Холодильник Эйнштейна

Разбираясь в исторических и научных аспектах этой истории, я обращался к опыту множества людей. Доктор Дэниел Митчелл, научный сотрудник и директор Центра исторических исследований в Филадельфии, оказал мне бесценную помощь, особенно при работе над первыми двумя третями книги. В моем стремлении найти интуитивные объяснения многим научным концепциям меня активно поддерживал профессор астрофизики Университета Глазго Грэм Уоан. Большое спасибо доктору Джиму Шейху, который помог мне объяснить эксперименты Джеймса Клерка Максвелла в области кинетической теории. Работая над главой об Алане Тьюринге и морфогенезе, я получал бесценные советы Джереми Грина, профессора биологии развития Королевского колледжа Лондона. Огромное спасибо профессору Даниэлле Джордж из Манчестерского университета и профессору Радже Сенгупте из Университета Калифорнии в Беркли, которые сделали замечания к главам о теории информации и демоне Максвелла. При работе над последней главой о черных дырах я обращался за советами к доктору Соунаку Бозе из Гарвард-Смитсо-новского центра астрофизики. Я также благодарен Ехонадаву Бекенштейну, который выделил время, чтобы поговорить со мной о своем отце Джейкобе, что помогло мне при создании этой главы.

Огромное спасибо Саймону Шефферу, профессору истории науки из Кембриджского университета. Он терпеливо комментировал и правил многие страницы этой книги, а его страсть к истории науки и великолепное владение темой во многом вдохновили меня на создание этой книги.

И самое большое спасибо я говорю своему другу Эндрю Смиту, который интеллектуально и эмоционально поддерживал меня, вместе со мной переживая все взлеты и падения при работе над книгой. Немногим писателям выпадает счастье иметь в друзьях человека с безупречным вкусом, удивительной прозорливостью и способностью вдохновлять, которыми обладает Эндрю. Приложение 1

Цикл Карно

Сади Карно не просто хотел показать, что максимальное количество движущей силы, которое может быть получено из заданного теплового потока, определяется разницей температур нагревателя и охладителя. Он также хотел определить максимальное количество движущей силы М, которое машина может произвести из заданного теплового потока Н. (Если поделить М на Н, получится эффективность машины.) Для этого Карно построил абстрактную модель и описал, как будет работать идеальная машина. На практике сконструировать такую машину невозможно, но она позволяет определить верхний предел эффективности любого теплового двигателя.

Карно уже продемонстрировал, что эффективность идеальной машины не зависит от рабочего вещества. В связи с этим он предложил использовать вещество, свойства которого физики хорошо понимали, поскольку занимались его изучением с XVII века. Этим веществом стал атмосферный воздух. Его поведение при нагревании, охлаждении, сжатии и расширении подчиняется известным математическим законам. Воздух подобен большинству газов, однако, поскольку он остается в газообразном состоянии даже при температуре значительно ниже 0 °C, законы, описывающие его поведение как газа, действуют в широком диапазоне температур. (Те же самые законы перестают действовать, когда пар превращается в жидкость при 100 °C.)

Особый интерес для Карно представляли два аспекта поведения воздуха. Первым был неожиданный факт, что температуру воздуха можно увеличить или уменьшить, не изменяя количество содержащейся в нем теплоты.

Представьте цилиндр вроде того, что используется в паровой машине. Он стоит вертикально, и поршень ходит в нем вверх-вниз. Цилиндр герметично закрыт, поэтому теплота не может ни входить внутрь, ни выходить наружу. Теперь надавите на поршень и сожмите воздух, чтобы он занял, скажем, половину первоначального объема. Газ будет сопротивляться — вам придется приложить усилие, чтобы передать поршню движущую силу, — однако в результате сжатия температура воздуха поднимется примерно на 60 °C.

Такое сжатие, при котором теплота не поступает в газ и не покидает его, называется адиабатическим. Адиабатическое сжатие обратимо. Сжав воздух, отпустите поршень и позвольте воздуху расшириться и передвинуть поршень в исходное положение. Пока цилиндр герметично закрыт, газ будет остывать до первоначальной температуры и отдавать то же количество движущей силы, которое вы сообщили ему при сжатии. Поскольку теплота не поступает в газ и не покидает его, такой процесс называется адиабатическим расширением.

Второй аспект поведения воздуха, интересовавший Карно, связан с тем, что происходит, если теплота из нагревателя все же поступает в газ. Это может и повышать температуру газа, и приводить к его расширению, в результате чего газ начинает давить на стенки резервуара. Такое расширение толкает поршень паровой машины. Карно заключил, что для достижения максимальной эффективности вся теплота, поступающая в цилиндр, должна расходоваться на расширение газа, и никакая часть этой теплоты не должна уходить на повышение его температуры.