Ирина Радунская – Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство (страница 31)

Этот закон предвидел еще Ломоносов. Окончательно сформулировал его немецкий физик Р. Майер и подтвердил справедливость многочисленными опытами. Существенный вклад в осознание закона сохранения энергии сделал Дж. Джоуль. Мы пишем «подтвердил», «осознание», потому что невозможно доказать закон сохранения энергии, исходя из более простых принципов. Он сам принадлежит к немногим наиболее фундаментальным принципам, извлеченным из наблюдения природы и из специальных опытов в полном соответствии с научным методом Ньютона.

Закон сохранения энергии фиксирует, что энергия не может возникнуть из ничего и не может исчезнуть. Она может лишь превращаться из одной формы в другую, переходить от одного тела к другому и обратно. Для любых двух видов энергии ученые обнаружили правила взаимного превращения, установили эквиваленты. Один эквивалент связывает переход механической энергии в электрическую и обратно, другой связывает электрическую энергию с энергией света — и так для любых видов энергии. Любых, за исключением одного вида.

И тут-то ученых подстерегала великая тайна природы. Хаос приоткрыл свое истинное лицо. Казалось бы, непреложная истина — всякую энергию можно полностью превратить в тепловую энергию. Известен механический эквивалент тепла, электрический эквивалент тепла и многие другие. Но… И тут начинаются сюрпризы: все они справедливы только для перехода в одну сторону, из нетепловой энергии в тепловую. Для обратного перехода — другие правила игры, другие удивительные «эквиваленты».

Их странность состоит в том, что они не являются постоянными величинами. Все зависит от условий опыта, точнее, от разности температур в начале и в конце эксперимента.

Именно это открыл Карно своими мысленными опытами над паровыми машинами. Перед каждым эквивалентом, определяющим количественную связь затраченной тепловой энергии с количеством полученной энергии другого вида, стоит универсальный множитель. Он равен разности начальной температуры процесса и его конечной температуры, разделенной на величину начальной температуры (нужно добавить, что температура при этом должна быть измерена от абсолютного нуля, иначе говоря — по шкале Кельвина). Существенно, что этот множитель всегда меньше единицы.

Заслуга Карно состоит в том, что он нашел этот закон для частного случая паровой машины, для случая превращения тепловой энергии в механическую. Но он не осознал, что этот закон имеет всеобщее применение. Он дал толчок мыслям своих последователей, не подозревая, какую драму он им уготовил.

Первым, кто догадался о страшной судьбе, обещанной миру законом, открытым Карно, был Р. Клаузиус, придавший закону Карно строгую математическую форму и указавший на универсальность этого закона, столь важного, что за ним утвердилось название Второй закон термодинамики или Второе начало термодинамики. «Второй», «Второе», потому что закон (начало) сохранения энергии был уже ранее признан Первым законом или Первым началом термодинамики.

Клаузиус обратил внимание своих коллег на то, что тепловая энергия обладает уникальным свойством самостоятельно перетекать только от более горячих тел к менее горячим. Самопроизвольно переходить в обратном направлении она не способна. Он установил, что любой вид энергии может без всякого остатка превратиться в тепловую энергию. Обратный переход возможен только частично. Часть тепловой энергии при этом навек остается тепловой энергией и, переходя от нагреть тел ко все более холодным, рассеется в мировом пространстве.

Такова, в соответствии со Вторым началом термодинамики, судьба Вселенной: все имеющиеся в ней запасы энергии, энергии любого вида, со временем превратятся в тепловую энергию. Мир будет постепенно остывать. Он будет остывать до тех пор, пока все тела в нем не охладятся до абсолютного нуля. После этого все движения, все процессы прекратятся. И ничто никогда не начнется вновь.

«Оцепенение»— пожалуй, самое подходящее слово для передачи настроения, воцарившегося в среде ученых. Правда, нашлись такие, кто воспринял это спокойно. Ведь и раньше знали, что, для того чтобы создать из хаоса порядок, нужно затратить энергию. Порядок превращается в хаос без всякой затраты энергии. При этом даже высвобождается энергия, та самая, что была затрачена ранее на достижение порядка. Примеры долго искать не надо. Чтобы превратить кучу кирпича в здание, надо затратить энергию. Без этого не поднять кирпичи на соответствующую высоту, не уложить их в требуемом порядке. Но пройдет время, и здание само по себе превратится в кучу кирпича. Еще пример? Чтобы превратить железную руду в металл, требуется огромная затрата энергии. А потом? Металл окисляется, превращается в ржавчину, в чистую руду и при этом выделяет тепло. Капля точит камень, делает из него песок, но она никогда не превратит этот песок обратно в гранит, разве что в песчаник.

Хорошо, рассуждали философы, что термодинамика объяснила нам, почему так происходит. Любое упорядочение требует затрат энергии, любой шаг от порядка к хаосу приводит к превращению части энергии в тепло, к рассеянию этого тепла. Бороться со Вторым началом термодинамики невозможно. Нужно учитывать его и по возможности уменьшать неизбежные потери.

Многие ученые, узнав о тепловой смерти Вселенной, утешали себя тем, что это наступит очень и очень не скоро. Что наши далекие потомки погибнут много раньше — когда остынет Солнце.

Они говорили: Второе начало — величайший закон природы, наконец-то он объяснил, почему время течет только в одну сторону — от прошлого к будущему. Пусть в этом будущем тепловая смерть, но мы и без того знаем, что все живое развивается от рождения к смерти. Се ля ви, вздыхали они, — такова жизнь. Такова воля божья, констатировали третьи, он создал мир и уготовил ему гибель…

Но не все физики предавались отчаянию, не все довольствовались самоутешением (нефизики — те просто ни о чем не подозревали. Газеты и журналы тех времен не интересовались наукой).

Были и такие ученые, которые указывали на непримиримое противоречие между термодинамикой и механикой Ньютона. Термодинамика (что означает — наука о движении теплоты) утверждает, что тепловые процессы идут в одну сторону, в сторону охлаждения, от прошлого в будущее. Законы же Ньютона, уравнения, основанные на этих законах, таковы, что сохраняют свою силу при любом направлении течения времени. Они позволяют вычислять не только будущее, но и прошедшее. Зная, когда поезд пришел в пункт А и с какой скоростью он двигался на каждом участке пути, сколько времени он стоял на станциях, нетрудно вычислить, когда он выехал из пункта Б.

Почему механика разрешает углубляться в прошлое, а термодинамика запрещает это? — спрашивали они. И почему все же нельзя вернуться в прошлое? В этом следует разобраться. Что же более верно отображает природу термодинамика или механика?

То, что механика, вопреки опыту, допускает обращение времени, тревожило самого Ньютона. Но верный своему девизу, он не создавал гипотез для объяснения этой тайны. А опыт не давал даже намека на какую-либо скрытую причину. В конце жизни Ньютон сослался на бога. Бог подвигнул Ньютона на создание механики и ее уравнений. Весь мир подчиняется этим уравнениям. Но одних уравнений мало. Для того чтобы вычислять, необходимо еще знать начальные условия. Знать, с чего все началось. А начальные условия задал бог, и изменить их невозможно. Поэтому все движется от начала в будущее. До начала не было ничего. Так рассуждал в старости уставший Ньютон.

Не все соглашались с этим. Ученые, как и сам Ньютон в годы, когда был полон сил, крупные ученые — теоретики и экспериментаторы, в своих лабораториях и за своими письменными столами, — выступали и выступают как материалисты. Одни стихийно, неосознанно. Другие сознательно. Богу — божье, считают те из них, кто не порвал с религией, но науке — научное.

Ссылка на начальные условия ненаучна.

Ссылка на начальные условия может стать научной, считали некоторые, если подойти к ней с позиции науки.

Дальше всех по этому пути продвинулся Людвиг Больцман, крупнейший физик-материалист прошлого века. Сознательный и убежденный материалист.

Он доказывал: невозможно задать начальные условия абсолютно точно, а значит, невозможно и получить абсолютно точные решения уравнения. А исходя из неточных решений и изменив в уравнениях Ньютона течение времени, возможно прийти к исходным начальным условиям. Решения, полученные таким способом для нулевого момента времени, будут отличаться от тех начальных условий, которые были положены в основу решений. Так, повернув к прошлому, мы придем в будущее.

На деле, пояснял Больцман, ни один механический процесс нельзя описать совершенно точными уравнениями. Положите в лотерейное колесо слой белых шаров, а на него слой черных. Теперь вращайте колесо. Шары перемешаются. Бесполезно надеяться на то, что, повернув колесо обратно точно столько раз и точно с такой скоростью, с какой мы вращали его вперед, мы добьемся того, что из хаоса восстановится порядок, что шары снова улягутся слоями, как было вначале. Мельчайшие дефекты шаров и поверхности колеса не были учтены в уравнениях. Думая, что мы ведем опыт в обратном направлении, мы продолжаем идти вперед.