Сергей Чумаков – Не фантастика, а наука (страница 3)
По результатам экспериментов стало понятно – такой способ лазерной обработки позволяет преобразовывать почти любые металлы, что открывает широкие перспективы применения на практике.
Фантастика? Реальность.
Демон против
Вечный двигатель. Как часто мы слышим этот интригующий термин. Любые его авторы и конструкторы, случись им соорудить нечто, что способно производить полезную работу без затрат энергии извне, вошли бы во все учебники, спровоцировали бы технологический рывок и разорили все крупные корпорации. Илон Маск, столь нелюбимый в определённых кругах, быстренько бы выкупил такую машинку и уже улетел на Марс на полученную прибыль. Но, к сожалению или счастью, в природе существуют законы, которые невозможно обойти. Давайте рассмотрим один из них – второе начало термодинамики.
Суть его достаточно проста: замкнутая система, та, на которую ничто не действует извне, не способна сама перейти из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Сгоревшее полено не может взять и воссоздать себя из золы и дыма, воду можно заморозить и разморозить вновь, хотя это не приведёт к увеличению её массы и объёма без посторонних усилий. Разбитая чашка не взлетит снова на стол и не склеится сама (а вот этого порой так не хватает :-) То есть, степень упорядоченности системы будет либо падать, либо не меняться совсем.
Однако, один из видных учёный прошлого, Джеймс Максвелл, автор знаменитых открытий в области электромагнитного излучения, придумал очень интересный эксперимент, пусть и мысленный. Вроде бы, такой опыт должен не только опровергнуть второе начало термодинамики, но и дать работоспособный принцип вечного двигателя. Суть такова: нам понадобится сосуд, разделённый на две половины. Сверху будет газ, а снизу вакуум или значительное разрежение. Пусть в перегородке имеются ворота и некий страж, который будет пропускать вниз только самые быстрые частицы из первой половины. Современники Максвелла назвали такой механизм «демоном Максвелла», указывая на мистическую природу стража. Демон своими действиями со временем позволит получить в системе очень высокую упорядоченность: в нижней половине температура вырастет, а в верхней упадёт. Таким образом мы получим источник, на базе которого легко построить вечный двигатель. Вот и всё, пала цитадель науки, вперёд в гараж и звонить Маску?
Следует учитывать вот что – демон и механизм, которым он управляет, должны будут откуда-то брать тепло для работы, а если система изолирована, то придётся использовать её ресурсы. Значит, какая-то часть остынет быстрее или не сможет нагреться до нужных величин. К тому же, в процессе отбора частиц не избежать потерь при взаимодействии с воротами и демоном. Так что мера упорядоченности, которая вроде бы должна повыситься, на самом деле останется в лучшем случае, неизменной, а в худшем всё равно упадёт.
Доводы против реальности такой схемы даёт и квантовая механика. В микромире, который по своим масштабам не соизмерим с привычным нам пространством, действуют очень специфические законы. Так, согласно принципу неопределённости Гейзенберга, страж в замкнутом сосуде не сможет точно определить скорость молекулы, которую необходимо отсечь или пропустить, значит ему не удастся наполнить другую половину только быстрыми частицами, вырастет количество ошибочных срабатываний, как бы страж не старался. Опять же, и расположение молекулы однозначно не определяется, поэтому некоторые из них могут просто не попасть в регулируемые ворота, отскакивая от краёв или банально промахиваясь.
Забавно, но даже очевидное объяснение подобного эксперимента и демонстрация универсальности законов природы не мешает и в XXI веке некоторым изобретателям предлагать свои примитивные проекты вечного двигателя. Как правило, в интерьере бедных и неухоженных мастерских и на основе того, что нашли на помойке. Их бы целеустремлённость да на полезное дело…
Относительная заметка
В нашем мире всё относительно – таков один из принципов Вселенной. Следствие из этого простого факта гораздо удивительнее, чем можно представить. И уж конечно, здесь нет ничего общего с обычными бытовыми отговорками и смыслом, который в них вкладывают кухонные философы.
В начале прошлого века наука оказалась на грани очередного интригующего открытия, которым стала теория относительности. Учёные Пуанкаре и Эйнштейн, известные ныне почти каждому, кто не прогуливал слишком много лекций по физике, предложили концепцию, которая описывала бы многие процессы во Вселенной с подходящей точностью. И одним из главных постулатов этой теории стало понятие относительности, которое неразрывно связано с постоянством скорости света и замедлением времени.
Подумайте, а как мы определяем время? По часам, это верно, но в основе этого способа лежит достаточно простой принцип. Время можно описать как промежуток между какими-то событиями, будь то движение стрелки от одной точки до другой, или как результат деления пройденного расстояния на скорость, если мы рассматриваем движущиеся объекты. Простое определение и простое математическое описание, когда речь заходит о житейских задачах, вроде того, за сколько можно дойти до остановки спокойным шагом, если до неё 100 метров. Но вот когда мы рассматриваем обычный свет, от Солнца, от фонаря или зажигалки, то сталкиваемся с удивительными особенностями.
Давайте посмотрим, что будет происходить, если два человека под фонарём бегут навстречу друг другу с разными скоростями. Для приближающегося к источнику наблюдателя и для удаляющегося, как бы быстро они это не делали, свет всегда будет обладать одинаковой скоростью, хотя может пройти при этом разные расстояния. Отсюда следует странный вывод – для одного участника забега свет будет очень быстрым, а для другого – медленным, хотя источник во всех случаях одинаков. И как же найти ответ, кто из них прав? Надо просто отказаться от концепции, что время для наблюдателей течёт абсолютно одинаково. Эта простая и логичная поправка приводит к интересным парадоксам. Если наблюдатель двигается быстро, а мы, находясь в состоянии покоя, следим за его часами, то увидим – они замедляются. А вот для движущегося человека будет казаться, что наши часы ускоряются. Более того, подобный вывод был уже многократно проверен и, обладай мы чрезвычайно точной техникой за пределами лаборатории, можно было бы попросить бегунов преодолевать дистанции с разными скоростями и регистрировать, насколько разошлись в показаниях их часы.
Раз уж мы заговорили о скорости света, то почему бы не сконструировать устройство, которое позволит человеку двигаться удивительно быстро, за секунду пролетая около 300 000 километров, то есть достигая светового барьера? И тут снова коварные законы природы, называемые нами теорией относительности, не позволят осуществиться задумке. Если у тела есть какая-то масса, отличная от нуля, то с приближением к скорости света, масса будет увеличиваться вплоть до бесконечности. А для разгона тела с подобной массой потребуется приложить бесконечную энергию
Когда вакуум не пустой
Как часто на вопрос, а что же находится в межзвёздном или межпланетном пространстве, мы получаем ответ – вакуум, пустота? Надо признать, что подобное суждение в каком-то смысле не слишком ошибочно, но уточнить всё равно необходимо – пустоты во Вселенной нет, а то, что мы в быту называем вакуумом не всегда является пространством без единого намёка на материю.
Представьте себе бутылку, ещё недавно заполненную водой. Затем жидкость выливают, и вот перед нами сосуд, в котором ничего нет. Можно сказать, что он пустой и в этом есть доля правды, если мы всего лишь задались вопросом, сколько бутылка весит. С точки зрения одного из разделов физики – механики, ошибки в терминах нет. Но в бутылке не вакуум, ведь в ней остаются молекулы воздуха. Тогда постараемся удалить из сосуда как можно больше вещества – и если давление внутри окажется гораздо ниже атмосферного, то по правилам техники и прикладных наук мы всё же устроили вакуум. Это будет очень приближённым описанием состояния – в космосе на каждый кубический дециметр, то есть литр пространства, приходится множество молекул и опять вакуум окажется не абсолютным.
Впрочем, не буду затягивать вступление, хотя без него никак. «Истинным» вакуумом считается некое состояние пространства, имеющее минимальные значения энергии. Даже если вы убрали из бутылки вообще все молекулы, то на самом микроскопическом уровне, таком, что сравним с размерами атомов, в ней всё равно существуют поля. Вы наверняка сталкивались с проявлениями полей в обычном, макроскопическом мире, мире вещей гораздо больших, чем элементарные частицы. Например, если пытаться совместить магниты одинаковыми полюсами, то явно можно почувствовать сопротивление. При этом, проведя между магнитами листом бумаги или пластмассовой ручкой, можно убедиться, что никакого особого веществами в зазоре нет, а сила отталкивания всё равно существует. То есть, поле проявляет себя в виде некоторого взаимодействия, которому не нужно вещество для передачи на расстояние. Конечно, раз поле может действовать, то оно обладает энергией.
В квантовом мире всё чуть сложнее, и перед нами один из феноменов квантового поля. Благодаря ему можно ввести понятие физического вакуума.