Ирина Радунская – Предчувствия и свершения. Книга 1. Великие ошибки (страница 19)

Очень полезно использовать специальные, остужающие пар устройства — холодильники. Если пар на выходе машины не остужать, а просто выбрасывать в окружающее пространство, такая машина будет очень малоэффективна. Пример — локомотив, его КПД едва достигает трех-четырех процентов.

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

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

В последующие годы Карно продолжал свой кропотливый труд. Он отказался от гипотезы теплорода и провёл новые рассуждения на основе механической теории теплоты и даже довольно точно определил механический эквивалент теплоты, то есть количество работы, которое можно получить из единичного количества теплоты. Результаты исследований были опубликованы в 1878 году при повторном издании «Размышлений» — более чем через сорок лет после смерти Сади Карно. А ещё через пятнадцать лет после этого Клаузиус, который ввёл в науку многозначительное понятие энтропии, добавил своё веское слово к принципу Карно: он выразил его в виде математической формулы и возвёл в ранг Второго начала термодинамики, сформулировав в виде следующего постулата: «Теплота не может самопроизвольно перейти от более холодного тела к более тёплому».

Наименование Второго начала 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 учёных, можно представить себе из того, как переформулировал его Томсон (лорд Кельвин). Он считал необходимым записать его так: «При посредстве неодушевлённого тела невозможно получить механические действия от какой-либо массы вещества путём охлаждения её температуры ниже температуры самого холодного из окружающих тел».

Ужас тепловой смерти

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 её количества выпадают из замкнутого круга взаимных превращений.

Ничего подобного с другими видами энергии не происходило! Томсона поразило особое место теплоты среди других форм энергии. Его ужасал вывод, неизбежно следовавший из этого. Неизбежный логический вывод, противоречащий всему, что казалось надёжно 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 драматический вывод: 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 счёт охлаждения нагретых тел. Это приводит к снижению работоспособности всех процессов, к тепловой смерти!

Вот когда энтропия показала своё истинное лицо. Энтропия, что означает в переводе «изменение», всегда стремится к нулю… Мир стремится к покою…

Теперь мы можем понять, почему Томсон, воспитанный в уважении к законам природы, ещё в 1851 году ввёл в формулировку Второго постулата термодинамики оговорку о неодушевлённых телах. Он не надеялся ни на что, кроме чуда или бога.

Клаузиус пропагандировал вывод Томсона и изложил его в чёткой математической форме.

Приговор был произнесён. Он потряс учёных и воображение широкой публики. Мир не будет существовать бесконечно. Он обречён.

Клерикалы утешали обывателя: мир не мог возникнуть без помощи бога, а раз так, то бог нас не оставит.

Многие учёные 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. Ещё 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 умрёт, не остановится в своём развитии.

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

Как большинство крупных учёных, Больцман был материалистом. В результате изучения явлений природы он стихийно пришёл 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 отнёс вывод о тепловом угасании мира к области заблуждений.

Проследим же за рассуждениями Больцмана. Проделаем два мысленных эксперимента:

1. Нальём в сосуд две одинаковые жидкости, различающиеся только цветом, и подождём. Они самопроизвольно смешаются. Сегодня и для школьника не секрет, что этот процесс является результатом хаотического теплового движения частиц жидкости. Процесс можно описать формулами.

2. Заложим в барабан слой белых шаров, а на них слой чёрных и приведём барабан во вращение. Шары постепенно перемешаются. Для науки и этот процесс — не загадка. Он описывается уравнениями. Если мы взглянем на эти уравнения, то увидим странную картину. Время может входить в них симметрично: со знаком плюс и со знаком минус. Уравнения механики написаны так, словно вращение барабана в обратную сторону снова разделит на слои смесь шаров, словно бы описываемые формулами процессы могут одинаково развиваться как в сторону будущего, так и в сторону прошлого. Но ведь это противоречит многовековому опыту человечества. Время, как и теплота, неотвратимо течёт только в одну сторону. Время течёт от прошлого к будущему, и нет никакой возможности не только повернуть его вспять, но и остановить хотя бы на мгновение!

Любой объект, принадлежи он мёртвой или живой природе, предоставленный сам себе, развивается в одном, вполне определённом направлении. Разве кто-нибудь когда-нибудь видел хоть одно исключение из этого правила?

Значит, уравнения механики лгут? Ведь они дают основание предположить, что, вращая барабан в обратную сторону, можно добиться разделения шаров на белые и чёрные, то есть вернуть систему в первоначальное состояние, в прошлое. Но в действительности этого не происходит. Не разделяются и смешавшиеся жидкости. Почему?

Чтобы, в соответствии с уравнениями механики, шары, смешавшиеся в барабане, при вращении в обратном направлении вновь разделились, вновь образовали структуру слоёв, нужно обеспечить точное воспроизведение всех элементарных шагов. То есть каждый шар в отдельности и все вместе должны пройти в обратном направлении в точности ту же дорогу, шаг в шаг, воспроизвести в обратном порядке все свои движения. Ведь 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 столь сложным случайным образом, что совершенно невероятно точное обратное воспроизведение каждого шага. Вращая барабан обратно и думая, что мы возвращаем процесс в прошлое, мы на самом деле уводим его ещё 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, жизнеспособно, к состоянию, в котором всё и везде одинаково, и одинаково навсегда: безжизненно, невозмутимо.

Мы проследили первый этап рассуждений Больцмана. Узнали, почему ни один процесс в мире не может возвратить себя в прошлое. Теперь разберёмся, каким же образом мир, идя к смерти, возвращает себя к жизни?

Вернёмся ещё раз к барабану с шарами. Возьмём из него много шаров — скажем, тысячу. И обязательно, поверьте, в этой порции будет содержаться почти равное число белых и чёрных шаров. В большинстве случаев их будет по пятисот каждого цвета.

А вот вынув всего два шара, мы не сможем уверенно предугадать цвет. Оба могут оказаться разного цвета, но оба могут быть белыми или чёрными. То есть в большой порции шаров царит тот же беспорядок, хаос, что и во всём барабане. А вот в малой порции может обнаружиться порядок, словно бы результат умысла. Вывод: в малых частях большой беспорядочной системы может самопроизвольно возникать упорядоченность! Самопроизвольно, то есть без помощи бога, лишь по воле случая!