В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики - Питер Эткинс

нуля невозможно достичь за конечное число шагов. Если бы вы находились в язвительно-мрачном расположении духа, вы могли бы перетолковать первое начало в виде признания, что ничего не происходит, второе – что если все-таки, может, что-то и происходит, то от этого только хуже, и третье – что, как ни крути, все равно ничего не выйдет. Формулировка Нернста напоминает формулировки второго начала, предложенные Кельвином и Клаузиусом, в том смысле, что она апеллирует к наблюдениям, а не к лежащему в их основе молекулярному объяснению. Более глубокое понимание было достигнуто в 1923 году, когда два американских химика, Джильберт Льюис (1875–1946) и Мерл Рэндалл (1888–1950), нашли способ выразить этот закон в молекулярных терминах. Их формулировка фактически утверждает, что все полностью кристаллизованные субстанции имеют одну и ту же энтропию при абсолютном нуле. На этих страницах я не смогу продемонстрировать, почему эти два утверждения, столь различные по формализму, практически идентичны, но, упрощенно говоря, это следует из того факта, что, так как все энтропии стремятся к одному и тому же значению, при приближении температуры к нулю требуется затратить все больше и больше работы, чтобы извлекать энергию в виде тепла, и бесконечное количество работы, чтобы извлечь всю энергию целиком и получить нулевую температуру [37].

Таким образом, все, что утверждает третье начало, – что все субстанции при абсолютном нуле имеют одинаковую энтропию. Какую именно, закон не сообщает. Однако больцмановская интерпретация энтропии как меры беспорядка дает ответ: нулевую. Поскольку субстанция представляет собой идеальный кристалл, все его молекулы или ионы образуют идеальные сомкнутые структуры, в которых невозможен никакой беспорядок, вызванный несовершенством кристаллической решетки или молекулой, оказавшейся не на своем месте. Так как температура нулевая, все молекулы находятся на самом низком возможном энергетическом уровне – следовательно, не может возникнуть никакого беспорядка из-за того, что одна молекула вибрирует сильнее, чем другая. Мы в царстве идеального порядка, а это подразумевает нулевую энтропию, что бы ни представляло собой само вещество. Неудивительно, что это состояние недостижимо!

Третье начало, очевидно, имеет значение для тех, кто стремится достичь очень низких температур и надеется получить при этих условиях удивительные физические результаты. Даже для обычных смертных, которые обитают в теплых лабораториях, этот закон очень важен: ведь тот факт, что энтропия равна нулю при определенных условиях, является отправной точкой для самых разнообразных термодинамических вычислений, в том числе численных предсказаний того, пойдет ли какая-либо химическая реакция или нет. В контексте этой книги такие вычисления вряд ли представляют большой интерес, но вам следует знать, что третье начало как бы довершает остальные три и делает их количественно более применимыми, чем они были бы сами по себе.

Я сказал «довершает остальные три» – но не может ли быть и пятого, шестого или еще какого-то начала термодинамики? Этого никто не знает, хотя некоторые упорно заявляли, что эти законы еще предстоит найти. Традиционная термодинамика, в частности второе начало, имеет дело и с тенденциями к изменениям, и с системами, находящимися в равновесии и не имеющими никакой тенденции к тому, чтобы испытать дальнейшие изменения. Представляют интерес формулировки версий термодинамики, построенных на скорости, с которой реализуется эта начальная тенденция, – такой как скорость производства энтропии в процессе, далеком от равновесия и стремящемся прочь от него. Таково живое человеческое тело, для которого равновесие – это смерть. Эти «динамические структуры» изучал родившийся в России бельгийский химик Илья Пригожин (1917–2003), что принесло ему в 1977 году Нобелевскую премию. Однако некоторые аспекты его работы, значение которой он видел в том, что детерминизм в природе мертв, остаются противоречивыми и для кого-то просто неприемлемыми – гораздо хуже анархии[38].

* * *

Я попытался показать, что Природа, предоставленная самой себе, постепенно ухудшается, но в ходе этого процесса порождает локальные отклонения от хаоса, которые могут быть очень изысканными. Второе начало термодинамики кратко формулирует эту тенденцию материи и энергии к рассеянию и дает нам глубокое понимание ненаправленной движущей силы, лежащей в основе всех природных явлений. Мне кажется совершенно необычайным, что такой простой повседневный принцип может объяснять все изменения. Я показал, что приложения этого принципа включают в себя эффективность двигателей, а посредством этого и всей экономики; однако в глубине его таится вопрос, почему симметричные относительно времени законы Природы в результате дают одностороннее направление стрелы времени. Второе начало – дитя анархии, но именно оно порождает смирение и удивление.

6

Творческая сила неведения

Как материя отвечает на изменения

Неведение – верный союзник бездействия и анархии. В этой главе я хочу показать, как можно творчески использовать незнание для достижения знания. Конкретный закон природы, который я хочу в этой связи осветить, изначально был одним из первых законов, нашедших количественное выражение, – это случилось, как только ученые начали осознавать, как важно описывать Природу с помощью чисел. Но понят этот закон был гораздо позже – только в конце XIX века. И родилось это понимание именно из неведения.

Закон, о котором мы говорим, касается структурно простейшей формы материи – газа. Его сформулировал Роберт Бойль (1627–1691), работавший в начале 1660-х в Оксфорде. Но француз сказал бы, что открыл этот закон Эдме Мариотт (1620–1684), и случилось это в 1679 году в Париже. А подробной разработке его подверг Жак Шарль (1746–1823), когда, как это часто случается, изучение Природы было стимулировано требованиями и возможностями технического прогресса – в данном случае растущим интересом к полетам на воздушных шарах. Сейчас формулировки этого закона представляют исторический интерес – как я уже сказал, они стали одними из первых попыток подытожить свойства вещества в виде количественных выражений, то есть способом, который позволял производить количественные подсчеты и делать предсказания. Кроме того, они легли в основу развития термодинамики и ее приложений к химическим и инженерным явлениям и процессам. В общем, они имеют большое фундаментальное и практическое значение.

Я уже привел краткую формулировку закона Бойля в главе 1 и теперь только в двух словах напомню его содержание. Бойль и независимо от него Мариотт – не забудем, что в те дни новости распространялись не спеша, – установили, что давление газа обратно пропорционально занимаемому им объему. Сократите объем, занимаемый газом, и его давление возрастет. Если вы с помощью поршня втиснете газ в половину его первоначального объема, его давление удвоится. В наши дни нам нетрудно дать качественное объяснение такому поведению газа в свете современного представления о нем как о рое молекул, непрестанно хаотически мечущихся в пустом пространстве.