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

В главе 1 я ввел понятие «предельного закона» – закона, который становится все более и более надежным по мере того, как количество описываемой им субстанции уменьшается, и превращается в совершенно точный, когда она исчезает совсем. Закон идеального газа – как раз такой «предельный» закон, в том смысле, что он становится все более надежным по мере того, как давление газа понижается до нуля или, что эквивалентно, когда объем, занимаемый газом, стремится к бесконечности. Этот закон описывает «идеальную газовость», поведение, которое наблюдалось бы, если бы не существовало никаких усложняющих ситуацию обстоятельств. Например, молекулы газа на короткое время «слипаются» друг с другом вместо того, чтобы летать совершенно свободно. Или вдруг оказывается, что пространство, которое могла бы занять молекула во время своих хаотических метаний в объеме контейнера, уже занято другой молекулой. Если занимаемый газом объем очень велик, молекулы встречаются так редко (а если перейти к пределу, к бесконечному объему пространства между молекулами, то и вообще никогда), что они как бы перестают обращать внимание на присутствие друг друга. На практике это означает, что закон идеального газа идеально выполняется в пределе бесконечного объема или нулевого давления. Короче говоря, все газы точно следуют закону идеального газа, только когда их вообще нет.

Несмотря на последнее замечание, предельные законы далеко не бесполезны. Как и многие другие такие законы, закон идеального газа оказывается хорошей отправной точкой для исследования реальных систем, в данном случае всех газов в повседневных условиях, со всеми их индивидуальными особенностями и ограничениями, с необходимостью приспособления к более сложным вариантам их поведения. Это немного похоже на ситуацию, когда на карте прокладывают идеальный маршрут между двумя точками по прямой, – по такому маршруту, который дает хорошее начальное представление о путешествии, может лететь разве что ворона, а на практике вам придется добираться по окрестным дорогам, которые существуют в действительности. Прямая линия – это «предельный» маршрут в отсутствие различных помех ландшафта. Так и здесь – на практике оказывается, что закон идеального газа надежно работает при нормальных давлениях, встречающихся в реальной жизни, а отклонения от него придется принимать во внимание либо для очень точных работ, либо когда давление аномально высокое, либо когда температуры настолько низки, что газ вот-вот сконденсируется в жидкость. В действительности закон идеального газа имеет огромное значение потому, что на нем основан весь формализм термодинамики и ее приложений. Какое бы выражение вам ни понадобилось записать, начинать придется именно с него.

Все «предельные законы» в науке выражают некоторую «идеальную сущность» определенной физической величины, и все служат разумной и полезной точкой отсчета для описания более сложных случаев поведения. Те из них, о которых я часто думаю, но сейчас только кратко упомяну, касаются свойств смесей жидкостей и воздействия растворенных субстанций на свойства растворителей. Большинство этих законов было установлено еще на заре химической науки; они носят имена своих открывателей, в числе которых английский химик Уильям Генри (1774–1836), занимавшийся растворимостью газов в жидкостях – например, при производстве содовой воды и шампанского или в случаях кессонной болезни у ныряльщиков. Или французский химик Франсуа-Мари Рауль (1830–1901), который изучал воздействие растворенного вещества на свойства раствора, – например, влияние соли в растворе на точку замерзания воды. Или голландский химик Якоб Вант-Гофф (1852–1911), исследовавший столь важное для жизни свойство осмоса (это слово происходит от греческого «толчок»), способности раствора прокладывать себе путь сквозь мембрану. Это свойство, помимо всего прочего, поддерживает жизнь и питание биологических клеток, спасает растения от увядания и обеспечивает деревья питательными веществами [41]. Если не считать того, что эти законы иллюстрируют легкость, с которой ранняя академическая пташка может склевать червячка бессмертия, стоит только вовремя заметить простую систематичность в поведении материи, – да еще, быть может, свидетельствуют о вдохновляющей роли международного сотрудничества в научных исследованиях, ни один из них не имеет прямого отношения к нашему текущему обсуждению. Да и вообще, они имеют значение только для специалистов по физической химии, вроде меня. Происхождение всех этих трех законов можно проследить вплоть до анархического обрушения в хаос, выражаемого вторым началом термодинамики. Если совсем коротко, то растения бы завяли, посевы засохли на корню, и мы с вами умерли бы, не будь этих простых следствий из второго начала. И тогда, после исчезновения всего живого, они и стали бы истинно предельными.

* * *