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

Я попытался показать, что Природа, предоставленная самой себе, постепенно ухудшается, но в ходе этого процесса порождает локальные отклонения от хаоса, которые могут быть очень изысканными. Второе начало термодинамики кратко формулирует эту тенденцию материи и энергии к рассеянию и дает нам глубокое понимание ненаправленной движущей силы, лежащей в основе всех природных явлений. Мне кажется совершенно необычайным, что такой простой повседневный принцип может объяснять все изменения. Я показал, что приложения этого принципа включают в себя эффективность двигателей, а посредством этого и всей экономики; однако в глубине его таится вопрос, почему симметричные относительно времени законы Природы в результате дают одностороннее направление стрелы времени. Второе начало – дитя анархии, но именно оно порождает смирение и удивление.

6Творческая сила неведения

Как материя отвечает на изменения

Неведение – верный союзник бездействия и анархии. В этой главе я хочу показать, как можно творчески использовать незнание для достижения знания. Конкретный закон природы, который я хочу в этой связи осветить, изначально был одним из первых законов, нашедших количественное выражение, – это случилось, как только ученые начали осознавать, как важно описывать Природу с помощью чисел. Но понят этот закон был гораздо позже – только в конце XIX века. И родилось это понимание именно из неведения.

Закон, о котором мы говорим, касается структурно простейшей формы материи – газа. Его сформулировал Роберт Бойль (1627–1691), работавший в начале 1660-х в Оксфорде. Но француз сказал бы, что открыл этот закон Эдме Мариотт (1620–1684), и случилось это в 1679 году в Париже. А подробной разработке его подверг Жак Шарль (1746–1823), когда, как это часто случается, изучение Природы было стимулировано требованиями и возможностями технического прогресса – в данном случае растущим интересом к полетам на воздушных шарах. Сейчас формулировки этого закона представляют исторический интерес – как я уже сказал, они стали одними из первых попыток подытожить свойства вещества в виде количественных выражений, то есть способом, который позволял производить количественные подсчеты и делать предсказания. Кроме того, они легли в основу развития термодинамики и ее приложений к химическим и инженерным явлениям и процессам. В общем, они имеют большое фундаментальное и практическое значение.

Я уже привел краткую формулировку закона Бойля в главе 1 и теперь только в двух словах напомню его содержание. Бойль и независимо от него Мариотт – не забудем, что в те дни новости распространялись не спеша, – установили, что давление газа обратно пропорционально занимаемому им объему. Сократите объем, занимаемый газом, и его давление возрастет. Если вы с помощью поршня втиснете газ в половину его первоначального объема, его давление удвоится. В наши дни нам нетрудно дать качественное объяснение такому поведению газа в свете современного представления о нем как о рое молекул, непрестанно хаотически мечущихся в пустом пространстве. Когда газ сжимают, то же количество молекул размещается в меньшем объеме, но при этом они продолжают носиться с той же средней скоростью (ведь температура газа остается постоянной, а скорость молекул определяется именно температурой). Вследствие увеличения плотности молекул на протяжении того или иного интервала времени большее их число ударит в стенки контейнера. Сила, с которой молекулы воздействуют на стенки контейнера при соударении с ними, и ощущается как давление. Сила возрастает, а значит, растет давление. Проблема, однако, в том, чтобы найти количественное выражение этого закона, точное численное выражение отношения между давлением и объемом, при условии, что температура поддерживается на одном и том же уровне.