Одна формула и весь мир - Евгений Седов

Функция энтропии была введена в науку Р. Клаузиусом в статье, опубликованной в журнале «Физический ежегодник» в 1854 году, хотя в этой статье слово «энтропия» произнесено еще не было. Энтропия вошла в науку инкогнито, в виде очень простой по форме и совершенно неясной по своему физическому содержанию формулы 

Здесь буквой S обозначена функция, вскоре названная Р. Клаузиусом энтропией, буквой Т обозначена абсолютная температура физического тела, а буквой Q — количество сохраняемого этим телом тепла.

Клаузиус термин «энтропия» образовал из греческого корня «тропэ», означающего «превращение», к которому он добавил приставку «эн». Приставкой Клаузиус хотел подчеркнуть родство введенного им в науку понятия с уже общепризнанным в то время понятием энергии. «Обе величины, названные этими словами,— писал Клаузиус,— настолько близки друг к другу по физической значимости, что известное сходство в названиях кажется мне целесообразным».

Корень «тропэ» Клаузиус употребил потому, что с помощью энтропии удалось проанализировать процессы превращения одних форм энергии в другие, в частности превращение тепловой энергии в полезную механическую работу.

Проделанный Клаузиусом анализ навсегда рассеял иллюзии насчет получения полезной работы «задаром». Первый поток хитроумных проектов вечного двигателя проистекал от успехов механики. Авторы подобных проектов пытались перехитрить природу комбинацией из зубчатых и ленточных передач, тяг и штоков, скатывающихся по желобкам шариков, гидравлических приводов и всплывающих поплавков. Но потом обнаруживались не учтенные авторами проектов потери энергии, из-за которых любой «вечный» двигатель раньше или позже был обречен на вечный покой.

Закон сохранения энергии (впоследствии названный первым законом термодинамики) подвел итог всем попыткам перехитрить природу, доказал их несостоятельность и утвердил мнение о том, что черпать энергию «ниоткуда» принципиально нельзя. Так первый закон термодинамики положил конец бесплодным растратам творческой энергии на создание вечных двигателей первого рода.

Второй закон термодинамики — закон возрастания энтропии — отверг возможность создания вечных двигателей второго рода, то есть тепловых машин, производящих работу за счет циркулирующего в них тепла.

— Нет,— утверждал закон энтропии,— тепло не будет циркулировать вечно. Машина может производить работу лишь до тех пор, пока между нагретым телом (источником) и охлажденным телом (холодильником) сохраняется разность температур. Согласно второму закону термодинамики отдаваемое тепло может быть превращено в работу только частично. Другая же его часть тратится на нагревание холодильника и составляет бесполезный отход. Точнее, даже не бесполезный, а вредный, поскольку за счет этой энергии уменьшается разность температур между источником тепла и холодильником. А с уменьшением разности температур снижается эффективность машины, подобно тому как теряется сила водяной мельницы, если какая-нибудь неисправность плотины уменьшает разность уровней вращающей мельничные колеса воды. Но если плотину можно отремонтировать, то «исправлять» тепловую машину бессмысленно: из закона возрастания энтропии вытекает неизбежность уменьшения разности температур. Тепло, безвозмездно отданное холодильнику и не производящее никакой полезной работы,— это «энтропийная плата» за ту полезную энергию, которую мы извлекаем из тепловых машин. Отсюда вторая формулировка второго закона термодинамики: нельзя создать тепловой машины с коэффициентом полезного действия 100 процентов, ибо в такой машине все тепло источника превращалось бы в полезную работу, а холодильнику нечем было бы «платить».

Потери здесь необратимы: нельзя без затраты полезной энергии заставить тепло перейти обратно от охлажденного тела к нагретому и увеличить разность температур. Закон возрастания энтропии запрещает теплу течь в обратную сторону. И если технике удалось создать холодильник, отдающий свое тепло более нагретому окружающему воздуху, то при этом большая часть полезной энергии (например, электрической) все равно расходуется на разогрев окружающего пространства, на уменьшение разности температур между источниками полезной энергии и окружающей их средой.

Закон всегда остается незыблемым. Вот почему первый и второй законы термодинамики стали не только физическими, но и юридическими законами: во всех патентных бюро мира на заявки изобретателей вечных двигателей первого или второго рода был объявлен запрет.

Но это всего лишь начало славной истории понятия энтропии. И начало это было по-своему многозначительным. Уже тогда новому понятию оказались тесными рамки теории тепловых машин,— оно тотчас распространило свое влияние на весь мир, на всю Вселенную, посулив ей неизбежную тепловую смерть.

Простая логика приводила ученых к этому выводу. Второй закон термодинамики — общий закон природы. Все естественно протекающие в природе процессы порождают рост энтропии, которому соответствует равномерное распределение тепла и выравнивание температур. Значит, согласно этой теории Солнце, отдав тепло Земле и окружающему пространству, перестанет светить и греть. Такая же участь должна постичь и другие светила Вселенной. Вселенная превратится в омертвелый резервуар равномерно разлитого по всему миру тепла.

С момента возникновения физики вряд ли можно назвать другие физические законы, которые импонировали бы религии больше, чем закон возрастания энтропии. Открытия физики, как правило, противоречили церковным догматам, так как давали простые объяснения тем материальным явлениям, в которых религия усматривала вмешательство и участие высших сил. А тут вдруг такое единодушие: религия проповедует конец света, а физика формулирует соответствующий научный закон!

А поскольку־де научно доказан предсказанный священным писанием «конец света», можно обосновать и факт его сотворения богом. Такую концепцию попытался построить английский ученый Дж. Джинс. Вселенная, по словам Джинса, подобна часам, которые когда-то каким-то неведомым образом были заведены и пущены в ход, но которые неизбежно должны будут остановиться, так как «они сами себя завести не могут». Кто же мог быть «часовщиком», запустившим однажды Вселенную? Ну, разумеется, бог! «Должно было произойти то, что мы называем «творением»,— продолжает рассуждать Джинс.— Современная научная теория заставляет нас думать о творце, работающем вне времени и пространства, которые сами являются частями его творения, совершенно так же, как художник, который находится вне полотна своей картины».

Теологические толкования второго закона термодинамики были обобщены в 1951 году на торжественном заседании папской Академии наук в Ватикане.

— Эта печальная необходимость,— заявил папа Пий XII, имея в виду тепловую смерть Вселенной,— красноречиво свидетельствует о существовании Необходимого Существа.

Незадолго до открытия второго закона термодинамики наука дала такое веское опровержение конца света, как закон сохранения энергии, утверждающий неуничтожимость и несотворимость материального мира. А закон возрастания энтропии фактически сводит закон о неуничтожимости и несотворимости на нет. В самом деле, что толку от вечно сохраняемой миром энергии, если она теряет главное свое качество — способность производить работу! Если вся сохраняемая навеки энергия после выравнивания температуры превращается в равномерно разлитую по миру бесполезную теплоту!

Наряду с попытками построения теологических теорий, опирающихся на теорию тепловой смерти Вселенной, делались попытки обоснования пессимистических социальных прогнозов, основой которых являлась все та же пресловутая тепловая смерть. Так, например, анализируя книгу О. Шпенглера «Закат Европы», Н. А. Бердяев писал: «...Открытия, которые делает физика нашей эпохи, характерны и для заката культуры. Энтропия, связанная со вторым законом термодинамики, радиоактивность и распадение атомов материи, закон относительности — все это колеблет прочность и незыблемость физико-математического созерцания, подрывает веру в длительное существование нашего мира. Я бы сказал, что все это — физический апокалипсис, учение о неизбежности физического конца мира, смерти мира. Лишь в эпоху заката европейской культуры возникает такое «апокалиптическое» настроение в физике... Физика наших дней может быть названа предсмертной мыслью Фауста».

Так что же можно противопоставить всепобеждающей энтропии? Дух! Бердяев считает, что только «в духовном мире надо искать незыблемости... С ним должны быть связаны наши надежды».

Надежды, конечно, слабые. Если подобной концепцией можно утешить идеалиста, то материалисту-то точно известно, что нет «духа» без «тела», и если проклятая энтропия разрушит (а вернее, обесценит) материю и энергию, то и дух перестанет существовать. Неучтожимы не только материя и энергия, но и все многообразие их форм. «...С той же самой железной необходимостью,— писал Энгельс,— с какой она (природа.— Е.С.) когда-нибудь истребит на Земле свой высший цвет — мыслящий дух, она должна будет его снова породить где-нибудь в другом месте и в другое время».