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

Существует несколько альтернативных эквивалентных формулировок второго начала термодинамики, в которых энтропия не упоминается, но которые мы теперь можем понять в свете, проливаемом на них понятием энтропии и работой Карно. Я сейчас приведу две таких формулировки – обе они иллюстрируют один из моих любимых афоризмов, который принадлежит венгерскому биохимику Альберту Сент-Дьердьи (1893–1966). Он как-то обронил, что быть ученым значит видеть то, что видели все, но думать так, как не думал никто. Уильям Томсон (лорд Кельвин Ларгский, 1824–1907; этот титул, происходящий от названия реки Кельвин, которая течет недалеко от его лаборатории в Глазго, он принял в 1892 году) видел, как видели многие до него, что паровая машина не будет работать, если у нее нет холодного теплоприемника. Но он задумался об этом и в результате предложил для второго начала термодинамики «формулировку Кельвина», из которой сумел вывести всю остальную термодинамику[35]. Мы теперь знаем, в чем здесь дело: если у вас нет холодного теплоприемника, не будет и роста энтропии, а значит, ваша машина не заработает. Еще одним ученым, который думал о том, что он видит, был Рудольф Клаузиус, – как он заметил (я здесь фантазирую, это явный анахронизм), для того, чтобы машина заработала, в нее надо встроить холодильник. Точнее, он отметил то, что все знали, но над чем никто не задумался: тепло не потечет от холодного тела к более горячему, если для этого не произвести работу. Это наблюдение он развил в то, что мы теперь называем «формулировкой Клаузиуса» второго начала. Клаузиус, как и Кельвин, тоже построил на этой формулировке свою версию термодинамики[36]. И мы теперь знаем, в чем здесь дело: если энергия в виде тепла покидает холодный объект, происходит сильное уменьшение энтропии, а когда тепло поступает в горячий объект, рост энтропии мал. В целом энтропия уменьшается, и этот процесс не является спонтанным. Для того, чтобы это произошло, необходимо произвести работу: в машину должен быть встроен холодильник. Поток энергии от холодного объекта должен быть усилен посредством совершения работы, чтобы, когда эта энергия поступает в горячий объект, рост энтропии был бы достаточен для компенсации ее снижения в холодном объекте. Здесь стоит обратить внимание, как принадлежащие Кельвину и Клаузиусу две с виду различные формулировки закона природы сливаются в одну путем введения того, что изначально считалось чисто абстрактным утверждением, заявленным в терминах энтропии. Абстракция – необыкновенно мощный инструмент объединения, казалось бы, несопоставимого, средство достижения прогресса и извлечения смысла.

Вот еще один глубокий результат такого подхода, возможно, неожиданный, – еще один вызов здравому смыслу. Можно утверждать, что самой важной составной частью двигателя является вовсе не его хитроумная инженерная начинка, а естественное окружение: воздух или река. Как вы только что видели, изменения вызываются ростом энтропии, который в двигателе достигается переносом энергии в виде теплоты в холодный теплоприемник. Если такого роста не произойдет, машина работать не будет, поэтому ее важнейшей составной частью будет место, в котором происходит рост энтропии – естественная окружающая среда. Я исхожу из этого, чтобы прийти к выводу: рост энтропии должен произойти посредством получения энергии в виде тепла; эта энергия поступает от горячего источника, и после того, как турбина или поршень производят работу, отводится в теплоприемник. Однако это поступление энергии – процесс в некотором смысле вторичный: по сути, он работает против того, чего вы пытаетесь достичь. Ведь отъем энергии в виде тепла от горячего источника дает лишь малое снижение энтропии, что вовсе не помогает работе двигателя. Получается, что эффективность двигателя в действительности зависит от его окружающей среды, а горячий источник – это вторичное, хоть и необходимое зло.

Инженеры опираются на вывод, сделанный Карно, в попытках улучшить эффективность двигателей и расширить диапазон связанных с ними устройств, таких как холодильники и тепловые насосы. Все эти технические приложения основываются на описанном мной представлении о Природе, согласно которому Вселенная постепенно остывает и сползает в состояние хаоса, не имея никакого руководящего принципа, кроме лежащих глубоко в ее фундаменте и основанных на бездействии законов, – таких как закон сохранения энергии.

* * *