Книга Сейчас. Физика времени - Ричард А. Мюллер

Много раз мне приходилось бывать в обществе людей, которые по стандартам нашей традиционной культуры считались высокообразованными и иногда с удовольствием говорили о «безграмотности» ученых. Пару раз меня провоцировали, и я интересовался, кто из этих людей может назвать второй закон термодинамики. Ответ был холодным и отрицательным. А ведь я всего лишь сформулировал научный эквивалент вопроса – читали ли они Шекспира?

Серьезный ученый сравнивает второй закон термодинамики с творчеством Шекспира! Не уверен, что согласен со Сноу, хотя его статья и оказала большое влияние на мою жизнь (это было настольное издание для студента-первокурсника Колумбийского университета). Возможно, упомянутые Чарльзом Сноу «высокообразованные» люди никогда не слышали о втором законе термодинамики, но предполагаю, большинство из них все-таки имели достаточное представление о физике, чтобы грамотно объяснить уравнение E = mc2. Наверное, все-таки аналогом Шекспира в физике могла бы быть теория относительности.

Эддингтон вознес второй закон термодинамики еще выше, отдав ему место вершины научной мысли. Он писал:

По моему мнению, второй закон термодинамики занимает главенствующее место среди законов природы. Если кто-либо скажет, что ваша любимая теория Вселенной противоречит уравнениям Максвелла, – тем хуже для уравнений Максвелла.

Если ваша теория не подтверждается экспериментальными данными… ну что же, экспериментаторы тоже иногда ошибаются. Но если ваша теория обнаруживает противоречия со вторым законом термодинамики, я не оставляю вам никакой надежды. Ей не остается ничего другого, как рассыпаться в глубочайшем уничижении.

Эти утверждения больше звучат как отрывок из религиозного трактата, чем как заявления выдающегося ученого. Однако его экстравагантная уверенность в «главенствующем месте» второго закона имеет довольно понятное основание. В самой глубинной сути этот закон гласит, что высоковероятностные события произойдут со значительно большей вероятностью, чем события низковероятностные. Звучит как сплошная тавтология, но это правда. Вскоре мы поговорим с вами о понимании вероятностей, но для начала давайте сделаем второй закон термодинамики менее загадочным. Так что же такое энтропия?

Глава 9

Раскрываем секрет энтропии
Энтропия звучит таинственно, но это все-таки и инструмент, который обладает обычными единицами измерения: калория на градус…

Я дух, всегда привыкший отрицать. И с основаньем: ничего не надо. Нет в мире вещи, стоящей пощады, Творенье не годится никуда.

Гете, «Фауст», Мефистофель

Физика привыкла давать непонятные и абстрактные определения повседневным явлениям. Если только вы не закончили университет со степенью бакалавра по этой науке, вы можете быть незнакомы, например, с определением энергии, разработанным Эмми Нётер (см. главу 3), которое изучают в самых продвинутых курсах по физике:

Энергия – это сохраняющаяся физическая величина, сохраняемость которой обусловлена отсутствием явной временной зависимости в лагранжиане.

Не стоит и говорить, что это непохоже на то, чему нас учат в старшей школе или даже на последних курсах университета. Однако это определение оказывается очень полезным, когда возникают новые обстоятельства. Например, если вы – Эйнштейн и только что создали новые уравнения, которые назвали теорией относительности. И хотите пересмотреть сохранение энергии с помощью этих новых уравнений. Тогда вам нужно применить теорему Нётер. (Более подробно об этом понимании энергии см. Приложение 2.)

Другие физические понятия имеют столь же абстрактные и таинственные определения, которые могут оказаться полезными для ученых, но весьма туманными для нефизиков. Одно из них – как раз продвинутое определение энтропии. В самом абстрактном виде оно может быть сформулировано следующим образом:

Энтропия – это логарифм количества квантовых состояний, которого может достичь система.

Это пояснение настолько же легко для понимания, как и определение энергии, данное Нётер. Энтропия начинает казаться чем-то загадочным, совершенно недоступным для большинства людей, за исключением наиболее продвинутых в математическом отношении физиков-статистиков.

Если у вас сложилось такое представление, вы очень удивитесь, узнав, что энтропия чашки кофе составляет около 700 калорий на 1 °С. Энтропия вашего тела – примерно 100 000 калорий на градус. С небольшими познаниями в физике и химии, а также при наличии химического справочника вы вычислите энтропию большинства окружающих объектов. Если вас это заинтересовало, откройте страничку «Энтропия воды» в интернете.

Калории на градус? Те самые единицы измерения количества теплоты, которые изучают на уроках физики в старшей школе? Той теплоты, которую нужно перенести на объект, чтобы повысить его температуру. Это очень далеко от «логарифма количества квантовых состояний», правда? Ничего в этом нет также от «степени хаоса» или «неупорядоченности». Энтропия может быть окружена каким-то налетом загадочности, но это не миф. Она присутствует в нашей жизни и очень важна в технике.

Движущая сила огня

Так же как сегодня компьютерные технологии продвигают информационную революцию, паровые машины некогда двигали вперед революцию промышленную. В начале 1700-х годов паровые машины были огромными, занимающими целые здания, и неэффективными. И все-таки они были достаточно экономически результативными, чтобы, например, выкачивать воду из глубоких шахт. Быстрая модернизация техники началась с развитием конкуренции. В 1765 году Джеймс Уатт, чьим именем названа одна из разновидностей паровой машины, изобрел более экономичный и малый по размерам двигатель. В 1809 году Роберт Фултон создал целый небольшой флот паровых судов, которые сновали по шести рекам Америки и Чесапикскому заливу. В конце концов механизм удалось сделать достаточно компактным, чтобы сконструировать паровоз. Была создана протяженная транспортная система и открыт американский Запад. Но революция не остановилась. Современные угольные и газовые ТЭЦ можно назвать сильно продвинутыми вариантами паровой машины, точно так же, как и атомные электростанции, топливом для которых вместо угля служит уран, но теплоносителем по-прежнему оказывается пар.

Большинство решений, найденных на ранних этапах развития паровых машин, были эмпирическими. Джеймс Уатт, шотландский механик-изобретатель, обратил внимание на чрезвычайную неэффективность попеременного нагревания и охлаждения парового цилиндра и придумал отдельный конденсатор отработанного пара, который значительно повысил КПД устройства.

Но поистине революционного прогресса в понимании процессов работы тепла, не прибегая к утомительной череде проб и ошибок, добился молодой французский военный инженер Сади Карно. Он работал над физическими принципами паровых машин в начале XIX века и пришел к выдающимся результатам.