Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен Страница 21

Использование низкой энтропии с помощью двигателей

Увеличение энтропии, таким образом, служит мерой снижения полезности теплоты.

Все это может показаться надуманным. Но пример с многокомнатным домом позволяет понять любую систему, где рассеивается теплота. Это некое подобие современного мира. Мы высвобождаем теплоту, сконцентрированную в ископаемом топливе, атомных ядрах, солнечном свете, геотермальных источниках и ветре. При ее перемещении мы преобразуем часть ее в работу, которая обеспечивает функционирование различных систем в наших домах, а также заводов и транспорта.

Жизнь также подчиняется этому закону. Растения живут, рассеивая солнечную энергию, а животные — рассеивая калории, получаемые из пищи.

Формула ΔS > = 0 лежит в основе всего.

В 1865 году Клаузиус пересмотрел два начала термодинамики, которые впервые сформулировал в статье, опубликованной пятнадцатью годами ранее. Вместо слова “сила” он использовал термин “энергия”, а также ввел понятие “энтропия”. Его законы гласят:

1. Энергия вселенной неизменна.

2. Энтропия вселенной стремится к максимуму.

(Под “вселенной” здесь понимается любая закрытая или изолированная система. Однако, поскольку за пределами Вселенной, в которой мы живем, ничего не существует, ее энергия также неизменна, а энтропия увеличивается. На интуитивном уровне второй закон можно сформулировать следующим образом: энтропия любой закрытой системы стремится к увеличению.)

Два этих лаконичных утверждения свидетельствуют о глубине человеческого ума и воображения. Они представляют собой не менее важную научную веху, чем законы движения Ньютона, которые были сформулированы двумя столетиями ранее.

С 1865 года, когда Клаузиус опубликовал эти законы, они остаются на переднем крае физики, помогая людям лучше понимать все, от атомов и живых клеток до черных дыр. Они наглядно демонстрируют силу человеческого разума и воображения.

Однако научные принципы могут неверно трактоваться и применяться, даже если сами по себе они верны. Когда термодинамика вышла на мировую арену, она оказалась ору-днем в борьбе с последними идеями в другой области науки. В споре сошлись два титана британской мысли XIX века — Уильям Томсон и Чарльз Дарвин.

* * *

“Один вид превращается в другой”. Чарльз Дарвин записал эту фразу в 1837 году после пятилетнего плавания в качестве натуралиста на корабле “Бигль”. Увиденное в Южной Америке, на Галапагосских островах, а также в других местах убедило его, что виды мутируют друг в друга, причем движущей силой этого процесса выступает конкуренция за ресурсы и другие факторы внешней среды. Понимая гигантский размах своих идей, следующие два десятка лет Дарвин накапливал данные для их подкрепления. Кроме тех образцов, которые он сам видел и собирал в путешествиях, он знакомился с работами других натуралистов, в деталях изучал домашнее животноводство и документировал разнообразие форм усоногих раков, вьюрков и жуков.

Этот аккуратнейший из ученых был уверен, что Земля неизмеримо стара. Путешествуя на “Бигле”, Дарвин читал первый том “Основ геологии” шотландца Чарльза Лайеля, который по-прежнему считается одним из основателей этой области науки. В книге продвигалась концепция униформизма, которая гласила, что такие природные процессы, как погода, приливы и эрозия под действием ветра и воды, постепенно сформировали поверхность нашей планеты. Более того, Лайель утверждал, что, поскольку эти процессы идут крайне медленно — представьте, например, как размывается береговая линия, — возраст Земли составляет многие сотни миллионов лет. Эта идея противоречила катастрофизму, сторонники которого полагали, что Земля молода, а ее поверхность сформировалась в результате катастрофических событий планетарного масштаба — землетрясений, извержений вулканов и наводнений гораздо большей силы, чем когда-либо видели люди. Многим авторам, особенно в Великобритании, казалось, что последняя теория перекликается с библейским описанием Всемирного потопа.

Дарвин понимал, что эволюция путем естественного отбора занимает миллиарды лет, и униформистские аргументы Лайеля давали ему необходимое время. В “Происхождении видов”, опубликованном в 1859 году, Дарвин признает, что при малом возрасте Земли его теория лишается смысла. Любой, кто не согласен с униформизмом, гласящим, что планета стара и меняется медленно, “может сразу закрыть эту книгу”. Когда Дарвин писал эти слова, он понимал, что теологи и геологи, которые по-прежнему придерживались катастрофизма, не согласятся с его идеями. Однако он и представить не мог, что целых 23 года, до самой смерти, его будут мучить математические уравнения термодинамики.

Со студенческой скамьи Уильям Томсон интересовался геологией и пытался понять, может ли физика пролить свет на загадки этой науки. В его время эти дисциплины не были формально разделены, и он полагал, что физические законы, открытые в лаборатории, применимы к Земле и Вселенной в целом. К 1850-м годам он пришел к выводу, что доктрина униформизма имеет изъяны, и стал публиковать свою критику в научных журналах, которые редко читали неспециалисты. В конце 1860 года, через год после публикации “Происхождения видов”, Томсон сломал ногу. Прикованный к постели, он много времени посвящал раздумьям и заключил, что униформисты ошибаются, а следовательно, ошибается и Дарвин. Он отправил первую из многих статей с критикой теории английского натуралиста в Macmillan s Magazine — журнал, рассказывавший о современной литературе образованным обывателям. (Среди прочих там публиковались Альфред Теннисон и Редьярд Киплинг.)

Томсон был человеком веры, но не имел ничего общего с библейскими буквалистами, которые считали, что возраст Земли составляет 6000 лет. Он полагал, что идея о древней Земле, где изменения происходят медленно, прямо противоречит научным принципам, над установлением которых он так упорно работал: что энергию невозможно ни создать, ни уничтожить и что теплота склонна рассеиваться. Томсон утверждал, что, применяя эти законы, можно будет выяснить примерный возраст Земли и узнать, достаточно ли она стара, чтобы успела произойти эволюция.

В апреле 1862 года он опубликовал статью, в которой написал, что термодинамический анализ распространения тепла по Земле непосредственным образом показывает, что планета моложе, чем полагают униформисты, а вслед за ними и Дарвин. Статья начинается так: “Геологи не учитывают основополагающие начала термодинамики”. Томсон главным образом ссылался на рассеяние теплоты. Наблюдения в шахтах и тоннелях показывали, что температура Земли повышается по мере углубления в ее недра. Друг Томсона, шотландский физик Джеймс Дэвид Форбс, провел измерения в Эдинбурге и его окрестностях и пришел к выводу, что температура суши повышается на 1 °F при углублении на каждые 50 футов. Это убедило Томсона, что Земля остывает, теряя теплоту, которая уходит в атмосферу.

Применив изящные математические формулы, Томсон сравнил измерения Форбса с другими данными о теплопроводности и температуре плавления породы. Даже признав ненадежность данных, он пришел к выводу, что возраст Земли составляет от 20 до 400 миллионов лет. Для эволюции этого было слишком мало. Даже если верной была бы вторая цифра, Томсон утверждал, что на протяжении большей части своего существования Земля была бы гораздо горячее, чем сейчас. Еще около 20 миллионов лет назад температура планеты была бы настолько высока, что Земля представляла бы собой расплавленную породу. Эволюция же предполагала, что Земля миллиарды лет была примерно такой, как сейчас, и это противоречило логике термодинамики.