В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики

Но в вашем мозгу уже, вероятно, возникает вопрос – что происходит, когда в контакт друг с другом входят два объекта не с одинаковой, а с разной температурой? Здесь мы покидаем область нулевого начала, расстаемся с очарованием состояния, в котором «происходит ничто», и входим в мир законов, где это «ничто» НЕ происходит. Но прежде, чем отправиться туда в любом формальном смысле, вспомните, что из повседневного опыта вы уже знаете, что происходит: энергия течет от более горячего тела к более холодному (раскаленное железо остывает, а холодная вода нагревается), постепенно оба тела достигают некоторой промежуточной температуры и возвращаются в состояние «теплового равновесия», в котором на вид не происходит ничего. Сейчас я разовью описание этой известной черты Природы и воспользуюсь ею, чтобы представить вам еще один закон, который имеет далеко идущие последствия и тоже, ясное дело, порожден анархией.

Здесь надо познакомить вас с понятием «теплоты». В каком-то смысле сделать это несложно, потому что ее не существует. Несмотря на то что мы широко пользуемся этим словом в обычном разговорном языке, никакой «теплоты» горячее тело не содержит; оно не теряет ее и при остывании, потому что терять ему просто нечего. Многие говорят, – и вы, возможно, уже об этом подумали, – что теплота является формой энергии, но это не так. В науке теплота – это не «что-то», не предмет; это процесс. Теплота есть передача энергии вследствие разности температур. Нагревание не есть процесс увеличения теплоты объекта; это процесс, который может использоваться для увеличения его температуры (производство работы – например, усиленное перемешивание жидкости – тоже может поднять ее температуру). Если не для повара, то для ученого уж точно нагревание есть процесс передачи энергии объекту с использованием для этого разности температур; ничего такого, что можно назвать «теплотой», при этом не передается. Да, замечая, что поток теплоты имеет многие атрибуты жидкости, ее когда-то действительно считали жидкостью, называя ее caloric или теплородом (от латинского calor, что значит «тепло», что в свою очередь, если проследить этимологию этого слова вглубь времен, происходит от санскритского carad, «сбор урожая», «страда», «горячее время»). Но это было еще в начале XIX века, и такая интерпретация давно опровергнута. Все эти придирчивые замечания противоречат привычному бытовому значению слова «тепло», но в науке так обычно и бывает – она начинает с того, что берет на вооружение какое-нибудь повседневное понятие и затем придает ему новое, очищенное от бытовой окраски значение. В данном случае повседневное, «неочищенное» существительное «тепло», предполагающее возможность обладания им как некоторым свойством («эта печка дает много тепла»), претерпевает перегонку в чистый спирит, в дух процесса, в ходе которого происходит обмен энергией в результате разности температур. Педантизм может вести либо к прочистке мозгов, либо к их засорению; надеюсь, в этом случае происходит первое. Нигде не бывает так важно добиваться полной ясности в значении слов, как в науке, ведь здесь истина зависит от точности. В главе 9, где пойдет речь о роли математики в выражении законов природы, это стремление к точности будет доведено до крайней точки, и тогда мы увидим, что именно на нем основывается огромная роль математики в науке. Итак, двинемся дальше, имея в виду то значение понятия «теплота», к которому мы пришли.

Прежде всего, нам необходимо рассмотреть интерпретацию передачи энергии как тепла в терминах распределения Больцмана. Допустим, что A (железо) и B (вода) теперь имеют разную температуру: A горячее (то есть имеет более высокую температуру), чем B. Вы знаете, что это означает в наглядной форме: когда каждое из этих тел будет приведено в соприкосновение с различными телами T (различными термометрами), не произойдет ничего, при условии, что столбики ртути в каждом T имеют различную длину, соответствующую температуре A или B. Заглянем теперь под поверхность тел в потаенный мир атомов, из которых состоят A и B. Так как для каждого из них параметр, который мы называем температурой, различен, атомы A имеют иное распределение Больцмана по энергетическим уровням, чем атомы B: в горячем теле A атомы населяют более высокие энергетические уровни, чем в более холодном B.