Второе начало термодинамики (навеяно Петриком)

В Сети появился забавный призыв ко всем фрикам и альтернативщикам — объединяться под знаменем Петрика против представителей «официозной» науки (заодно низвергнуть ее главного кумира — Эйнштейна). Ссылку не даем, рекламы не заслужили. Ругаемые в этом тексте представители «официозной» науки — Кругляков, Захаров, Александров, а также их «инквизиторская» Комиссия по борьбе с лженаукой и фальсификацией научных исследований. Надежда и «луч света в темном царстве» — Виктор Петрик, самородок и народный гений.

Ну, скажут, сколько можно писать о Петрике?! Он у всех уже в зубах навяз! А сколько можно говорить об отупляющем действии телевидения, о засилии «попсы», развращающей роли желтой прессы и т.п.? Всё это — реалии нашей жизни, хотя и разного масштаба, упрямые факты, и обойти их молчанием зачастую невозможно. Но можно использовать энергию и харизму «народных гениев» в «мирных целях», а именно — в просветительских. С какой стати я стал бы рассказывать читателям про такую банальщину, например, как закон сохранения импульса — как он связан с симметрией окружающего мира, как он демонстрирует себя в разных явлениях. А вот когда «талантливые самородки» с административным ресурсом запускают спутник с «гравицапой» на борту, призванной «посрамить» этот самый закон, — тут самое время рассказать и напомнить! Информационный повод! Но «гравицапа» — дело прошлое, а сейчас героем дня у нас Петрик, особенно в связи с предстоящим судом над вышеперечисленными «представителями официозной науки» по его иску.

Смотрим видеозапись интервью с г-ном Петриком[1], где он, в частности, перед стендом «Преобразование тепловой энергии в электрическую» говорит следующее:

«Внимание, я вам демонстрирую, что это такое. Я подсоединил этот элемент. Мы получили некий потенциал. <...> От чего же зависит количество, вырабатываемое на этих элементах? Показываю: Я беру фен обыкновенный, включаю его <...>А теперь смотрите,я направляю поток теплого воздуха, посмотрите реакцию стрелки (стрелка медленно движется) <...> О чем это говорит? Что именно тепло в данном случае вырабатывает электроэнергию. Теперь головной ответ на ваш вопрос. Это открытие, но это открыто явление, не более. Это какие-то опытные образцы — вот горящая вечно лампочка. А когда я сегодня пытаюсь соединить эти элементы последовательно, чтобы получить работу какую-то серьезную, то у меня нарастает внутреннее сопротивление, то есть куча какой-то инженерной работы. Теперь на минутку представьте, что мы преодолеем эти препятствия и решим проблему. Вот тогда можно говорить, что это новая эра существования человека. При условии, что удастся преодолеть эти препятствия. Но обратите внимание, что это потрясающее явление».

Здесь народный гений «дает прикурить» второму началу термодинамики (далее — ВНТД). Для людей, знакомых с физикой на уровне первого курса, комментариев уже не требуется. Петрик предлагает не что иное, как вечный двигатель второго рода, и с уровнем его компетентности в физике всё становится ясно. Однако, вероятно, не все читатели ТрВ-Наука на ты с термодинамикой, поэтому стоит уделить время и газетное пространство рассказу об ее удивительном втором начале.

Оно не выводится из каких-либо иных законов термодинамики. Это постулат, обобщающий опытные факты. Он сформулирован еще в XIX веке, за его спиной многочисленные экспериментальные подтверждения. Существуют разные формулировки второго начала, в нашем случае больше подходит формулировка Томсона (лорда Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара». Есть и другие эквивалентные формулировки (мы в школе учили формулировку Клаузиуса о передаче тепла от холодного тела к горячему). Иными словами, хочешь извлекать тепловую энергию из нагретого тела — позаботься о холодном теле, которое будет нагреваться в процессе получения энергии. Нельзя черпать тепло из комнаты, если в пределах досягаемости нет более холодной среды. Если она есть (зима за окном) — можно, но в случае отапливаемого зимой помещения — абсолютно бессмысленно.

Интересно, что второе начало не только не может опираться на другие законы термодинамики; оно вообще не следует ни из каких законов, описывающих взаимодействия атомов, частиц и полей. В фильме, прокручиваемом в обратном направлении, все законы природы сохраняют свою силу, а ВНТД — нет! Оно нарушает симметрию оси времени! Более того, второе начало может в ограниченных масштабах нарушаться. Например, температура маленького объема газа может на короткое время спонтанно стать выше температуры окружающего пространства. Но чем большие объекты и промежутки времени мы рассматриваем, тем непреклонней второе начало соблюдается.

Ученые довольно быстро поняли, что ВНТД имеет статистическую природу: любая система стремится к наиболее вероятному состоянию. Киньте горсть горошин на горизонтальный противень. Они распределятся более-менее равномерно, особенно если противень потрясти. Если сдвинуть горошины к одному краю и снова потрясти — они опять распределятся относительно равномерно. Дело в том, что равномерное распределение горошин наиболее вероятно — оно реализуется в подавляющем большинстве случайных испытаний. О том же говорит и ВНТД: система всегда переходит в то макроскопическое состояние, которое может быть реализовано наибольшим числом микроскопических состояний (это число, называемое также статистическим весом, и определяет вероятность). Логарифм статистического веса с точностью до множителя совпадает с термодинамической энтропией. Этот принцип сформулирован Больцманом в 1877 г. и уточнен Планком. Вышеупомянутый множитель назван постоянной Больцмана. На новом языке второе начало термодинамики может быть сформулировано следующим образом: «Энтропия замкнутой системы не может убывать».

Итак, принцип оказывается очень простым, всего лишь вероятностным, но он имеет далеко идущие следствия и красивые, почти философские обобщения.

Первый вывод, имевший далеко идущие последствия, был сделан еще основателями термодинамики: любая замкнутая система стремится к состоянию с максимально возможной энтропией, к термодинамическому равновесию. А в нем уже никакие изменения невозможны. Это — тепловая смерть. Если всю Вселенную рассматривать как такую замкнутую систему, то можно сделать однозначный вывод: ее тоже ждет тепловая смерть. Бесконечно такая Вселенная не может существовать. В XIX веке, до появления современной космологии, это был очень больной вопрос.

Снова обратимся к фильму, показываемому задом наперед. Допустим, в фильме фигурирует упавшая со стола и разбившаяся чашка. При обратной прокрутке, с точки зрения физических процессов, явных нарушений нет: молекулы пола в своем тепловом движении вызвали колебания поверхности, подбросившие осколки так, что они взлетели на стол, развернулись правильным образом и сцепились за счет молекулярных сил в чашку. Но с точки зрения человеческого опыта — чушь собачья! В чем разница между физическими законами и суровой реальностью? Именно в вероятности прямого и обратного процессов. Неаккуратный хозяин разобьет свою любимую чашку за несколько лет использования с вероятностью, близкой к единице. А вот обратный процесс наверняка не случался ни разу в наблюдаемой части Вселенной за все время ее существования. Дело именно в том, что число микросостояний (статвес) осколков и пола после падения гораздо выше, чем до него. В этом смысле эпизод с чашкой хоть и не является чисто термодинамическим, но представляет собой хорошую иллюстрацию ВНТД и наглядно демонстрирует чудовищную асимметрию времени. Чтобы обнаружить эту асимметрию во взаимодействиях частиц, потребовались сложнейшие эксперименты, а в жизни она дает о себе знать на каждом шагу.

Здесь мы вступаем в область величайшей научной и философской проблемы под названием «стрела времени». Почему время вообще неумолимо течет и по нему, в отличие от пространства, нельзя двигаться взад-вперед? Одна лишь формулировка данной проблемы занимает много страниц убористого текста, а сама «стрела» имеет несколько совершенно разных интерпретаций. Сколько-нибудь общепринятого решения не существует — только гипотезы. Одна из них как раз и связана со вторым началом: получилось так, что на одном конце оси времени в нашей Вселенной — состояние с очень малой энтропией. Это и определяет необратимое течение времени как последовательность состояний Вселенной со всё возрастающим статвесом. Не берусь защищать или опровергать эту гипотезу, просто она показывает, как глубоко второе начало «зашито» в окружающем мире.

Размышляя о бьющихся чашках, вдумчивый читатель наверняка спросит: «А откуда вообще (в свете ВНТД) могла взяться еще не разбившаяся чашка? Она ведь имеет низкий статвес и может только разбиться?» Можно ответить, что чашку изготовил очень «низкоэнтропийный» объект под названием «человек». Но это ведь тоже «чудо» исходя из вышесказанного: откуда мог взяться человек в мире растущей энтропии?

Четкого ответа на этот вопрос не знает никто (есть, впрочем, те, кто с пеной у рта утверждает, что знает — они называются «креационисты»). Но имеется ряд интересных соображений: закон возрастания энтропии, конечно, непреклонен, но имеет свои «лазейки». Важно в первую очередь то, что закон относится лишь к замкнутым системам, а большинство систем в той или иной степени открыто. Открытая система может понизить свою энтропию за счет ее повышения в окружающей среде. Живые организмы как раз этим и занимаются, причем чем сложнее они устроены, тем успешней справляются. Похоже, жизнь сумела противопоставить стремлению природы к состояниям с наибольшим статистическим весом метод отбора состояний с маленьким статвесом. Метод работает только тогда, когда подобные состояния самовоспроизводятся. Таким образом, можно считать жизнь способом локального (и, увы, скорее всего временного) противостояния второму началу термодинамики.

Мы оставляем сейчас в стороне вопрос происхождения жизни и просто проследим (с точки зрения термодинамики), как она борется с энтропией. Понятие чисто термодинамической энтропии естественным образом расширяется и на другие физические явления — позволим неизбежную в популярном жанре вульгаризацию. В химии аналогом энтропии можно считать потенциал молекулярной связи. Кислород и углерод — «низкоэнтропийные» вещества, их соединение СО2 — «высокоэнтропийное». В ядерной физике водород и уран — «низкоэнтропийные» элементы, железо — «высокоэнтропийно» (имеет максимальную энергию связи на нуклон). В гравитации «низкоэнтропийна» межзвездная среда, а черная дыра имеет максимально возможную энтропию, каковой вообще обладает данная масса материи. Все эти энтропии могут быть количественно привязаны друг к другу через соответствующие процессы. Скажем, сожжем кусок угля — и посмотрим, насколько повысилась энтропия окружающей среды, и т.п.

Вернемся к жизни, точнее, к ее энтропийным пищевым цепочкам. Главная из них: растения, поглощая низкоэнтропийный солнечный свет, делают из СО2 углерод и кислород, понижая химическую энтропию (и увеличивая тепловую). Почему солнечный свет низкоэнтропиен? Потому, что он идет с одного направления. Если бы он стал светить со всех сторон — нас ждала бы быстрая тепловая смерть при 6000°C. Мы и другие животные едим «низкоэнтропийные» растения и сжигаем их с помощью выделенного ими же кислорода, т.е. сидим на продолжении солнечного потока с низкой энтропией. Солнце светит за счет того, что во Вселенной изначально было много низкоэнтропийного водорода. Можно пойти еще дальше к истокам, вплоть до стадии раздувающейся Вселенной (стадия инфляции). Видимо, именно она и приготовила нам Вселенную с низкой энтропией на одном конце оси времени. Ну а от тепловой смерти Вселенной никуда не деться, поскольку эта система замкнута по определению. Но еще очень долго, возможно, бесконечно долго жизнь сможет находить «лазейки» и «щели» для своего существования в умирающей Вселенной (см. статью Ф.Дайсона «Время без конца: физика и биология в открытой Вселенной»[2]).

Есть, казалось бы, сугубо физические принципы, которые настолько глубоко вписаны в картину окружающего мира, что всё происходящее нельзя рассматривать вне их контекста. О таких принципах полезно знать всякому культурному человеку, тем более что понятия вроде энтропии переходят в культуру, далекую от физики, даже в быт. Муж говорит жене: «Не повышай энтропию!». Метафора на удивление точна. Допустим, супруги собираются в отпуск. Суета и лишние действия повышают статистический вес результата: добавляются варианты опоздать на самолет, уехать без документов, забыть купальник или вместо отпуска подать на развод.

Мечта Петрика черпать тепловую энергию из окружающей среды вполне воплощаема в жизнь — просто не надо забывать о холодильнике и о том, что КПД преобразования пропорционален разности температур. Холодильник есть — это космос. Можно использовать его непосредственно: взять два радиатора — с теплоносителем и тепловой машиной; один радиатор закопать в землю, другой выставить под открытое небо ясной ночью. Работать будет, но это, скорее, курьез, а не реальный источник энергии. Всерьез же рассматривались такие варианты, как гигантские теплообменники в океане, работающие на разности температур у поверхности и в глубине. Оказалось нерентабельно по причине огромных капиталовложений. Я слышал рассказ человека, проектировавшего зимнюю электростанцию для Сибири: один теплообменник опускаем в озеро через прорубь, второй выставляем на мороз. Опять нерентабельно из-за дороговизны теплообменников и теплоносителя на нужный диапазон температур.

А как же лампочка Петрика? Не знаю, что за плоский предмет показан на видео, но подозреваю, что это — импровизированная батарейка. Возьмите подсевшую батарейку, подсоедините к тестеру и подуйте на нее феном. Напряжение слегка вырастет. А есть и более эффектный пример. Допустим, вы забыли выключить фары, оставив автомобиль на морозе, и не можете завестись. Согрейте аккумулятор. Вполне возможно, этого хватит, чтобы аккумулятор восстановился настолько, что машина заведется. И немедленно езжайте оформлять открытие!

БОРИС ШТЕРН

13 сентября 2011 г. «Троицкий вариант». № 87. С. 6.