Предчувствия и свершения. Книга 1. Великие ошибки

ОБОЛЬЩЕНИЯ

Вечное движение

История, к которой мы теперь переходим, началась более двадцати веков назад и, пожалуй, все ещё не завершена.

Истинное её начало неизвестно, но, если принимать во внимание лишь то, что зафиксировано письменами, его следует сопоставить с величайшими учениями древних астрономов. Эти учения казались точным отражением повседневного опыта, а повседневный опыт, накапливаемый веками, убеждал людей в очевидном факте — в вечном движении небесных тел. Напрашивался единственный вывод: если эти движения вечны, то должны существовать и вечные силы, поддерживающие их. Природа этих сил ускользала от учёных, как ускользает до сих пор природа других вечных сил — силы тяжести, влекущей падающее яблоко к Земле, а Землю к Солнцу; силы магнита, поворачивающей магнитную стрелку к северу и притягивающей железо к магниту.

Мы не знаем, кто первый задумался над тем, нельзя ли заставить вечные силы совершать даровую работу: тащить повозки, поднимать воду, молоть зерно.

Первое письменное свидетельство об исследовании, предпринятом с целью использовать вечные силы для практических целей, оставил француз Перегрино.

Судьба вечного двигателя началась с того, что Карл Анжуйский, задумав осаду итальянского города Лючеры, призвал в свои войска молодого физика Пьетро Перегрино. Пикардиец, весельчак, Пьетро скучал во время длительной осады и искал себе занятия. Его товарищи тоже скучали и развлекались кто как умел. Перегрино был человеком умным, образованным, и он коротал досуг, высказывая разные соображения о природе вещей в письмах, которые адресовал пикардийскому дворянину Сигеру. Под последним письмом стоит дата — 8 августа 1269 года, и оно завершает цикл, образовавший трактат под названием «О магнитах». Это был первый труд о магнетизме.

Трактат очень взволновал современников. Ещё не было ни серьезных наблюдений в области магнетизма, ни опытов — во всяком случае, ни о чём подобном нет документальных свидетельств.

В этом трактате содержалось и описание вечно движущейся машины, «которая, будучи раз пущена в ход, совершала бы работу неограниченно долгое время, не заимствуя энергии извне». Так характеризует перпетуум-мобиле Большая советская энциклопедия.

Трактат Перегрино и после смерти автора ходил по рукам. Он дал толчок такому количеству подражаний, был таким возбуждающим источником научного вдохновения, что заслужил право остаться навечно в летописи человеческой мечты.

История сохранила большое количество проектов вечных двигателей. Большинство использовало силу тяжести. Проекты представляли более или менее сложные комбинации рычагов, блоков, зубчатых и цепных передач. Иногда механизмы включали насосы, назначение которых состояло в подъёме воды. Поднятая ими вода, стекая вниз, должна была совершать работу, попутно приводя в движение эти же насосы.

Известны предложения, основанные на более сложных явлениях: например, для подъёма воды служили капиллярные силы, поднимающие керосин или масло по фитилям. Изобретатели считали, что эти силы могут бесконечно перетягивать воду из нижнего сосуда в верхний, а затем поднятая вверх вода, снова падая вниз, должна была совершать работу, вращая водяное колесо.

Конечно, наряду с добросовестными энтузиастами в числе создателей вечных двигателей были и мошенники, демонстрировавшие легковерным коронованным или просто богатым особам механизмы, движение которых поддерживалось скрытыми приводами.

В XVIII веке большой популярностью пользовался вечный двигатель Оффиреуса. Это было колесо, вращающееся на своей оси безостановочно после первоначального толчка. Многие учёные, наблюдавшие его работу,

не могли обнаружить никакого обмана.

Однако когда один из наблюдателей проявил слишком большую настойчивость и любознательность, конструктор разбил аппарат…

С 1678 года начинает выходить французский научный журнал, где регулярно помещаются многочисленные проекты устройства вечных двигателей.

Мечта о вечном двигателе (поразительная массовая галлюцинация!) казалась легко осуществимой. На протяжении многих веков никто не подозревал, что она несёт в себе непреодолимый запрет. Содержит своеобразный порок, подтачивающий все начинания изнутри; порок, кочующий из одной попытки в другую незаметно, как бацилла в инкубационном периоде.

Гений или помешанный?

Первый отпор идея вечного двигателя получила в эпоху, весьма склонную к авантюрам. XVI век не претендовал на особую учёность, он благоволил ко всякого рода чудесам, колдовству, магии. И тем более удивительно, что ополчился против вечного двигателя учёный, который в силу своего характера, научных склонностей должен был бы приветствовать такой подарок судьбы! Должен был ухватиться за идею перпетуум-мобиле и поставить целью жизни осуществить её.

Иероним Кардан был, пожалуй, самым авантюрным учёным в этот доверчивый век. Он слыл отличным математиком, физиком, врачом и… помешанным. Потому что какой нормальный человек может верить, как верил Кардан, что каждый год 1 апреля в 8 часов утра он может получить от богов всё, что пожелает? Он любил предсказывать,

и многие его предсказания сбылись. Чтобы не подорвать веру в силу своего провидения, он оборвал жизнь голодовкой на 75-м году только потому, что имел неосторожность предсказать дату своей смерти.

И этот учёный ополчился против идеи вечного двигателя. Он не только не присоединился к ловцам бесплатной энергии, но засел за обоснование невозможности создать такую машину.

Что же воодушевило Кардана — повышенное чувство долга? Вряд ли. Историки рассказывают, что Кардан не смущался кражей чужого открытия. Тридцатилетний блестящий математик Тарталья рассказал ему о своём оригинальном решении уравнения третьей степени, а Кардан опубликовал это решение под своим именем. Тарталья вызвал его на математическую дуэль-диспут, однако Кардан вместо себя прислал своих учеников, и те выдворили Тарталью из города!

Может быть, Кардан устыдился авантюрной погони за бесплатной энергией? Но что может смутить человека, который сам говорил о себе: «Я стремлюсь к чудесам, я коварен…»

Возможно, все эти отзвуки давно затихшей жизни — просто выдумка, как и легенды о том, что Кардан был так далёк от человеческих чувств, что безмятежно перенёс казнь сына, утрату колоссального состояния… История многое вольно добавляет и убавляет, когда дело касается биографий незаурядных людей. Если бы Кардан был позёром, он не оставил бы после себя такие замечательные, по свидетельству серьёзных учёных, труды, наполненные мудростью и заботой о нуждах людей, как трактаты «О разнообразии вещей», «О тонкости», которые служили пособиями для воспитания многих поколений физиков.

Именно в трактате «О тонкости» Кардан высказывает и обосновывает в меру своих возможностей полное убеждение в несостоятельности идеи вечного двигателя. Но уровень знаний его эпохи не дал ему возможности привести убедительные доказательства. Его возражения остались на уровне предчувствия. Он мог сэкономить время и силы десятков учёных, если бы убедительно подкрепил свои сомнения. Но он не смог облечь аргументы в строгую математическую форму, он не нащупал того закона природы, который запрещает осуществление вечного двигателя. Это сделает гениальный Ломоносов только через два века.

Союз науки и авантюризма

Особенно много проектов вечных двигателей появляется в XVI–XVII веках, в эпоху перехода к машинному производству. Учёные и фантазёры-самоучки, мало или совсем не знакомые с основами физики и механики, пытаются комбинировать простые механизмы в более сложные, но… всё равно получить от машины больше энергии, чем было затрачено на её работу, не удаётся.

Если бы конструкторы изучили труды Галилея, они знали бы это заранее. Галилей, как до него Стевин, ставил опыты с рычагами и блоками, наблюдал за скатыванием шаров по наклонной плоскости и пришёл к заключению, что с помощью простых механизмов невозможно получить даровую работу.

Галилей, изучая качания маятника, убедился: сила тяжести, разгоняя и замедляя маятник при его размахах,

не может произвести большую работу, чем та, что была затрачена в первоначальном толчке или при первоначальном отклонении маятника.

Но «вечные» машины продолжают появляться на свет!

Ни одна из них не даёт бесплатной работы, каждая приносит своему творцу разочарование. И каждая обогащает науку, заставляет учёных приблизиться ещё на шаг к истине, к пониманию запретов природы.

Всплеск веры в возможность создать вечный двигатель произошёл после изобретения электрических машин. Эта вера окрылила пивовара и физика Джоуля, человека практичного и предприимчивого. Он воспользовался вольтовой батареей и запустил от неё электродвигатель собственной конструкции. Батарея быстро выдохлась, и Джоуль смирился с неудачей: цинк в батарее съедался, а менять его стоило довольно дорого. Джоуль не стал упорствовать и оправдал свою неудачу оригинальным расчётом: он пришёл к выводу, что лошадь никогда не будет вытеснена электродвигателем, так как прокормить её дешевле, чем менять цинк в батареях. Эта работа не увенчалась созданием перпетуум-мобиле. Но сыграла огромную роль в исследовании количественных соотношений между теплотой и механической энергией.

Неудача Джоуля не отрезвила энтузиастов — волны научного прогресса приносят всё новые и новые варианты перпетуум-мобиле! Но какие идеи ни используют конструкторы, какой принцип действия вечного двигателя ни применяют, порочный круг неудач повторяется — полезная работа всегда меньше затраченной.

Здесь уместно подчеркнуть, что ликвидация трения в механизме не превратила бы его в вечный двигатель, не спасла бы идею. Ведь заманчивым является не пустое подражание вечному небесному движению или движению атомов, которое действительно происходит без трения. Разумеется, величественное кружение светил — впечатляющее явление, но для практических нужд бесполезное. Получение бесплатной энергии без затрат топлива — вот что изменило бы ход цивилизации. Просто вечное или почти вечное движение можно, пожалуй, осуществить с помощью большого маховика, вращающегося на хороших шариковых подшипниках. Но если от такого механизма попробовать отбирать энергию, он раньше или позже остановится. Вечный источник энергии, по идее, должен работать сам по себе, не только подкармливая себя, но и работая на «хозяина». Только такой вечный двигатель мог бы дать баснословные прибыли. Из-за них-то и возникал ажиотаж вокруг машин, выдаваемых за вечные. Ради этого предприниматели шли на любые расходы и сулили огромные вознаграждения…

И всё-таки перелом приближался. Зрело убеждение несостоятельности жадной мечты о бесплатной работе. В этой главе мы встретились с первым учёным, попытавшимся развенчать идею вечного двигателя. Теперь нам предстоит встретиться с тем, кто не только ясно понял, но и чётко изложил всеобщий закон, запрещающий возможность создания вечного двигателя.

«Сколько употреблено на сон, столько отнято от бдения»

Этот учёный родился далеко от цивилизованных центров, в заснеженном уголке, где большинство жителей не только не слышало о вечном двигателе или спорах о теплоте, магнетизме, электричестве, но и не обращало особого внимания на самое впечатляющее проявление этих сил, которым славится край, — на потрясающее воображение северное сияние. Знамение, гнев божий — дальше этого не простиралась пытливость поморов, жизнь которых проходила в тяжёлой борьбе за существование.

Сын архангельского помора в детстве не слышал таких великих имен, как Аристотель, Леонардо да Винчи, Ньютон, но стал в один ряд с ними, как последний из плеяды универсальных гениев.

Сфера научных интересов Ломоносова обнимает буквально все проблемы естествознания XVIII века. Его труды открыли первую страницу познания разных явлений природы. Он много думал и над загадкой теплоты, но специально проблемой вечного двигателя Ломоносов не занимался. Он считал само собой разумеющейся невозможность осуществления вечного двигателя, и это привело его к необычно всеобъемлющей формулировке закона сохранения, которую Ломоносов дал в 1748 году:

«Все изменения, случающиеся в природе, происходят так, что если что-либо прибавится к чему-либо, то столько же отнимется от чего-то другого. Так, сколько к какому-нибудь телу присоединяется материи, столько же отнимается от другого; сколько часов я употребляю на сон, столько же отнимаю от бдения, и т. д. Так как этот закон природы всеобщ, то он простирается даже на самые правила движения: тело, побуждающее своим толчком другое к движению, столько же теряет своего движения, сколько сообщает другому, движимому им».

Казалось бы, вопрос о возможности получения чего-либо из ничего исчерпан. Как же могло случиться, что даже через сто лет после этой формулировки Майер подвергается преследованиям за посягательства на ошибочные, но привычные взгляды на природу того, что теперь именуется одним словом — энергия? Как могло случиться, что Французской академии наук, изнемогшей от необходимости изучать бесчисленные проекты перпетуум-мобиле, пришлось принять специальное решение — оставлять без внимания всякие проекты вечных двигателей? Это было в 1765 году, через семнадцать лет после ломоносовского заключения! Кто же эти безумцы, запускающие воздушные шарики сенсаций? Кто отваживается идти против законов природы?

Если это люди, далёкие от науки, — прожектёры, авантюристы, прельщённые перспективой славы и богатства, — с них спрос не велик… Но… самое парадоксальное в этой истории то, что бег за мечтой продолжали учёные! Учёные, свято верящие в законы природы и тем не менее уверовавшие в чудо!

Что же это за новая химера?

Второе начало

Новым увлечением XIX века стали особые вечные двигатели, они привлекли изобретателей тем, что породили надежду на получение бесплатной энергии без нарушения закона сохранения. Они заронили веру в возможность компромисса с природой.

Речь идет, конечно, не об утилизации «вечных» в масштабах человеческой истории источников энергии рек или морских приливов, ветра или тепла земных недр, не об использовании излучения Солнца или разности температур поверхностных и глубинных слоёв океанов. Здесь все ясно. Подобные источники уже поставлены на службу человечеству.

В середине прошлого века родилось коварное заблуждение, дающее сложные рецидивы вплоть до наших дней. Вечный двигатель второго рода — так именуется новый тип перпетуум-мобиле, якобы способный без ограничения превращать тепло, запасённое в окружающих телах, в другие виды энергии.

Первый толчок к этому заблуждению дало изобретение и развитие паровых машин. Прошло немного времени после начала триумфального шествия паровых машин, как стало ясно, что эти прожорливые чудовища настолько плохо используют топливо, что грозят быстрым уничтожением лесов и исчерпанием запасов угля. Однако, несмотря на все попытки инженеров добиться улучшения работы паровых машин, сделать их более экономичными не удавалось. Да и как могло удасться, если существо процессов, сопровождающих работу этих машин, было совершенно непонятно?

Проблемой тепловых машин заинтересовался военный инженер Сади Карно. Поступив в 1819 году на должность лейтенанта во французский Генеральный штаб, юноша вынужден был заниматься мелкими поручениями. Ему не давали хода: его отец, Лазар Карно, бывший министр Французской республики, после реставрации монархии находился в изгнании.

Молодой Карно был умён, усидчив и не тратил время на карьеру. Он отдавал все силы и досуг науке.

Он решил попытаться добиться от паровых машин большей отдачи.

В 1824 году вышел из печати его труд «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных проявить эту силу» — единственная работа, опубликованная при жизни этого гения. В возрасте сорока лет он заболел скарлатиной, а через два месяца заразился холерой, которой понадобилось лишь несколько часов, чтобы свести его в могилу.

В своём труде Карно приходит к удручающему для энтузиастов паровых машин и великому для развития термодинамики выводу. Этот вывод настолько поразителен, что поверг даже самых мудрых из учёных в изумление и ужас. Но не менее изумителен путь, каким Карно пришёл к этому выводу.

Первоначальная цель Карно — построить как можно более хорошую паровую машину, способную получить максимум энергии из данного количества топлива. Но он не знает, как этого добиться.

Карно начинает с того, что говорит себе: допустим, я построил такую машину. В чём же проявится её преимущество перед реальными машинами? Чтобы понять это, он решает мысленно сравнить работу выдуманной им машины и реальной. Пусть, думает он, они работают в одинаковых условиях, от общего котла, с общим холодильником, а я проанализирую, почему одна машина работает лучше другой.

И тут Карно почувствовал беспокойство: если эти машины заставить работать в паре одна с другой, лучшая сможет компенсировать потери в худшей, не правда ли? Более того, если одна машина лучше другой вдвое, то, затратив половину вырабатываемой энергии на совершение внешней работы, другую половину она сможет потратить на то, чтобы поддерживать работу худшей машины! Выходит, что, получив первоначальный толчок, такая система из двух машин может в дальнейшем обойтись без топлива?!

Карно отчётливо понял, что эти рассуждения привели его в лагерь авантюристов — он изобрёл вечный двигатель! Но ведь вечный двигатель невозможен. Значит? Единственный логичный вывод: в этой паре не может быть лучшей машины. Все тепловые машины, работающие от общего котла и с общим холодильником, одинаково эффективны. Повысить КПД тепловых машин выше определённого предела невозможно. Заслуга Карно в том, что он ясно понял: дело не в умении или неумении инженеров, а в запретах природы — в необратимой потере тепла в окружающем пространстве.

Поразительно, что Карно пришёл к такому далеко идущему выводу путём простейших рассуждений, путём очень распространённого метода рассуждения от противного. Ещё более поразительно, что он сделал правильный вывод из неправильной посылки: Карно представлял тепло в виде жидкости, теплорода. Эта аналогия помогла ему представить процесс работы паровой машины наглядно. Под котлом с водой горит топливо, превращая воду в пар. При этом теплород течёт от горячего пламени к холодной воде. Поглотив теплород, вода нагревается, а потом испаряется. Горячий пар движет поршень машины и таким образом совершает работу. Пар при этом остывает и уходит в окружающее пространство. Вместе с ним рассеивается и теплород…

Задержим здесь внимание. Безупречной интуиции физик и ошибка — коллизия далеко не обычная, хотя в науке и нередкая. Карно опирался на теорию теплорода и все-таки не ошибался. Если его чутьё тонкого физика не забило тревогу, когда он взял за исходный пункт своих размышлений аналогию между теплородом и жидкостью, значит, тут не было запрета. И, как теперь ясно, не могло быть: между жидкостью и теплотой действительно много общего в поведении. А теплород и воплотил в себе свойства тепла как жидкости.

Теплород продержался в науке так долго именно потому, что в нём отразились многие истинные свойства теплоты. На молекулярном уровне разительно отличие теплоты и теплорода. Но Карно рассматривал проблему макроскопического распространения тепла, и тут его интуиция позволила ему опереться на теплород.

Более того, лучшего аналога, более верной путеводной нити не сыщешь! Уподобляя теплород жидкости, можно легко сравнить течение теплорода в паровой машине (от горячего котла к холодильнику) с течением воды в реке (от верховья в низину). Реки не текут вспять. Не возвращается и ушедший в пространство теплород. Отсюда возникает понимание особой роли теплоты среди других форм энергии — ни одна из них не теряется безвозвратно, как теплота!

Так Карно впервые сформулировал принцип, которому суждено было стать основополагающим в науке о теплоте — в термодинамике: тепло течёт самопроизвольно только в одном направлении — от горячих тел к холодным.

Совершенно непринуждённо при этом возникает понимание невозможности создания вечных двигателей. Воду в реке нельзя повернуть вверх по течению, не затратив на это работу. Не затратив работу, невозможно и теплород вернуть в машину для полезной деятельности. Несомненно, что для достижения любого полезного эффекта нужно чем-то поступиться.

Так Карно путем элементарных рассуждений пришёл к двум гениальным для его времени выводам. Первый — это принцип, носящий его имя: о естественном течении тепла только от горячего к холодному, но не обратно. И второй результат — формула для определения КПД лучших (идеальных) тепловых машин. Она была прямым продолжением рассуждений, с которыми мы познакомились, вытекала из аналогии между теплородом и водой. Уподобляя теплород воде, а разность температур на входе и выходе машины — разности уровней воды в водопаде, Карно заключил: как при падении воды работа измеряется произведением веса воды на разность уровней, так и в паровой машине работа измеряется произведением количества теплорода на разность температур.

Теперь очевидно: КПД идеальной тепловой машины зависит не от её конструкции, а только от разности температур.

Из этих рассуждений ясен и путь увеличения эффективности тепловых машин: её можно поднять за счёт увеличения температуры на входе — температуры пара в котле. Или за счёт понижения температуры на выходе.

Очень полезно использовать специальные, остужающие пар устройства — холодильники. Если пар на выходе машины не остужать, а просто выбрасывать в окружающее пространство, такая машина будет очень малоэффективна. Пример — локомотив, его КПД едва достигает трех-четырех процентов.

А если температуры котла и холодильника одинаковы? Паровая машина вообще не будет работать. Как не даст никакой работы водяная мельница, если её колесо опущено в стоячую воду.

Для простоты понимания Карно изложил свои результаты без помощи математики. Хотя они предельно наглядны и просты, всё это осталось почти не замеченным и, во всяком случае, не понятым. Карно опередил своё время.

В последующие годы Карно продолжал свой кропотливый труд. Он отказался от гипотезы теплорода и провёл новые рассуждения на основе механической теории теплоты и даже довольно точно определил механический эквивалент теплоты, то есть количество работы, которое можно получить из единичного количества теплоты. Результаты исследований были опубликованы в 1878 году при повторном издании «Размышлений» — более чем через сорок лет после смерти Сади Карно. А ещё через пятнадцать лет после этого Клаузиус, который ввёл в науку многозначительное понятие энтропии, добавил своё веское слово к принципу Карно: он выразил его в виде математической формулы и возвёл в ранг Второго начала термодинамики, сформулировав в виде следующего постулата: «Теплота не может самопроизвольно перейти от более холодного тела к более тёплому».

Наименование Второго начала термодинамики было присвоено принципу Карно потому, что за годы, прошедшие между смертью Карно и работой Клаузиуса, было выработано общее понятие «энергия» и окончательно сформулирован закон сохранения энергии, получивший название Первого начала термодинамики.

Волнение, которое вызвал постулат Клаузиуса в среде учёных, можно представить себе из того, как переформулировал его Томсон (лорд Кельвин). Он считал необходимым записать его так: «При посредстве неодушевлённого тела невозможно получить механические действия от какой-либо массы вещества путём охлаждения её температуры ниже температуры самого холодного из окружающих тел».

Ужас тепловой смерти

Что же испугало Томсона в принципе Карно, во Втором начале термодинамики? Его испугал вывод о том, что могут существовать условия, при которых невозможно превращение тепла в работу или в другие формы энергии. Ему казалось неприемлемым признание того, что, в отличие от других форм энергии, теплота обладает особыми свойствами, что какие-то её количества выпадают из замкнутого круга взаимных превращений.

Ничего подобного с другими видами энергии не происходило! Томсона поразило особое место теплоты среди других форм энергии. Его ужасал вывод, неизбежно следовавший из этого. Неизбежный логический вывод, противоречащий всему, что казалось надёжно установленным великими предшественниками. Необратимое течение тепловых процессов сулило Вселенной гибель…

Шесть долгих лет Томсон изучал проблему, прежде чем решил опубликовать результат. В 1857 году в работе «О всеобщей тенденции в природе к рассеянию механической энергии» он сообщает драматический вывод: принцип Карно верен, и он отражает гибельную тенденцию, властвующую над природой. Все формы энергии в конечном счете переходят в теплоту, температура всех тел стремится к выравниванию за счёт охлаждения нагретых тел. Это приводит к снижению работоспособности всех процессов, к тепловой смерти!

Вот когда энтропия показала своё истинное лицо. Энтропия, что означает в переводе «изменение», всегда стремится к нулю… Мир стремится к покою…

Теперь мы можем понять, почему Томсон, воспитанный в уважении к законам природы, ещё в 1851 году ввёл в формулировку Второго постулата термодинамики оговорку о неодушевлённых телах. Он не надеялся ни на что, кроме чуда или бога.

Клаузиус пропагандировал вывод Томсона и изложил его в чёткой математической форме.

Приговор был произнесён. Он потряс учёных и воображение широкой публики. Мир не будет существовать бесконечно. Он обречён.

Клерикалы утешали обывателя: мир не мог возникнуть без помощи бога, а раз так, то бог нас не оставит.

Многие учёные пытались оспорить положение Томсона — Клаузиуса. Они искали примеры, противоречащие Второму началу термодинамики. Все возражения были ошибочны, все примеры содержали погрешность.

Физика попала в тупик. Каков же выход?

«Современное естествознание вынуждено заимствовать у философии положение о неуничтожаемости движения: без этого положения естествознание уже не может существовать».

Так охарактеризовал поворот событий Энгельс. Ещё при его жизни гениальный физик Больцман освободил природу от опеки бога. Он показал, как в природе реализуется то, что Энгельс утверждал на основе общих положений диалектического материализма: движение бесконечно, мир не умрёт, не остановится в своём развитии.

Вы спросите: как же так? Второй закон термодинамики утверждает, что мир стремится к покою, а Больцман берёт на себя смелость утверждать, что, вопреки этому велению природы, движение вечно. За счёт чего же?

Как большинство крупных учёных, Больцман был материалистом. В результате изучения явлений природы он стихийно пришёл к тому, к чему диалектический материализм приводит строго научно. Он понял и объяснил парадоксальное уклонение природы от собственных запретов. Примирил теорию и реальность. Узаконил жизнь вопреки правам смерти и отнёс вывод о тепловом угасании мира к области заблуждений.

Проследим же за рассуждениями Больцмана. Проделаем два мысленных эксперимента:

1. Нальём в сосуд две одинаковые жидкости, различающиеся только цветом, и подождём. Они самопроизвольно смешаются. Сегодня и для школьника не секрет, что этот процесс является результатом хаотического теплового движения частиц жидкости. Процесс можно описать формулами.

2. Заложим в барабан слой белых шаров, а на них слой чёрных и приведём барабан во вращение. Шары постепенно перемешаются. Для науки и этот процесс — не загадка. Он описывается уравнениями. Если мы взглянем на эти уравнения, то увидим странную картину. Время может входить в них симметрично: со знаком плюс и со знаком минус. Уравнения механики написаны так, словно вращение барабана в обратную сторону снова разделит на слои смесь шаров, словно бы описываемые формулами процессы могут одинаково развиваться как в сторону будущего, так и в сторону прошлого. Но ведь это противоречит многовековому опыту человечества. Время, как и теплота, неотвратимо течёт только в одну сторону. Время течёт от прошлого к будущему, и нет никакой возможности не только повернуть его вспять, но и остановить хотя бы на мгновение!

Любой объект, принадлежи он мёртвой или живой природе, предоставленный сам себе, развивается в одном, вполне определённом направлении. Разве кто-нибудь когда-нибудь видел хоть одно исключение из этого правила?

Значит, уравнения механики лгут? Ведь они дают основание предположить, что, вращая барабан в обратную сторону, можно добиться разделения шаров на белые и чёрные, то есть вернуть систему в первоначальное состояние, в прошлое. Но в действительности этого не происходит. Не разделяются и смешавшиеся жидкости. Почему?

Чтобы, в соответствии с уравнениями механики, шары, смешавшиеся в барабане, при вращении в обратном направлении вновь разделились, вновь образовали структуру слоёв, нужно обеспечить точное воспроизведение всех элементарных шагов. То есть каждый шар в отдельности и все вместе должны пройти в обратном направлении в точности ту же дорогу, шаг в шаг, воспроизвести в обратном порядке все свои движения. Ведь возвращением в прошлое мы назвали бы точное повторение событий в обратном порядке. Точное! Но это невозможно уже потому, что «шероховатости» — мельчайшие неровности поверхности шаров — деформируются столь сложным случайным образом, что совершенно невероятно точное обратное воспроизведение каждого шага. Вращая барабан обратно и думая, что мы возвращаем процесс в прошлое, мы на самом деле уводим его ещё дальше в будущее, в сторону беспорядка.

Этим рассуждением Больцман не только не опроверг, но подкрепил вывод Томсона о неуклонном развитии природы от порядка к хаосу; о движении мира от состояния, при котором механическая, электрическая, химическая, тепловая и другие виды энергии распределены неравномерно, жизнеспособно, к состоянию, в котором всё и везде одинаково, и одинаково навсегда: безжизненно, невозмутимо.

Мы проследили первый этап рассуждений Больцмана. Узнали, почему ни один процесс в мире не может возвратить себя в прошлое. Теперь разберёмся, каким же образом мир, идя к смерти, возвращает себя к жизни?

Вернёмся ещё раз к барабану с шарами. Возьмём из него много шаров — скажем, тысячу. И обязательно, поверьте, в этой порции будет содержаться почти равное число белых и чёрных шаров. В большинстве случаев их будет по пятисот каждого цвета.

А вот вынув всего два шара, мы не сможем уверенно предугадать цвет. Оба могут оказаться разного цвета, но оба могут быть белыми или чёрными. То есть в большой порции шаров царит тот же беспорядок, хаос, что и во всём барабане. А вот в малой порции может обнаружиться порядок, словно бы результат умысла. Вывод: в малых частях большой беспорядочной системы может самопроизвольно возникать упорядоченность! Самопроизвольно, то есть без помощи бога, лишь по воле случая!

Случай! Вот всесильный джинн, которого обнаружил Больцман.

Мысль Больцмана сводится к тому, что Вселенная, огромная совокупность звёздных систем, в целом находится в состоянии теплового равновесия — в полном беспорядке и в полном соответствии со Вторым началом термодинамики. Но в отдельных её частях — например, в таких, которые могут обозреть наши приборы, в объёмах колоссальных, с нашей точки зрения, но малых по сравнению со всей Вселенной, — хозяином может стать случай. Он может породить всплеск энергии, как говорят учёные — флуктуацию. Из-за игры случая кое-где могут случайно возникнуть очаги повышения температуры. Они дадут ту разность тепловых уровней, которая породит движение, жизнь. После этого в каждом объёме, испытавшем случайное нарушение, развитие снова идёт в одну сторону, от прошлого к будущему, причём это нормальное развитие продолжается тем дольше, чем больше первоначальное возмущение.

«Этот метод, — пишет Больцман, — кажется мне единственным методом, при котором можно представить себе Второе начало, тепловую смерть единичного мира, без одностороннего изменения всей Вселенной от определённого начала к заключительному состоянию».

Можно сказать, что существование Вселенной и состоит в том, что в ней постоянно возникают случайные возмущения, которые «рассасываются», чтобы по закону случая возникнуть вновь.

Мы живём в одной из таких «возмущённых» областей. Мы знаем, что наш мир существует уже около десяти миллиардов лет и просуществует ещё много дольше.

Человечество возникло лишь пару миллионов лет назад, а цивилизация развивается всего несколько тысячелетий. Масштабы таковы, что нам не о чем беспокоиться! Однако материалисты должны трезво смотреть на вещи и стремиться к объективному изучению окружающего мира.

… Вернёмся ещё раз к законам термодинамики. Мы уже знаем, что её первый закон, закон сохранения энергии, не основан ни на каких более фундаментальных законах. Он является просто обобщением всей совокупности человеческого опыта, это истина, не выводимая из каких-либо других положений.

Но сейчас уже никто не сомневается в безусловной применимости закона сохранения энергии в нашем обычном мире, мире обычных масштабов и обычных интервалов времени.

Этот закон окончательно отвергает веру в возможность построения вечных двигателей, веру в возможность получения энергии «из ничего». Отвергает, но не объясняет, почему это невозможно! Не объясняет потому, что объяснение — это сведение к чему-либо более простому, более фундаментальному, а закон сохранения энергии сам принадлежит к наиболее фундаментальным законам природы и ничего фундаментальнее его мы не знаем.

Такие законы иногда называют постулатом. Постулатом в том смысле, который придаётся постулатам геометрии — не сводимым ни к чему более простому обобщениям геометрических свойств природы. Обобщениям всего опыта человечества.

Каких-нибудь сто лет назад этот закон ещё мог игнорироваться некоторыми учёными. Но в наше время убеждённость в достоверности и универсальности закона сохранения энергии столь велика, что в случае, когда эксперимент приводит к отклонению от него, учёные вправе ожидать нового открытия. Именно так в первой половине ХХ века из обнаруженного на опыте нарушения закона сохранения энергии при бета-распаде было предсказано нейтрино. Физикам было легче примириться с существованием неведомой частицы, не имеющей ни заряда, ни массы покоя, что уже само по себе казалось нереальным, чем поверить в нарушение закона сохранения энергии.

Однако и в наши дни вновь и вновь возникают теории, опирающиеся на возможность очень кратковременных нарушений закона сохранения энергии или на отступления от этого закона в процессах, разыгрывающихся в очень малых областях пространства.

Большинство учёных относятся к этим теориям с недоверием. Но наложить запрет на их создание невозможно, ибо они относятся к предельно малым областям пространства и временам-мгновениям, для которых закон сохранения энергии ещё не подтверждён экспериментом, хотя, конечно, и не опровергнут.

Можно считать, что возникновение мятежных теорий связано именно с постулативным характером закона сохранения энергии. Ведь мы знаем, что замена постулата Евклида о параллельных линиях другим постулатом привела не к катастрофе, а к созданию новых геометрий — геометрии Лобачевского и геометрии Римана. Геометрия Евклида оказалась лишь частным случаем. В больших объёмах, содержащих тела очень большой массы, справедлива неевклидова геометрия.

«Второе начало термодинамики, так же как и первое, является обобщением огромного количества установленных опытным путём закономерностей» (БСЭ, том 42, стр. 318, изд. 2). Начало названо постулатом. До настоящего времени без такого постулата невозможно построить термодинамику и конструировать тепловые машины. Возможно, в будущем постулат будет выведен из фундаментальных законов микромира. Именно этот постулативный характер и то, что Второе начало термодинамики не очень просто осознать, приводит к тому, что и в наше время иногда появляются люди, охваченные надеждой на то, что они могут найти в обычных условиях случай, не подчиняющийся Второму началу термодинамики. Может быть, они не знают о том, что все их предшественники на этом пути потерпели поражение. Возможно, они надеются на особое счастье.

Им ясно одно: если Второе начало падёт, то падёт и принцип Карно, падёт запрет перевода тепла от холодных тел к горячим без затраты работы, и, может быть, тогда станет возможным получить энергию при помощи тепловых машин без затраты топлива!

Эта надежда на слепое счастье приводит к тому, что и в наши дни продолжают появляться проекты вечных двигателей!

Что же это за машины? Кто их авторы, эти упрямцы, не складывающие крылья мечты?

Перпетуум-мобиле XX века

Возможны ли они? — возмутится читатель.

Жертвой старого заблуждения стал совсем недавно известный радиоспециалист профессор С.И. Тетельбаум. Для него не было сомнения в азах электротехники: электрический ток — это движение электронов по проводам под влиянием электрического напряжения, приложенного к концам проводника. Также не было откровением и то, что на это движение всегда налагается хаотическое тепловое движение электронов. Если отключить внешнее напряжение — ток прекратится. Хаотическое движение сохранится, но совершающие его электроны не будут испытывать регулярного смещения вдоль проводника. Они движутся беспорядочно, поэтому обычные приборы — амперметры не зарегистрируют электрического тока: он равен нулю.

Но чувствительные усилители могут обнаружить хаотическое напряжение, связанное с хаотическим движением электронов. После усиления оно слышно как ровный шум в громкоговорителе или видно как мерцание экрана телевизора, когда телевизионная станция не работает.

Учёный, о котором идёт речь, конечно, знал также, что существуют электрические выпрямители, или детекторы, пропускающие через себя электрический ток только в одном направлении. Значит, рассуждал учёный, такой детектор способен пропускать и «хаотические» электроны только в одном направлении, задерживая идущие в обратном направлении. При этом детектор будет превращать хаотическое тепловое движение электронов в постоянный электрический ток! И осуществится небывалое: по проводам потечет ток без всякой батареи или другого источника электрического напряжения, без затраты электрической энергии.

Автор этого перпетуум-мобиле решил, что он нашёл способ преобразовывать хаос в порядок. Нащупал возможность превращения хаотического теплового тока в упорядоченный постоянный ток. По его мнению, перед человечеством открылась фантастическая перспектива: возможность черпать электроэнергию непосредственно из тепла окружающего воздуха.

Наука тоже получила «подарок»: уверение в том, что Второй закон термодинамики неверен!

Профессор ставил соответствующие опыты в лаборатории своего института и дома отдавал им всё свободное время, пытаясь воплотить свою мечту в реальное устройство. У него не получился перпетуум-мобиле. Результат всегда был отрицательным. Но всегда оставалась надежда на то, что в следующий раз… если принять ещё какие-то меры… Ведь очень убедительными кажутся рассуждения, приведённые выше.

Обычная надежда творцов вечных не узнал — смерть прервала его настойчивые поиски.

Однако и эта иллюзия, и это заблуждение не прошли бесполезно. Конечно, профессор потерял много времени и сил, отнял время у других учёных, стремившихся понять корни его заблуждения. Выявить конкретный «механизм», воплощающий в этом случае действие Второго закона термодинамики, было нелегко. Но с этой задачей справился один из друзей неудачника, тоже известный радиофизик, член-корреспондент Академии наук СССР, осветив ещё одну особенность тепла.

Он показал и подтвердил это точным расчётом, что ошибка и ложная надежда в этом случае возникли из-за того, что при рассуждениях учитывались лишь тепловые движения электронов в проводнике. Что происходит в самом детекторе, не принималось в расчёт. Правильный результат может быть получен лишь из правильных предпосылок, из достаточно полного учёта всех существенных деталей процесса. А точный анализ показал, что без разности температур в замкнутом проводнике, содержащем детектор, тепловые движения электронов не вызывают постоянного электрического тока.

Вот если проводник и детектор будут иметь разную температуру, только тогда в этом своеобразном «электрическом водопаде» польётся «вода» — электрический ток. Электрическая энергия возникнет за счёт тепловой энергии — в процессе выравнивания температур горячей и холодной частей системы. И тепловая энергия, и, следовательно, электрическая иссякнут, как только исчезнет разность температур, то есть когда горячая часть системы остынет, а холодная нагреется, когда и проводник, и детектор вернутся к общему тепловому состоянию. Конечно, разность температур между ними легко создать и поддерживать при помощи внешнего источника тепла. Но тогда мы будем иметь дело с одной из известных машин, с теплоэлектрическим генератором или термоэлементом, полностью подчиняющуюся обоим началам термодинамики. Если поддерживать… внешний источник тепла… Эти оговорки нам напоминают, что и тут не идёт речь и не может идти о даровой энергии. За неё надо платить.

Профессор в своем увлечении погоней за даровой энергией не захотел или не сумел в достаточной мере проанализировать систему, с которой работал. Впрочем, анализ оказался весьма и весьма сложным. Только после того, как эта трудная работа выполнена и всё прояснилось, можно изложить её результаты просто и наглядно.