томсон (лорд Кельвин). Он считал необходимым записать Второе начало так: «При посредстве неодушевленного тела невозможно получить механические действия от какой-либо массы вещества путем охлаждения ее температуры ниже температуры самого холодного из окружающих тел».

Что же испугало Томсона в принципе Карно, во Втором начале термодинамики? Его испугал вывод о том, что могут существовать условия, при которых невозможно превращение тепла в работу или в другие формы энергии. Ему казалось неприемлемым признание того, что в отличие от других форм энергии теплота обладает особыми свойствами, что какие-то ее количества выпадают из замкнутого круга взаимных превращений, ужасал вывод, неизбежно следовавший из этого. Неизбежный логический вывод, противоречащий всему, что казалось надежно установленным великими предшественниками. Необратимое течение тепловых процессов сулило Вселенной гибель.

Шесть долгих лет Томсон изучал проблему, прежде чем решил опубликовать результат. В 1857 году в работе «О всеобщей тенденции в природе к рассеянию механической энергии» он сообщает: принцип Карно верен, и он отражает гибельную тенденцию, властвующую над природой. Все формы энергии в конечном счете переходят в теплоту, температура всех тел стремится к выравниванию за счет охлаждения нагретых тел.

Приговор был произнесен. Он потряс и ученых и воображение широкой публики. Мир не будет существовать бесконечно. Он обречен! Клерикалы по-своему утешали обывателя: мир не мог возникнуть без помощи бога, а раз так, то бог нас не оставит. А многие ученые пытались оспорить положение Томсона-Клаузиуса — они искали примеры, противоречащие Второму началу термодинамики. Все возражения были ошибочны, все примеры содержали погрешность.

Физика попала в тупик. Каков же выход?

«Современное естествознание вынуждено заимствовать у философии положение о неуничтожаемости движения: без этого положения естествознание уже не может существовать». Так охарактеризовал поворот событий Энгельс. Еще при его жизни гениальный физик Больцман освободил природу от опеки бога. Он показал, как в природе реализуется то, что Энгельс утверждал на основе общих положений диалектического материализма — движение бесконечно, мир не умрет, не остановится в своем развитии.

Вы спросите — как же так? Второй закон термодинамики утверждает, что мир стремится к покою, а Больцман берет на себя смелость утверждать, что вопреки этому велению природы движение вечно. За счет чего же?

В результате изучения явлений природы Больцман стихийно пришел к тому, к чему диалектический материализм приводит строго научно. Он понял и объяснил парадоксальное уклонение природы от собственных запретов. Примирил теорию и реальность. Узаконил жизнь вопреки правам смерти и отнес вывод о тепловом угасании мира к области заблуждений.

Проследим же за рассуждениями Больцмана. Проделаем два мысленных эксперимента.

Нальем в сосуд две одинаковые жидкости, различающиеся только цветом, и подождем. Они самопроизвольно смешаются. Сегодня и для школьника не секрет, что это результат хаотического теплового движения частиц жидкости.

Насыплем в барабан слой белых шаров, а на них слой черных и приведем барабан во вращение. Шары постепенно перемешаются, и, вынув из любой части барабана достаточно большую порцию шаров, мы обнаружим в ней одинаковое количество белых и черных.

Если мы взглянем на уравнения, описывающие процесс, то увидим странную картину. Время входит в них симметрично: со знаком плюс и со знаком минус. Уравнения построены так, словно описываемые ими процессы могут одинаково свободно развиваться как в сторону будущего, так и в сторону прошлого! Но ведь это противоречит многовековому опыту человечества — время, как и теплота, неотвратимо течет в одну сторону, от прошлого к будущему, и нет никакой возможности не только повернуть его вспять, но и остановить хотя бы на мгновение! Разве кто-нибудь когда-нибудь видел хоть одно исключение из этого правила?

Уравнения, о которых идет речь, дают основание предположить, что, вращая барабан в обратную сторону, можно добиться разделения шаров на белые и черные, то есть вернуть систему в первоначальное состояние, в прошлое. Но в действительности этого не происходит. Не разделяются и смешавшиеся жидкости. Почему?

Уравнения утверждают: чтобы шары, смешавшиеся в барабане, вновь разделились, при вращении в обратном направлении, нужно обеспечить точное воспроизведение всех элементарных шагов. То есть каждый шар в отдельности и все вместе должны воспроизвести в обратном порядке все свои движения — возвращением в прошлое мы назвали бы точное повторение событий в обратном порядке. Точное! Но это невозможно уже потому, что «шероховатости» — мельчайшие неровности поверхности шаров — деформируются случайным образом. Вращая барабан обратно и думая, что возвращаем процесс в прошлое, мы на самом деле уводим его еще дальше в будущее, в сторону беспорядка.

Этим рассуждением Больцман не только не опроверг, но подкрепил вывод Томсона о неуклонном развитии природы от порядка к хаосу, о движении мира от состояния, при котором механическая, электрическая, химическая, тепловая и другие виды энергии распределены неравномерно, — к состоянию, в котором все и везде одинаково, и одинаково навсегда: безжизненно, невозмутимо!

Но вернемся еще раз к барабану с шарами. Взяв из него тысячу шаров, мы почти всегда будем иметь 500 белых и столько же черных. Если же вынуть два шара, то часто оба будут белыми или черными, будут одинаковыми.

И вывод: в малых частях большой беспорядочной системы может самопроизвольно возникать упорядоченность! Самопроизвольно, то есть без помощи бога, лишь по воле случая…

Случай — вот всесильный джинн, которого обнаружил Больцман.

Мысль Больцмана сводится к тому, что Вселенная, огромная совокупность звездных систем, в целом находится в состоянии теплового равновесия — в полном беспорядке и в полном соответствии со Вторым началом термодинамики. Но в отдельных ее частях, и даже в объемах, колоссальных, с нашей точки зрения, но малых по сравнению со всей Вселенной, хозяином может стать случай. Он может породить всплеск энергии, как говорят ученые, — флуктуацию. Из-за игры случая кое-где могут случайно возникнуть очаги повышенной температуры. Они дадут ту разность тепловых уровней, которая породит движение, жизнь.