Текст книги "Дело в химии. Как все устроено?"

Удобрения и биология

Плодородная почва тем не менее не служит гарантией хорошего урожая. Это как человек, который хорошо питается, но все-таки может заразиться инфекцией, подцепить паразитов или стать жертвой несчастного случая; точно так же растениям грозят и болезни, и нападения со стороны разных живых существ. Любой, у кого есть даже крошечный огород, прекрасно знает, какой ущерб могут нанести зелени сорняки, грибы, болезни или обычные гусеницы и улитки. А если вы посадите еще и фруктовые деревья, то быстро осознаете, что в некоторые годы урожай фруктов просто не созревает из-за болезней или паразитов.

А теперь вообразите эту проблему в масштабах десятков гектаров и представьте, что от урожайности зависит будущее вашего дела. Тревожно, не так ли? Жутковато, разве нет?

Учитывая огромное количество разных угроз, которые нависают над растением, и соответствующее количество различных используемых для защиты веществ, было бы просто утомительно рассматривать их все в этой книге. Поэтому мы можем рассказать об этом более обобщенно, стараясь сосредоточиться на тех особенностях, что влияют на нашу каждодневную жизнь, например на токсичности некоторых сельхозпрепаратов или их влиянии на окружающую среду. Этот разговор мы еще возобновим в лекции 5.

А начнем с определения некоторых особенностей. Термин «сельхозпрепараты» относится к множеству веществ самого разного назначения, их можно грубо поделить на гербициды, инсектициды и фунгициды. Среди этих групп существуют соответственно подгруппы, к примеру гербициды делятся на контактные (те, что уничтожают только часть растения, с которой контактируют) и системные, которые действуют тотально и разрушают все растение вместе с корнями, а также гербициды с остаточным действием, препятствующие прорастанию семян.

Что касается их токсичности, то следует принимать во внимание многие аспекты воздействия: разлагается ли вещество на неядовитые производные после воздействия или сохраняется неизменным? Воздействует ли только на паразитов и сорняки или опасно и для местной фауны? Существует ли риск загрязнения грунтовых вод?

Может ли яд сохраняться в опасных для потребителя количествах в конечной продукции? Безопасен ли он для фермера, который его использует?

В идеальном мире должны были бы применяться совершенно безвредные для человека и животных вещества, не имеющие никакого негативного влияния на окружающую среду, но в реальной жизни, к сожалению, это не так и любое средство обладает побочными действиями, которые следует оценивать и рассказывать о них потребителям. Сложности добавляет тот факт, что не всегда можно получить конкретные данные сразу, а не после многих лет использования.

Сегодня мы хорошо знаем, что многие средства, активно употреблявшиеся в шестидесятые-семидесятые годы во время так называемой «зеленой революции», на самом деле оказывали весьма серьезное побочное влияние на окружающую среду и сегодня запрещены во многих странах. В Европе сегодня запрещен атразин, из-за загрязнения грунтовых вод, но его продолжают использовать в некоторых неевропейских странах.

Самый распространенный в мире гербицид глифосат уже давно стал предметом серьезного столкновения ученых и специалистов по сельскому хозяйству с защитниками окружающей среды. История глифосата началась в 1970 году, когда он был запатентован международной корпорацией Monsanto под коммерческим названием Roundup и распространился в планетарных масштабах благодаря высокой эффективности и предполагаемой безопасности. Сегодня срок патента уже истек и глифосат доступен у многих производителей под самыми разными названиями. В последние годы множество последствий, вероятно связанных с его употреблением, породили весьма напряженную публичную дискуссию, которой пока еще нет конца. В отличие от других тем, кажущихся «простыми» с научной точки зрения, но весьма сложными с медийной (как глобальное потепление или безопасность вакцинации), эта тема практически не позволяет делать никаких громких заявлений без риска быть в один прекрасный день опровергнутым. Единственный возможный путь – проанализировать имеющиеся в нашем распоряжении данные и оценить риски и выгоды. Но даже этот подход грозит множеством трудностей. Например, как Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО), так и Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), установили, что глифосат не является канцерогеном[11]11
  Сводный отчет ВОЗ/ФАО за 2016 год доступен по адресу https://www.who.int/foodsafety/jmprsummary2016.pdf?ua=1.


[Закрыть]. Но в 2015 году, наоборот, Международное агентство по изучению рака (МАИР) включило его в список веществ «вероятно канцерогенных для человека»[12]12
  Вы можете прочесть окончательный документ МАИР по адресу: https://www.iarc.who.int/featured-news/media-centre-iarc-news-glyphosate/.


[Закрыть], основанном на эпидемиологических исследованиях, предметом которых были люди и лабораторные животные.

Но рассматриваемые под другим углом, эти результаты неожиданно приобретают совершенно иной смысл. К примеру, МАИР включила влияние глифосата в ту же категорию (2А), что и влияние домашней фритюрницы, потребление красного мяса и посменной работы. Если сравнить этот список с тем, что относится к категории 1 (безусловно канцерогенное воздействие), то ситуация становится еще более парадоксальной: в этот список входят спирт (упомянут в списке дважды – и как чистый продукт, и как входящий в состав алкогольных напитков), древесная зола, лечение гормонами и даже солнечный свет (из-за ультрафиолетового спектра). Это не значит, конечно, что сотрудники МАИР параноики, причина в том, что за их результатами стоят весьма серьезные научные исследования. Фундаментальная проблема заключается в том, что подобная классификация не содержит оценку степени риска, а именно это нас интересует на самом деле, и должно быть оценено для каждого фактора отдельно. Вот простой пример: солнечный свет, несомненно, несет канцерогенную угрозу для человека (категория 1 по версии МАИР)[13]13
  Много интересного по этой теме можно найти в монографии МАИР 100D, Solar and Ultraviolet Radiation (Солнечное и ультрафиолетовое излучение). Она находится в свободном доступе по адресу: https://monographs.iarc.fr/wp-content/uploads/2018/06/mono100D-6.pdf.


[Закрыть]. Если подумать, это вовсе и не странно. Все прекрасно знают, что лежание на солнце в разгар лета без какой-либо защиты и в течение нескольких часов может привести к раку кожи, но то же самое зимой – гораздо менее рискованно. То же самое можно сказать и по поводу алкогольных напитков: ежедневное пьянство отличается от выпивания стаканчика вина за воскресным обедом или кружки пива с друзьями раз в неделю.

Тот же подход годится и в случае с глифосатом: любые рассуждения, не учитывающие использованные дозы, не имеют смысла. Интересный пример для этого случая – история с макаронными изделиями. В 2018 году сразу несколько газет опубликовали заметку, сообщавшую об обнаружении глифосата в макаронах разных производителей: концентрация в среднем колебалась возле 0,050 мг/кг. Это означает, что в каждом килограмме макарон содержалось примерно 0,000050 г глифосата. Безопасным для человека, согласно данным EFSA – Европейского агентства по безопасности продуктов питания, – является количество в 0,5 мг на килограмм собственного веса[14]14
  Рекомендации Европейского агентства по безопасности продуктов питания можно прочесть в пресс-релизе от 12 ноября 2015 года: Glyphosate: EFSA updates toxicological profile (Глифосат: обновление токсикологической характеристики), в свободном доступе по адресу: https://www.efsa.europa.eu/en/press/news/151112.


[Закрыть]. Таким образом, человек с весом 60 кг, чтобы получить с пищей опасное количество глифосата, должен съедать в день более 600 кг макарон!

Конечно, это не значит, что мы можем расслабиться и пренебречь воздействием на окружающую среду современных сельскохозяйственных технологий, на самом деле одной из самых загрязняющих природу отраслей экономики. Сельское хозяйство ответственно за почти 10 % всего объема выбросов парниковых газов, но еще более важным является его влияние на почву, экосистему и водные источники. Например, хотя большая часть современных инсектицидов безопасна для потребителя, хотя при этом и не полезна для тех, кто соприкасается с ними в работе или существует в том же ареале, но они могут нанести вред насекомым-опылителям, например пчелам. Удобрения, хоть и стали, как мы уже убедились, настоящим спасением для человечества, тем не менее способны нанести значительный ущерб, когда их использовать непропорционально и бесконтрольно. Одним из побочных эффектов их чрезмерного использования стала эвтрофикация: избыток питательных веществ загрязняет водоемы и приводит к взрывному росту водорослей. А они истощают запасы кислорода в воде и отнимают его у других организмов, что приводит к катастрофическим последствиям для экологии.

Биология, биодинамика и сельское хозяйство будущего

Благодаря тому, что общество все больше узнает о негативных воздействиях интенсивного сельского хозяйства на окружающую среду, в последнее время возникли движения, проповедующие биологическое и биодинамическое сельское хозяйство.

Биологическое сельское хозяйство основывается на целом ряде разделяемых многими принципов, таких как использование локальных продуктов, сохранение плодородия почвы и сокращения загрязнений, источником которых могут служить современные сельхозтехнологии. Оно избегает использования пестицидов, внедренных в 70-е годы прошлого века, периода сельскохозяйственного бума. Многие современные пестициды, такие как глифосат, о котором мы говорили, полностью запрещены сегодня. Проблема в том, что разница между тем, что можно использовать, и тем, что не стоит, основана, скорее, на «традиции», а не на научных данных, и прежде всего на различии между «естественным» и «синтетическим», которое часто просто лишено смысла. Если вы мне не верите, можете прочесть знаменитую статью Брюса Эймса и его коллег, опубликованную в журнале PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences)[15]15
  Ведущий американский журнал для публикации оригинальных научных исследований в различных областях, главным образом в биологии и медицине, а также по физике и социальным наукам, официальный орган Национальной академии наук США (прим. пер.).


[Закрыть] в 1990 году: в ней перечислены все пестициды, что мы поглощаем ежедневно и которые производятся самими растениями в качестве средства защиты[16]16
  Эта интересная и не слишком технически перегруженная статья Брюса Эймса доступна онлайн бесплатно: Dietary pesticides (99.99 % all natural), Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 87 (1990), https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC54831/pdf/pnas01044-0440.pdf.


[Закрыть]. Исследователи считают, что в эту категорию попадает практически 99,99 % всех пестицидов, включенных в наш каждодневный рацион, а около половины из них показали себя канцерогенами во время опытов на мышах…

Я бы хотел привести еще один, более наглядный пример: знайте, что медный купорос активно используется в органическом сельском хозяйстве как бактерицид и фунгицид, особенно же он популярен при выращивании винограда. Однако, как и все производные меди, металла достаточно тяжелого, он оказывает сильное воздействие на окружающую среду. Поэтому в целом нельзя сказать, что органическое сельское хозяйство не использует продукты химии для повышения урожая или что использует исключительно нетоксичные средства, не наносящие вреда окружающей среде. Точно так же не верно и то, что органические продукты более здоровые: как показали многочисленные исследования, и с точки зрения пищевой безопасности, и с точки зрения питательности, никакой разницы между плодами традиционного сельского хозяйства и плодами органического просто не существует.

Но вот с точки зрения воздействия на окружающую среду между ними выявляются существенные различия. При равной площади поля, возделываемые по принципам органического земледелия, сохраняют большее биоразнообразие (насекомых, червяков, мелких млекопитающих), лучшее качество почвы и меньше загрязняют грунтовые воды. Но при этом их урожайность ниже по сравнению с традиционными, иногда – например, в случае с фруктами – незначительно, но весьма заметно в случае злаковых, у них урожайность падает почти на 30 %[17]17
  Больше подробностей можно найти в статьях A. Muller et al., Strategies for feeding the world more sustainably with organic agriculture, Nature Communications (2017) и V. Seufert, N. Ramankutty, J. A. Foley, Comparing the yields of organic and conventional agriculture, Nature (2012).


[Закрыть]. Хотя если сравнения проводить при одинаковой массе получаемого продукта, различия заметно снижаются.

Но если в области органического земледелия есть место для дискуссий, то в биодинамическом оно весьма незначительно, если смотреть с точки зрения науки. Эта практика возникла в первые годы ХХ века с легкой руки Рудольфа Штейнера, австрийского провидца и спиритуалиста: те, кто ее исповедует, верят в то, что магические ритуалы и влияние Луны оказывают действие на урожай.

Один из самых популярных биодинамических ритуалов – закапывание коровьего рога с навозом: последователи утверждают, что наполнение рога коровы, у которой был хотя бы один теленок, коровьим же навозом, закапывание его зимой и извлечение на Пасху и разбрасывание содержимого по полю дает результат. Штейнер полагал, что рог коровы работает как «антенна», притягивающая «эфирно-астральные» силы, концентрирующиеся в навозе внутри рога как «астральный дух и жизненная сила»[18]18
  Об этом можно почитать четвертый доклад сельскохозяйственного курса Рудольфа Штейнера (https://search.rsl.ru/ru/record/01001791866). Более детальное описание органического и биодинамического сельского хозяйства можно прочесть в прекрасной книге Dario Bressanini. Pane e Bugie (Дарио Брессанини. Хлеб и свечи), Chiarelettere, Milano, 2010 и в его блоге в журнале «Le Scienze»: Biodinamica®: cominciamo da Rudolf Steiner (Биодинамика: начнем с Рудольфа Штейнера), http://bressanini-lescienze.blogautore.espresso.repubblica.it/2011/02/21/biodinamica%C2%AE-cominciamo-da-rudolf-steiner/.


[Закрыть].

Я позволю себе сделать замечание: дискуссии об астральных энергиях я предпочел бы дебаты о том, что мы могли бы сделать из рациональных соображений для того, чтобы найти способы производить продукты питания, которые позволили бы нам всем есть в достатке здоровую пищу, но при этом не наносить вреда экологии.

Химия, как и любая другая наука, являет собой только один из способов, которыми человек использует свой разум для решения проблем, встающих на его пути. В любой области необходимо действовать, используя логику и рациональный подход, не ударяясь в предубеждения и не принимая ничего как должное. Это означает и признание собственных ошибок, и понимание того, как их исправить, работая над выработкой новых и лучших решений. От земледелия зависит наше существование, и думать, что можно вернуться на двести лет назад, означает, что вы вообще не понимаете, что происходит в мире вокруг. Мне нравится верить, что науку создают люди, ученые и исследователи, возвращающиеся вечерами домой, к детям, мужьям и женам, которые хотят пить чистую воду и есть полезную еду, как и все люди на Земле. Мы еще увидим в следующих главах, что тема защиты природы находится в центре внимания современных исследований, но для достижения весомых результатов требуется мощная политическая воля, воля всего общества. А для того нужны разум и исследовательский труд.

Лекция 3
В автомобиле

Кто едет медленно… тот и опаздывает!

Нефть. Одного этого слова достаточно, чтобы перенестись в мир ожесточенных споров об энергетике и глобальном потеплении, о геополитике и роли одноразового пластика. На нефти зиждется огромная часть мировой экономики, хотя, увы, это чрезвычайно хрупкий фундамент, который очень скоро может обрушиться, если мы не найдем вскорости более надежную альтернативу.

В течение уже многих лет исследователи делают все возможное, чтобы понять, как можно использовать возобновляемые источники энергии, от солнца до ветра, но тем не менее мы еще далеки от открытия эффективного способа удовлетворить неуемную жажду энергии в нашем обществе, несмотря на впечатляющие шаги в этом направлении. Международное энергетическое агентство в 2018 году опубликовало отчет о возобновляемых источниках энергии и рассчитало, что к 2023 году уже треть всей потребляемой в мире энергии будет поступать из возобновляемых источников[19]19
  Международное энергетическое агентство, отчет от 08 октября 2018 года, см. по адресу: https://www.iea.org/news/modern-bioenergy-leads-the-growth-of-all-renewables-to-2023-according-to-latest-iea-market-forecast.


[Закрыть]. Китай сегодня движется впереди всех, особенно в области освоения энергии Солнца, в то время как остальные страны получают наибольшую долю чистой энергии в первую очередь от гидроэлектростанций, во вторую – от ветряков.

К тому же энергию надо не только произвести, но надо суметь ее передать и сохранить. Электрическая энергия транспортируется без проблем, но сохранить ее совсем не просто. Представьте себе смартфон или современный компьютер, чьи аккумуляторы живут существенно меньше, чем устройства десяти-двадцатилетней давности. Очевидно, современные аккумуляторы намного более энергоемкие, чем их предшественники, и современные батарейки обладают куда как большими возможностями, чем их собратья из 1990-х, однако их эволюция тем не менее не совсем поспевает за изменениями в информационных и коммуникационных устройствах, которые они питают. То же самое относится и к водороду: у него масса преимуществ перед традиционным топливом, это топливо идеально чистое, но его очень трудно произвести, транспортировать и хранить.

В следующих главках я расскажу вам о фундаментальных законах термодинамики – науки, изучающей превращения энергии. Я буду испытывать вашу фантазию и способность к абстракции, поэтому попрошу вас сосредоточиться. Но это стоит усилий, ибо вы научитесь смотреть на мир совершенно по-другому.

Соревнование, в котором нет победителей

Дать определение понятию энергии, простое и исчерпывающее, – совсем не просто, учитывая, что она существует в самых разных видах: химическая, электрическая, механическая, тепловая и тому подобное. Самое простое определение – это способность выполнить работу.

Все виды энергии имеют нечто общее: они легко переходят из одного вида в другой. Возьмем, к примеру, автомобиль: в его бак залито топливо (химическая энергия). Это топливо сгорает, и химическая энергия превращается в тепловую. Тепло заставляет расширяться полученный при сгорании газ, который движет поршни (механическая энергия). Механическая энергия, в свою очередь, заставляет вращаться колеса, и ее часть превращается посредством генератора в электричество, заряжающее аккумулятор и включающее свечи зажигания и бортовые системы.

Мы можем продолжить, приводя самые разные примеры из нашей повседневной жизни, демонстрирующие превращение энергии одного вида в другой.

Вряд ли вы удивитесь, узнав, что огромное количество химиков (и других ученых) работают именно в этой области и ведут исследования, направленные на поиск самых эффективных и экологичных способов обеспечить общество энергией в достатке. Наука, изучающая превращения энергии, называется термодинамикой, и знание ее законов совершенно необходимо для исследователя. А изучение ее основ для человека, занимающегося в жизни чем-то другим, – отличный способ посмотреть на мир иным, вооруженным научными знаниями, более осознанным взглядом.

Сейчас же вернемся к нашей теме и продолжим размышлять над связью тепла и механической работы, разбирая знаменитый эксперимент, проведенный в 1845 году физиком Джеймсом Джоулем.

Эксперимент Джоуля был весьма прост, но остроумен: небольшие металлические гири были привязаны, посредством кабелей и шкивов, к механизму, оснащенному вращающимися лопастями, погруженными в сосуд с водой. Свободно падающие гири вращали лопасти и создавали в воде вихрь. Когда опыт повторялся много раз подряд, то вода заметно нагревалась, что подтверждалось измерениями точного термометра. Если пренебречь потерями энергии за счет трения в кабелях и шкивах, получится, что вся механическая энергия грузов превращается в этом эксперименте в тепловую и позволяет нагреть воду. Таким образом, Джоуль не только смог доказать, что тепло и механическая энергия суть две стороны одной медали, но и выразил соотношение между ними количественно.

Сегодня мы используем джоуль в качестве единицы измерения энергии, но до 1845 года тепловая энергия оценивалась в других единицах – калориях: одна калория соответствует количеству тепла, необходимого для нагревания 1 г воды на 1 градус Цельсия. Благодаря эксперименту Джоуля мы знаем, что одна калория соответствует 4,186 Дж. Это означает, что для того, чтобы сжечь 100 г макарон, содержащих в среднем 350 ккал (килокалории, 1 ккал = 1000 кал), надо нагреть на один градус 350 кг воды или выполнить работу, затратив 350 х 4,186 = 1465 кДж (как вы уже догадываетесь, к перед обозначением единиц измерения читается как «кило» и соответствует умножению на 1000, поэтому 1 кДж = 1000 Дж = 1 килоджоуль). Зная, что килоджоуль соответствует примерно энергии, которую необходимо затратить для подъема груза весом 100 кг на высоту в 1 метр, вы можете себе представить гипотетическую машину, способную преобразовать все тепло в работу, – она могла бы посредством энергии, добытой из 100 г макарон, поднять глыбу весом 1465 кг на высоту 100 метров или африканского слона весом шесть тонн на 24 метра: совсем неплохо![20]20
  Прежде чем начать строить подъемник на макаронах, прочтите следующие абзацы – вы поймете, что в реальности всю энергию использовать невозможно.


[Закрыть]

Сейчас самое время познакомиться с первым началом термодинамики, с которым, инкогнито, мы уже сталкивались в предыдущих главах:

Энергию невозможно создать из ничего, ее можно только преобразовать из одного вида в другой. Таков закон сохранения энергии

Итак, мы не можем выиграть в игре с энергией: в идеальной ситуации мы остаемся с той же энергией, что была у нас изначально, разве что в другом виде. Не более и не менее.

Я хотел бы подчеркнуть важный аспект: речь не идет о технологическом пределе, который мы однажды сможем преодолеть, и не о законе, допускающем исключения: принципы термодинамики являются принципами, на которых базируется мироздание, и мы не в состоянии на них воздействовать. Мы только можем искать все более доступные источники энергии. В качестве мысленного упражнения мне хотелось бы предложить вам задуматься о происхождении энергии вокруг вас, стараясь проникнуть как можно дальше к ее источнику и построить энергетический цикл, задумавшись о конечном результате. Вы увидите, насколько быстро вы получите новые знания о мире и о нашем энергетическом влиянии на него.

А теперь вернемся к первому началу и попробуем немного развлечься, отложив в сторону книги и думы. Мы не можем создать энергию из ничего; да, это мы уже поняли. Однако если как следует поразмыслить, в идеальном мире мы могли бы перерабатывать энергию, как мы это делаем с бумагой или пластиком, разве нет? Если мы не можем ее создать, значит, не можем ее и уничтожить: и зачем тогда мучиться? Может быть, через несколько лет мы сможем управлять электромобилем, столь совершенным, что он сможет заряжаться по мере продвижения: достаточно поставить на него футуристические безотходные генераторы, и вся энергия, которая заставляет крутиться колеса, будет превращаться в электричество. Идея кажется великолепной, разве нет? Кажется, но не является: виновато второе начало термодинамики.

В этой игре у нас далеко не равные шансы.

Первое начало термодинамики сообщает нам фундаментальную информацию, но оно не учитывает и не описывает поведение энергии и ее трансформации.

К примеру, вообразим два одинаковых куска железа, соприкасающихся друг с другом: температура одного куска равна 100 °C, а другого – 0 °C, и представим себе, что они полностью изолированы от внешней среды, чтобы избежать рассеяния тепла в воздухе. Интуиция подсказывает, что спустя некоторый промежуток времени, тепловая энергия горячего куска потечет к холодному, пока они не достигнут температуры 50 °C и теплового равновесия между ними. Однако в первом начале нет ничего о том, что тепло должно течь от более теплого тела к более холодному. Горячий кусок мог бы просто не передавать тепло холодному, а общая энергия оставалась бы прежней. Вдобавок, если бы мы должны были основываться только на первом начале, мы могли бы вообразить два одинаковых куска одинаковой температурой 50 °C, превращающихся в куски температурой 100 °C один и 0 °C другой. С точки зрения первого начала, подобный процесс вполне допустим.

Однако этого не происходит: тепло перетекает от более горячего тела к более холодному, но никогда в обратном направлении. Закон, который определяет это явление, и есть второе начало термодинамики: он дает исследователям инструмент, позволяющий отличить спонтанный процесс от не являющегося таковым. Формулируется оно так:

Энтропия Вселенной постоянно растет

А что такое энтропия? Оставим в стороне строгие математические определения: мы можем ее определить как физическую величину, отражающую степень микроскопического беспорядка системы. Чтобы лучше понять, что имеется в виду, вообразите себе, что входите в комнату, имея при себе маленький флакон с небольшим количеством чрезвычайно вонючего газа. Когда вы откроете флакон, газ распространится по комнате и через некоторое время все присутствующие начнут вопрошать, кто испортил воздух. Если же взглянуть с термодинамической точки зрения, то исходной точкой была более упорядоченная система, в которой газ-вонючка был отделен надежно от атмосферы в комнате, а конечной – беспорядочная система, в которой расположение всех молекул совершенно случайно. Энтропия в комнате возросла. Процесс, в результате которого вонючий газ, равномерно рассеянный по помещению, спонтанно отделится от других молекул и вернется туда, откуда вышел, приведет к большей микроскопической упорядоченности, что никогда не случится само по себе, как бы ни хотелось развернуть назад многие неловкие ситуации в лифте…

Еще один аспект второго начала, чуть более философский, но очень важный, состоит в том, что энтропия дает нам понятие времени и его направления: она сообщает, куда движется мироздание. Весь мир движется во вполне определенном направлении – к максимальной энтропии, к максимальному беспорядку. Значительная часть законов физики симметричны относительно времени, то есть работают независимо от его течения; они не сообщают ничего о том, что было в прошлом, что есть сейчас и что будет в будущем. А второе начало разбивает это зеркало и устраняет симметрию: отныне направление чередования событий четко определено.

Теория энтропии довольно сложна, однако мы можем сделать из нее выводы, имеющие вполне конкретное отношение к повседневной жизни:

a) процесс, при котором тепло спонтанно переходит от холодного тела к нагретому, невозможен;

б) энергия в любом виде стремится рассеяться, как тепло.

Эти два утверждения полностью отвергают возможность изобретения машины на вечном двигателе, способной самозаряжаться и двигаться без подпитки энергией. В любом процессе некая часть энергии всегда тратится впустую, как тепло, то есть рассеивается в пространстве, и мы не можем ее собрать назад никаким образом, независимо от уровня развития нашей цивилизации. Мы не можем не только выиграть, но даже сыграть вничью. Что бы мы ни предпринимали, часть использованной энергии все равно превратится в тепло, рассеянное навсегда во Вселенной.

Классическим примером для иллюстрации этой концепции служит холодильник. Представьте себе, что читаете эту книгу очень жарким августовским днем. Температура на улице поднялась до 35 °C, солнце нещадно жарит стены вашего дома так, что он все больше напоминает жерло вулкана. Выбросив из головы все счета за электричество, вы отчаянно хватаетесь за пульт кондиционера, предвкушая уже струю холодного воздуха, омывающую тело. Вы нажимаете на кнопку… и ничего не происходит. Вы повторяете нажатие еще несколько раз, но напрасно: не работает. В отчаянии вы звоните в техническую службу, но у них полно заявок, и они смогут приехать только через пару дней. И тут вам приходит в голову идея: надо открыть дверь холодильника! Конечно, он не так удобен, как кондиционер, но лучше что-то, чем ничего, не так ли? Надо закрыть дверь и окно в кухне, открыть дверцу и подождать. Но пару часов спустя вам начинает казаться, что стало еще жарче, холодильник начинает завывать, будто готовится взорваться. Пришедший из школы сын, изучающий на физике как раз второе начало термодинамики, подкидывает вам учебник. И тут вы вспоминаете, что невозможно просто «уничтожить» тепло в комнате (первое начало термодинамики), его нужно куда-то деть. У кондиционера есть трубка, через которую тепло рассеивается вне стен вашего дома, а у холодильника есть теплообменник, который рассеивает в кухне тепло, извлеченное изнутри холодильной камеры. Если дверца закрыта, камера охлаждается, а воздух в кухне слегка нагревается; но если оставить ее открытой, вы не получите ничего, поскольку вы будете забирать тепло с одной стороны, и тут же выбрасывать с другой. И не только. Холодильник подключен посредством провода к электрической сети: как разделить виды энергии? Если бы тепло, отдаваемое задней стенкой холодильника, было равно количеству тепла, полученного из камеры, общий энергетический баланс равнялся бы нулю: а куда бы делась работа электричества? На самом деле из холодильника выделяется больше тепла, чем он забирает из воздуха, потому что часть работы электричества, вследствие второго начала, тоже преобразуется в тепло. И ваш сын совершенно прав – вы превратили холодильник в очень затратную духовку…

Теперь можно сформулировать итог: второе начало декларирует, что мир постоянно стремится к некоему равновесию, неподвижности. Жизнь – это нечто иное, как непрерывная борьба с термодинамикой. Все биохимические процессы, происходящие в нашем теле, имеют одну цель: не позволить нашему организму прийти в равновесие с окружающей средой. Для этого нам необходима энергия, которую мы потребляем с пищей и которую наше тело расходует для поддержания постоянной температуры в 37 °C в более холодной или более горячей среде. Эта энергия служит также для выработки электрических импульсов, используемых мозгом и нервной системой для коммуникации с остальными частями тела, для сокращения мускулов, возвращения их в прежнее состояние готовности к новым движениям. Она позволяет крови – при каждом вдохе – наполняться кислородом и циркулировать по телу. Равновесие же есть смерть: ничто больше не сможет измениться, ничего не случится. Это – конец времен, самый кончик стрелы. Согласно самым свежим космологическим теориям, это возможная окончательная судьба нашей Вселенной, термическая смерть, после которой не останется ни звезд, ни планет, ни галактик, ни черных дыр и никакой жизни, только вечная ледяная тишина[21]21
  Это одна из самых распространенных гипотез, но она не обязательно верна. Существуют и иные альтернативные теории, более обнадеживающие. Вокруг них сейчас ведутся серьезные дискуссии.


[Закрыть].