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

Продолжая мой рассказ о втором начале и показывая вам, как потеря формы может породить форму, служить основой для торжественного шествия эволюции и обуславливать возникновение и отвратительного, и изысканного, я должен прежде всего добиться, чтобы вы приняли как данность: у вещества и энергии есть естественная склонность к беспорядку. Здесь существуют глубокие вопросы, к которым мне надо будет еще вернуться, но пока что, надеюсь, вы можете принять как очевидное: если атомы и молекулы способны бродить по своей воле, – а это значит, что ничто не направляет их движения в какую-то определенную сторону и ничто не заставляет их объединяться каким-то определенным образом, – тогда гораздо более вероятно, что любая структура разрушится и перейдет в состояние беспорядка, чем что беспорядок сам собой соберется в структуру. Таким образом, гораздо вероятнее, что молекулы газа, выпущенные в угол контейнера, распространятся по всему объему контейнера, чем что молекулы газа, равномерно заполняющие контейнер, без всякого внешнего вмешательства набьются в один его угол. Конечно, вы могли бы затолкать их в этот угол с помощью какого-нибудь устройства с поршнем, но это и было бы внешним вмешательством, запрещенным в изолированной системе. Подобным же образом гораздо более вероятно, что энергия бурно вибрирующих атомов в горячем железном бруске передастся соседним атомам окружaющей брусок среды и рассеется в ней, чем что случайные столкновения внешних молекул среды приведут к накоплению энергии в бруске, и он нагреется за счет своего более холодного окружения. Опять-таки, вы могли бы, конечно, изловчиться и придумать способ нагреть брусок, используя энергию его окружения, но все такие уловки являются внешним вторжением, а это в изолированной системе запрещено.

* * *

Итак, для вещества и энергии направлением естественного изменения является беспорядочное рассеяние, не связанное никакими законами, кроме всемогущего, порожденного бездействием, закона сохранения энергии. Эту мысль можно выразить и иначе: хотя количество энергии во Вселенной остается неизменным, ее качество имеет тенденцию к ухудшению. Энергия, сконцентрированная в одном месте, обладает высоким качеством в том смысле, что она может быть использована для производства множества вещей (представьте себе, к примеру, литр бензина); освобожденная и рассеянная (например в результате сгорания), эта энергия по-прежнему где-то существует, но теперь она уже гораздо менее полезна. Газ, находящийся в цилиндре под высоким давлением, несет запас локализованной высококачественной энергии, ведь его молекулы с большой скоростью носятся в замкнутом объеме пространства. Но это качество упадет, если выпустить газ из цилиндра и дать энергии его молекул рассеяться. В этом вся суть термодинамики: количество энергии сохраняется, но ее качество ухудшается.

Энтропия просто-напросто есть мера этого качества – причем высокая энтропия соответствует низкому качеству. Энтропия горючего низка, тогда как энтропия продуктов его сгорания высока. Энтропия сжатого газа низка, но после того, как он разлетелся в разные стороны, его энтропия повысилась. Поэтому формула «количество сохраняется, качество падает» превращается в «энергия сохраняется, энтропия растет». Подобным же образом шуточное определение «дела идут все хуже» превращается в более формальное «энтропия стремится к увеличению».

Когда в 1850-х понятие энтропии вошло в научный обиход, все были изрядно озадачены его происхождением. Ученых Викторианской эпохи вполне устраивало постоянство энергии: ведь (как им казалось) ей и не надо было откуда-то появляться с тех пор, как Создатель обеспечил Вселенную таким ее количеством, которого, по Его мнению и согласно Его бесконечной мудрости, как раз достаточно для вечного удовлетворения всех наших потребностей. А вот энтропия, казалось, появилась ниоткуда. Неужели акт Творения все еще продолжается? Неужели существует таинственный, глубокий и неистощимый колодец с энтропией, которая понемногу заливает все сущее, становясь доступной нашему восприятию со скоростью, отмеренной все тем же бесконечно мудрым Создателем? На выручку этому приемлемому в рамках культуры, но упрощенному представлению о природе вещей, как и во множестве других случаев, пришла наука в форме молекулярного понимания энтропии.

* * *