Текст книги "До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной"

Начала термодинамики

Если энтропия и второе начало прочно прописались в культуре, то отсылки к первому началу термодинамики в обыденном общении попадаются намного реже. Тем не менее чтобы до конца освоиться со вторым началом, полезно сначала разобраться с первым. Оказывается, первое начало тоже широко известно, но, если можно так выразиться, под псевдонимом. Речь о законе сохранения энергии. Каким бы количеством энергии вы ни располагали в начале процесса, в конце этого процесса у вас ее будет ровно столько же. Вы должны быть очень скрупулезны в подсчете энергии и не забывать про все те ее формы, в которые первоначальная энергия, возможно, превратилась, такие как кинетическая энергия (энергия движения), или потенциальная энергия (запасенная, как энергия растянутой пружины), или излучение (энергия полей, таких как электромагнитное или гравитационное), или тепло (энергия беспорядочного движения молекул и атомов). Но если вы все внимательно подсчитаете, то первое начало термодинамики гарантирует, что баланс энергии сойдется[28]28
  Точнее, первое начало термодинамики представляет собой вариант закона сохранения энергии, который (1) признает теплоту как форму энергии и (2) учитывает работу, произведенную системой или над системой. Таким образом, сохранение энергии означает, что изменение внутренней энергии системы возникает из-за разницы между полным количеством теплоты, которую она получает, и полной работой, которую производит. Особенно хорошо информированный читатель, возможно, отметит, что когда мы рассматриваем энергию и ее сохранение в глобальном масштабе – по всей Вселенной, – то появляются тонкости. Нам нет нужды их разбирать, поэтому мы вполне можем просто принять утверждение о том, что энергия сохраняется.


[Закрыть].

Второе начало термодинамики сосредоточено на энтропии. В отличие от первого начала, второе не является законом сохранения. Это закон роста. Второе начало гласит, что во времени существует мощнейшая тенденция к увеличению энтропии. Проще говоря, особенные конфигурации склонны эволюционировать в сторону обычных (ваша тщательно отглаженная рубашка становится мятой), то есть порядок склонен скатываться к беспорядку (ваш идеально организованный гараж превращается в беспорядочную мешанину инструментов, ящиков и спортивного инвентаря). Хотя подобные сравнения формируют прекрасный интуитивный образ, статистическая формулировка понятия энтропии, данная Больцманом, позволяет описать второе начало со всей точностью и, что не менее важно, получить ясное представление о том, почему оно верно.

Все сводится к игре чисел. Представьте еще раз монеты. Если вы аккуратно разложите их на столе орлами кверху – в низкоэнтропийной конфигурации, – а затем немного потрясете и перемешаете их, то получите, скорее всего, хотя бы несколько решек – более высокоэнтропийную конфигурацию. Если потрясти монеты еще раз, то можно представить, что вам удастся вернуть все монеты в положение орлом кверху, но для этого стол нужно будет трясти вполне определенным образом, настолько точно, что перевернутся только те несколько монет, которые легли решкой. Это чрезвычайно маловероятно. Намного более вероятно, что тряска вместо этого перевернет некий случайный набор монет. Некоторые из тех нескольких монет, что были решками, возможно, перевернутся обратно, но из тех монет, что были орлами, гораздо большее количество станет решками. Так что простая прямолинейная логика – никакой хитроумной математики, никаких неуместно абстрактных идей – сообщает нам, что если начать с варианта «все орлы», то произвольное встряхивание приведет к увеличению числа решек. То есть к росту энтропии.

Движение к увеличению числа решек будет продолжаться до тех пор, пока мы не достигнем соотношения орлов и решек примерно 50 на 50. В этот момент встряхивание станет переворачивать монеты из орлов в решки примерно столько же, сколько из решек в орлы, и дальше конфигурация начнет бóльшую часть времени мигрировать между самыми густонаселенными, самыми высокоэнтропийными группами.

То, что верно для монет, справедливо и в более общем плане. Если вы печете хлеб, можете быть уверены, что аромат очень скоро наполнит даже самые удаленные от кухни комнаты. Сначала молекулы, высвободившиеся по мере запекания хлеба, концентрируются возле духовки. Но постепенно они рассеиваются. Причина этого, аналогичная нашему объяснению на случай монет, состоит в том, что у ароматических молекул гораздо больше способов распределиться по всему объему, чем держаться всем вместе. Поэтому намного вероятнее, что из-за случайного столкновений и ударов молекулы будут разлетаться, а не кучковаться. Так что низкоэнтропийная конфигурация молекул, сосредоточенных вокруг печки, будет естественным образом развиваться в сторону высокоэнтропийного состояния, в котором они распределятся по всему вашему дому[29]29
  Примерно так же, как в примере с паром в вашей ванной, где я оставил без внимания молекулы воздуха, для простоты я не буду явно рассматривать столкновения между горячими молекулами, вылетевшими из пекущегося хлеба, и более холодными молекулами воздуха, летающими по вашей кухне и по всему дому. Такие столкновения должны в среднем увеличивать скорость молекул воздуха и уменьшать скорость тех, что вылетели из хлеба, приводя в конечном итоге оба типа молекул к одинаковой температуре. Понижение температуры молекул хлеба должно снижать их энтропию, но повышение температуры молекул воздуха более чем компенсирует повышение энтропии, так что суммарная энтропия обеих групп на самом деле повысится. В упрощенном варианте, который я описал, можно считать среднюю скорость молекул, высвобожденных хлебом, постоянной в процессе их распространения; тогда их температура будет оставаться постоянной, так что повышение их энтропии будет происходить вследствие того, что они заполняют больший объем.


[Закрыть].

Говоря в самом общем плане, если некоторая физическая система не находится еще в состоянии с максимальной доступной энтропией, вероятность того, что она будет развиваться в направлении этого состояния, чрезвычайно велика. Объяснение, которое хорошо иллюстрируется хлебным ароматом, опирается на самые простые рассуждения: поскольку число конфигураций с большей энтропией многократно превышает их число с меньшей энтропией (по определению энтропии), вероятность того, что случайная толкотня – бесконечные соударения и колебания атомов и молекул – поведет систему по направлению к более высокой, а не к более низкой энтропии, чрезвычайно высока. Процесс этот будет продолжаться до тех пор, пока мы не достигнем конфигурации с самой высокой доступной энтропией. Начиная с этого момента беспорядочное движение молекул заставит, скорее всего, составляющие системы мигрировать между (как правило) громадным числом конфигураций, соответствующих состояниям с максимальной энтропией[30]30
  Для подкованного в математике читателя скажу, что в основе данного обсуждения (так же как и в большинстве изложений статистической механики в учебниках и исследовательской литературе) лежит ключевое формальное предположение. Для любого заданного макросостояния существуют сопоставимые микросостояния, которые будут развиваться в направлении более низкоэнтропийных конфигураций. К примеру, рассмотрим обращение во времени любого развития событий, результатом которого стало заданное микросостояние, берущее начало в более ранней низкоэнтропийной конфигурации. Такое «перевернутое во времени» микросостояние должно развиваться по направлению к более низкой энтропии. В общем случае мы классифицируем такие микросостояния как «редкие» или «специализированные». Математически такая классификация требует определения меры на пространстве конфигураций. В знакомых ситуациях использование равномерной меры на таком пространстве действительно делает начальные условия со снижением энтропии «редкими» – то есть с малой мерой. Однако, если мера выбрана так, чтобы достигать пиковых значений в окрестностях таких начальных конфигураций со снижением энтропии, они по построению не будут редкими. Насколько нам известно, выбор меры производится эмпирически; для систем того рода, что мы встречаем в повседневной жизни, равномерная мера выдает предсказания, которые хорошо согласуются с наблюдениями; то же можно сказать о введенной нами мере. Но важно отметить, что выбор меры оправдывается экспериментом и наблюдением. Когда мы рассматриваем экзотические ситуации (такие как ранняя Вселенная), для которых у нас нет данных, позволяющих выбрать конкретную меру, приходится признать, что интуиция о «редких» или «оригинальных» состояниях не имеет такой же эмпирической базы.


[Закрыть].

Вот оно, второе начало термодинамики. И вот почему оно верно.

Энергия и энтропия

Прочитав описание, вы могли бы подумать, что первое и второе начала термодинамики совершенно различны. В конце концов, одно из них сфокусировано на энергии и ее сохранении, а другое – на энтропии и ее росте. Но существующая между ними глубокая связь подчеркивается фактом, который неявно содержится во втором начале и к которому мы будем еще неоднократно обращаться: не вся энергия одинакова.

Рассмотрим, к примеру, динамитный патрон. Поскольку вся энергия, заключенная в динамите, содержится в плотной, компактной, упорядоченной химически упаковке, эту энергию несложно обуздать. Поместите динамит туда, где вы хотите эту энергию выгрузить, и подожгите запал. Вот и все. После взрыва вся энергия динамита по-прежнему существует. Это первое начало в действии. Но поскольку энергия динамита превратилась в стремительное и беспорядочное движение широко разлетевшихся частиц, обуздать эту энергию теперь чрезвычайно трудно. Поэтому, хотя суммарное количество энергии не изменилось, характер ее стал совсем другим.

Мы скажем, что до взрыва энергия динамита была высокого качества: она была сконцентрирована в малом объеме и легко доступна. И наоборот. После взрыва энергия стала низкокачественной: теперь она распределена по большому объему и использовать ее трудно. А поскольку взрывающийся динамит полностью подчиняется второму началу и движется от порядка к беспорядку – от низкой энтропии к высокой, – мы связываем низкую энтропию с высококачественной энергией, а высокую энтропию – с низкокачественной энергией. Да, я понимаю. За всеми этими низко– и высоко– трудно уследить. Однако вывод получается весьма ценным: если первое начало термодинамики гласит, что количество энергии сохраняется во времени, то второе утверждает, что качество этой энергии со временем ухудшается.

Итак, почему же будущее отличается от прошлого? Ответ, очевидно вытекающий из сказанного, состоит в том, что энергия, работающая в будущем, более низкого качества, чем та, что работает в прошлом. Будущее обладает большей энтропией, чем прошлое.

По крайней мере, так предположил Больцман.

Больцман и Большой взрыв

Больцман, безусловно, на что-то наткнулся. Но есть одно тонкое уточнение ко второму началу, следствия из которого, сказать по правде, в полной мере не сразу дошли даже до Больцмана.

Второе начало термодинамики – не закон в традиционном смысле этого слова. Второе начало не запрещает полностью уменьшение энтропии. Оно лишь объявляет, что такое уменьшение маловероятно. Для монет мы оценили эту вероятность численно. В сравнении с единственной конфигурацией со всем орлами ситуация, при которой при случайном броске 100 монет выпадет 50 орлов и 50 решек, в сто миллиардов миллиардов миллиардов раз более вероятна. Встряхните эту высокоэнтропийную конфигурацию еще раз, и вы можете, в принципе, получить низкоэнтропийную конфигурацию «все орлы», это не запрещено, но из-за сильно сдвинутых шансов на практике такого не происходит.

Для обычной физической системы, в которой составляющих намного больше сотни, шансы против уменьшения энтропии становятся еще более подавляющими. Хлеб в процессе выпечки выпускает миллиарды и миллиарды молекул. Конфигураций, в которых эти молекулы распределятся по всему вашему дому, многократно больше, чем тех, в которых они коллективно устремятся к духовке. При беспорядочном метании и толкании молекулы могли бы, в принципе, собраться обратно в хлеб, обратить вспять процесс выпечки и оставить вам кучку холодной сырой муки. Но вероятность этого ближе к нулю, чем вероятность того, что, побрызгав на холст красками, вы получите «Мону Лизу». Несмотря на это, следует иметь в виду, что, если бы такой процесс обращения энтропии все же состоялся, он не противоречил бы законам физики. Снижение энтропии чертовски маловероятно, но законы физики тем не менее его допускают.

Не поймите меня неправильно. Я говорю об этом не потому, что считаю, что однажды мы увидим, как процесс выпечки хлеба идет задом наперед, или как столкнувшиеся автомобили расходятся и вновь становятся целыми, или как сгоревший документ возрождается из пепла. Я просто хочу подчеркнуть важный принцип. Я уже объяснял ранее, что законы физики считают будущее и прошлое совершенно равноправными. Законы, таким образом, гарантируют, что физические процессы, которые разворачиваются в одном временнóм направлении, могут разворачиваться и в другом. И поскольку эти самые законы управляют всем, включая физические процессы, отвечающие за изменение энтропии во времени, было бы странно и, более того, ошибочно считать, что эти законы допускают лишь повышение энтропии. Это не так. Все повышающие энтропию процессы, которые вы наблюдаете день за днем всю свою жизнь, – от обыденных, типа бьющегося стекла, до глубоких, таких как телесное старение, – могут происходить в обратном направлении. Энтропия может понижаться. Просто это чертовски маловероятно.

Итак, как все это влияет на наш поиск объяснения, почему будущее отличается от прошлого? Ну, если энтропия сегодняшней конфигурации не максимальна, то, согласно второму началу, будущее с огромной вероятностью будет от нее отличаться, потому что энтропия с ошеломляющей вероятностью продолжит расти. Конфигурации вещества, имеющие энтропию меньше максимально возможной, с нетерпением ждут возможности перейти в состояние с более высокой энтропией. И с этим наблюдением некоторые из тех, кто исследует разницу между прошлым и будущим, прекращают усилия, считая свою работу сделанной.

Но работа не сделана. Нам, что не менее важно, необходимо объяснить, как так получается, что мы сегодня обнаруживаем себя в таком особом, маловероятном, удивительном состоянии немаксимальной энтропии – во Вселенной, полной упорядоченных структур, от планет и звезд до петухов и людей. Будь это не так, будь сегодняшняя конфигурация ожидаемым, обычным, неудивительным состоянием максимальной энтропии, Вселенная с огромной вероятностью так и продолжала бы существовать в таком состоянии и будущее у нее ничем не отличалось бы от прошлого. Подобно мешочку с монетами, мигрирующему по громадному числу конфигураций с примерно 50 орлами и 50 решками, Вселенная неустанно скиталась бы с максимальной энтропией по необозримому ландшафту своих конфигураций – равномерно рассыпанных по пространству частиц, летающих туда-сюда, то есть по космической версии вашей наполненной паром ванной[31]31
  Есть несколько важных моментов, которые мы в этом абзаце обошли молчанием и которые меняют смысл понятия «максимальная энтропия», когда речь идет о Вселенной. Во-первых, в этой главе мы не принимаем во внимание роль гравитации. В Главе 3 мы это сделаем. И, как мы увидим, гравитация оказывает глубокое влияние на природу высокоэнтропийных конфигураций частиц. Мало того, хотя мы не будем на этом сосредоточиваться, в заданном конечном объеме пространства конфигурацией с максимальной энтропией является черная дыра – объект, сильно зависящий от гравитации, – которая полностью заполняет пространственный объем (подробности можно посмотреть, к примеру, в моей книге «Ткань космоса», в главах 6 и 16). Во-вторых, если мы рассмотрим сколь угодно большие – даже бесконечно большие – области пространства, то конфигурациями с наибольшей энтропией для заданного количества вещества и энергии будут те, в которых составляющие их частицы (вещество и/или излучение) равномерно распределены по все возрастающему объему. В самом деле черные дыры, как мы узнаем в главе 10, в конечном итоге испаряются (посредством процесса, открытого Стивеном Хокингом), порождая все более высокоэнтропийные конфигурации, в которых частицы распределены все более равномерно. В-третьих, для целей данного раздела единственный нужный нам факт состоит в том, что энтропия, присутствующая в настоящий момент в любом заданном объеме пространства, имеет немаксимальное значение. Если бы этот объем содержал, скажем, комнату, в которой вы в настоящее время находитесь, – энтропия увеличилась бы, если бы все частицы, из которых состоите вы, ваша мебель и все остальные материальные структуры комнаты, коллапсировали в маленькую черную дыру, которая затем испарилась бы, испуская частицы, распространяющиеся по все большему объему пространства. Так что само существование интересных материальных структур – звезд, планет, жизни и т. п. – подразумевает, что энтропия сейчас ниже, чем она потенциально могла бы быть. И именно такие особые, сравнительно низкоэнтропийные конфигурации требуют объяснения. В следующей главе мы попробуем объяснить их возникновение.


[Закрыть]. Сегодняшнее состояние немаксимальной энтропии, к счастью для нас, намного интереснее. Оно обеспечивает частицам возможность встраиваться в структуры, и оно же обеспечивает возможность макроскопических изменений. Поэтому мы вынуждены спросить: как возникло сегодняшнее состояние немаксимальной энтропии?

Строго следуя второму началу, мы заключаем, что сегодняшнее состояние выводится из вчерашнего, более низкоэнтропийного состояния. И это состояние, представляем мы, выводится из позавчерашнего, еще более низкоэнтропийного, и так далее; след все уменьшающейся энтропии уводит нас все дальше назад во времени, до самого Большого взрыва. Высокоупорядоченная стартовая точка с чрезвычайно низкой энтропией – вот причина того, что сегодняшняя Вселенная не достигла энтропийного максимума. Это и разрешает существование богатого событиями будущего, которое отличается от прошлого.

Можем ли мы пойти еще дальше и объяснить, почему начало Вселенной было таким упорядоченным? Мы вернемся к этому вопросу в следующей главе, где познакомимся с космологическими теориями. Пока же отметим, что наше выживание требует порядка, начиная с внутренней молекулярной организации, поддерживающей огромное множество необходимых для жизни функций, и заканчивая источниками пищи, которые обеспечивают нас высококачественной энергией, а также рукотворными инструментами и обиталищами, важными для продолжения существования. Без среды, битком набитой низкоэнтропийными упорядоченными структурами, нас, людей, здесь не было бы и мы не могли бы ничего сказать про эти структуры.

Теплота и энергия

Я начал эту главу с жалобы Бертрана Рассела на неумолимую деградацию Вселенной. Вспомнив утверждение второго начала о растущей энтропии, мы теперь сможем примерно догадаться, что вдохновило Рассела на такое мрачное пророчество. Представьте себе растущую энтропию как увеличивающийся беспорядок, и вы поймете суть дела. Но, чтобы полностью оценить будущие вызовы, с которыми столкнутся жизнь, разум и материя, – на эту тему мы подробно поговорим в следующих главах – необходимо установить связь между современным описанием второго начала термодинамики, как я его изложил, и первоначальной его формулировкой, разработанной в середине XIX в. В этой ранней версии второе начало закрепляло то, что было очевидно любому работающему с паровыми машинами: процесс сжигания топлива в топке всегда производит тепло и отходы – происходит деградация. Поскольку в этой ранней версии не упоминался подсчет конфигураций частиц и не использовались вероятностные рассуждения, она могла бы показаться нам никак не связанной со статистическим утверждением о росте энтропии, которое мы разбирали. Однако между двумя формулировками существует глубокая и прямая связь – та самая, что объясняет нам, почему преобразование высококачественной энергии в низкокачественную теплоту в паровом двигателе иллюстрирует повсеместную деградацию, происходящую в космосе.

Я объясню эту связь в два этапа. Во-первых, мы рассмотрим связь между энтропией и теплотой. Затем, в следующем разделе, свяжем воедино теплоту и статистическое утверждение второго начала.

Возьмитесь за горячую ручку сковороды – и почувствуете, что теплота как будто течет вам в руку. Но течет ли при этом что-нибудь на самом деле? Давным-давно было время, когда ученые отвечали на этот вопрос положительно. Они представляли себе субстанцию наподобие жидкости, которую называли теплородом, перетекающую из более горячих мест в менее горячие, примерно как река течет сверху вниз. Со временем ученые стали лучше разбираться в ингредиентах вещества и предложили другое описание. Когда вы беретесь за ручку сковороды, ее быстро движущиеся молекулы сталкиваются с медленно движущимися молекулами в вашей руке, что в среднем повышает скорость молекул с вашей руке и снижает скорость молекул в ручке сковороды. Вы чувствуете увеличение скорости молекул как тепло; температура вашей руки увеличилась. Соответственно, снижение скорости молекул в ручке означает, что ее температура понизилась. Но это означает, что течет не теплота. Молекулы ручки остаются в ручке, а молекулы вашей руки остаются в вашей руке. Вместо этого, как при игре в испорченный телефон информация переходит от человека к человеку, молекулярное возбуждение перетекает от молекул в ручке к молекулам в вашей руке, когда вы за эту ручку беретесь. А значит, хотя само вещество не перетекает из ручки в руку, определенное качество этого вещества – средняя скорость молекул – перетекает. Именно это мы подразумеваем под потоком теплоты.

Это же описание применимо и к энтропии. С повышением температуры вашей руки ее молекулы начинают метаться быстрее, диапазон возможных скоростей расширяется, увеличивая число достижимых конфигураций, которые выглядят одинаково, – так что энтропия вашей руки тоже увеличивается. Соответственно, с понижением температуры ручки ее молекулы начинают двигаться медленнее, диапазон возможных скоростей для них сужается, уменьшая число достижимых одинаковых конфигураций, – так что энтропия ручки снижается.

Вот это да. Энтропия снижается?

Да. Но это не имеет отношения к редким статистическим флуктуациям, таким как получение 100 орлов при случайном броске 100 монет, как описано в предыдущем разделе. Энтропия горячей ручки уменьшается всякий раз, как вы за нее беретесь. Простой, но важный момент, который иллюстрирует сковорода, состоит в том, что постулируемый вторым началом рост энтропии относится к полной энтропии замкнутой физической системы, которая по определению включает в себя все, с чем эта система взаимодействует. Поскольку ваша рука взаимодействует с ручкой сковороды, вы не можете применить второе начало к ручке как таковой. Вы должны включить в систему и ручку, и руку (и, если быть точными, всю сковороду, плиту, окружающий воздух и так далее). И тщательный подсчет покажет, что рост энтропии вашей руки превышает падение энтропии ручки, гарантируя, что полная энтропия системы все же повышается.

Таким образом, примерно как в случае с теплотой, в каком-то смысле энтропия может течь. Для сковороды она течет из ручки в вашу руку. Ручка становится чуть более упорядоченной, а ваша рука – чуть менее упорядоченной. Перетекает она опять же не в виде осязаемой субстанции, которая первоначально находилась в ручке, а теперь перетекла в вашу руку. Скорее, поток энтропии обозначает взаимодействие между молекулами в ручке сковороды и в вашей руке, изменяющее свойства того и другого. В данном случае взаимодействие изменяет их средние скорости – относительные температуры, – а это, в свою очередь, влияет на энтропию, которую каждый из этих объектов заключает в себе.

Из этого описания очевидно, что поток теплоты и поток энтропии очень тесно связаны. Поглощать теплоту – значит поглощать энергию, которую заключает в себе случайное движение молекул. Эта энергия, в свою очередь, заставляет принимающие молекулы двигаться быстрее или распространяться шире, внося, таким образом, вклад в увеличение энтропии. Из этого можно сделать вывод: для того чтобы сдвинуть энтропию отсюда туда, теплота должна течь отсюда туда. Короче говоря, энтропия путешествует на волне теплоты.

А теперь, с этим пониманием взаимосвязи между теплотой и энтропией, вернемся ко второму началу.

Теплота и второе начало термодинамики

Объяснение того, почему мы переживаем события, разворачивающиеся только в одном направлении и никогда в обратном, привело нас к Больцману и его статистической версии второго начала: энтропия с ошеломляюще высокой вероятностью возрастает по направлению к будущему, делая обратные последовательности событий (в которых энтропия уменьшалась бы) фантастически маловероятными. Какое отношение все это имеет к более ранней формулировке второго начала (вдохновленной паровой машиной), в которой речь шла о неизменном производстве физическими системами тепловых отходов?

Связь заключается в том, что две наши начальные точки – обратимость и паровые машины – тесно связаны. Причина в том, что паровая машина основана на циклическом процессе: поршень, который расширяющийся пар выталкивает наружу, затем возвращается в начальную позицию, где ожидает следующего толчка. Пар тоже возвращается к начальным параметрам – объему, температуре и давлению; то же должны сделать и остальные значимые части, готовя машину к новому циклу нагрева и выталкивания поршня. Хотя ни один из этих процессов не требует тех ужасно маловероятных событий, при которых каждая молекула находит свой путь обратно в начальную точку или приобретает в точности ту же скорость, какую она имела в начале предыдущего цикла, работа машины все же подразумевает, что общая обстановка – макросостояние машины – вернулась в первоначальный вид, чтобы начать следующий цикл.

Что из этого следует в плане энтропии? Поскольку энтропия есть число микроскопических конфигураций, которые предстают перед нами в виде одного и того же макросостояния, то если макросостояние паровой машины сбрасывается до исходного в начале каждого цикла, значит, ее энтропия должна сбрасываться тоже. Это означает, что энтропия, которую паровая машина приобретает в ходе заданного цикла (когда она поглощает теплоту от горящего топлива, выделяет дополнительную теплоту за счет трения движущихся частей и так далее), должна целиком выбрасываться в окружающую среду к моменту завершения цикла. Как паровая машина это делает? Ну, мы уже видели, что для переноса энтропии необходим перенос теплоты. Таким образом, чтобы паровая машина сбрасывала свое состояние для следующего цикла, она должна выпускать тепло в окружающую среду. Значит, историческая формулировка второго начала термодинамики (неизбежное выбрасывание тепла в окружающую среду) – та самая деградация, которая так печалила Бертрана Рассела, – напрямую выводится из статистической версии второго начала[32]32
  Для особенно кропотливого читателя стоит, пожалуй, оговорить еще одну дополнительную деталь. Когда пар выталкивает поршень, он тратит на это часть той энергии, которую получил из топлива, но при этом пар не передает поршню никакой энтропии (предполагается, что поршень имеет ту же температуру, что и пар). В конце концов, находится ли поршень здесь или, будучи вытолкнутым, он находится на небольшом расстоянии отсюда, никак не сказывается на внутреннем порядке или беспорядке в нем; энтропия поршня не меняется. Поскольку поршню энтропия не передается, она полностью остается в паре. Это означает, что, когда поршень, готовясь к следующему толчку, возвращается в первоначальное положение, пар должен каким-то образом избавиться от избытка энтропии, который в нем накопился. Это достигается, как подчеркивается в этой главе, тем, что паровая машина сбрасывает тепло в окружающую среду.


[Закрыть].

Мы добрались до пункта назначения, к которому я здесь стремился, так что можете свободно переходить сразу к следующему разделу. Но, если у вас хватит терпения, поговорим об одной детали, не упомянуть которую было бы упущением с моей стороны. Вы, возможно, задались сейчас примерно таким вопросом: если паровая машина поглощает теплоту из сжигаемого топлива (набирая таким образом энтропию) только для того, чтобы потом сбрасывать теплоту в окружающую среду (сбрасывая таким образом и энтропию), то почему у нее еще остается энергия на выполнение полезных задач, таких как работа локомотива, к примеру? Ответ состоит в том, что паровая машина высвобождает в окружающую среду меньше тепла, чем поглощает, и все же умудряется полностью очиститься от накопленной энтропии. Вот как это происходит.

Паровая машина поглощает теплоту и энтропию от горящего топлива и высвобождает теплоту и энтропию в более прохладную окружающую среду. Здесь принципиально важна температурная разница между топливом и средой. Чтобы понять, почему это так, представьте себе два включенных бытовых обогревателя, совершенно одинаковых, один из которых находится в промерзшей комнате, а второй – в жаркой. В промерзшей комнате холодные молекулы воздуха получают от обогревателя встряску, которая заставляет их двигаться быстрее и распределяться по всему пространству, так что их энтропия возрастает значительно. В жаркой комнате молекулы воздуха и без того двигаются быстро и разлетаются широко, так что обогреватель лишь слегка увеличивает их энтропию. (Это примерно как ускорить ритм на дикой новогодней вечеринке и почти не заметить, что участники стали танцевать чуть быстрее; но ускорьте ритм в буддистском монастыре Тикси и заставьте монахов прервать медитативные практики и начать танцевать крамп, и вы сразу заметите изменения.) Следовательно, несмотря на то что обогреватели идентичны, количество энтропии, которую они передают окружающим объектам, различно: хотя каждый из них генерирует одинаковое количество теплоты, обогреватель в холодной комнате передает среде больше энтропии. Таким образом, более прохладная среда, получая заданное количество теплоты, превращает его в больший рост энтропии. С учетом этого мы понимаем, что паровая машина может сбрасывать всю энтропию, полученную ею с теплотой от горячего топлива, выпуская лишь часть этой теплоты в более прохладную окружающую среду. Тогда оставшаяся теплота может заставить пар расширяться, толкая поршень и выполняя при этом полезную работу.

Таково объяснение, но не позволяйте подробностям заслонять собой главный вывод: со временем физические системы с фантастически высокой вероятностью развиваются от конфигураций с более низкой энтропией к конфигурациям с более высокой энтропией. Если система, такая как паровая машина, пытается поддерживать свою структурную целостность, она должна сдерживать естественное стремление к повышению энтропии, периодически передавая накопленную энтропию окружающей среде. Для этого машина должна выбрасывать лишнюю теплоту в окружающую среду.