В прошлый раз мы выяснили – неумолимые математические формулы показывают, что наш мир ожидает «тепловая смерть», потому что количество энтропии во Вселенной постоянно увеличивается, в то время как количество энергии остаётся неизменным.
Когда люди узнали об этом, они были потрясены. Ещё бы, «наука доказала, что мир обречён!» Раньше люди верили в бессмертие (в бессмертие души, например), верили в то, что жизнь бесконечна. И вот – эта вера рухнула! Во всяком случае, серьёзно пошатнулась…
В конце XIX века вошло в моду движение «декадентов» (от французского слова «декаданс» – «падение», «разложение»). Декаденты считали, что, раз мир «заканчивается», то незачем думать о будущем, соблюдать приличия, стараться сделать жизнь лучше. В «декаденты» записывались поэты и писатели, философы и художники. Обычные люди тоже стали подражать декадентам. Возникла мода на мрачность и цинизм, «мода на смерть», мода на вызывающее и даже бесстыдное поведение.
Смысл этого явления великий русский писатель Ф.М. Достоевский выразил одной ёмкой фразой: «Если Бога нет – всё дозволено».
Сегодня мы расскажем, как пришло спасение. Наберитесь терпения и читайте внимательно – шаг за шагом!
Что такое тепло?
Еще до Клаузиуса идею о существовании «бесполезной потери теплоты» высказал французский физик и математик Сади Карно. Однако сами его представления о природе тепла были очень далеки от истины. Сади Карно представлял тепло как невидимую и невесомую жидкость – «теплород», – перетекающую от одного тела к другому. Рудольф Клаузиус стал одним из основоположников современной теории тепла – молекулярно-кинетической. В ней полностью отвергался теплород, а возникновение тепла объяснялось быстрым или медленным движением мельчайших частиц вещества, то есть молекул.
Каждая молекула невообразимо мала и обладает крохотной массой. Тем не менее, как любое движущееся тело, она обладает кинетической энергией – помните, мы говорили об этом в самом начале?
Сталкиваясь в беспрестанном хаотическом движении с другими молекулами, наша молекула выполняет механическую работу – и именно эту работу мы уже воспринимаем в качестве температуры тела. Если молекулы движутся быстро – то температура выше, если молекулы движутся медленно – то температура ниже. Случай, когда молекулы вещества «остановятся совсем», физики назвали «абсолютным нулём». Это самая низкая температура, которая может существовать в нашей вселенной, и равняется она минус 273 градусам.
Чтобы понять, надо измерить
Но вот в чём дело. Молекул вещества очень много – не миллионы, не миллиарды, не триллионы – их триллионы триллионов даже в объёме чайной ложки! В стакане воды в секстиллион раз больше молекул, чем звёзд во всей нашей Галактике! Могут ли все они двигаться с одинаковой скоростью?
Нет, конечно же, не могут. Скорости и направления движения у всех молекул разные – а температура вещества определяется только «в среднем». Формулы для таких расчётов изучает особая наука – статистическая физика.
Почему эта наука особенная? Потому что математически описывает величины, связанные и не связанные между собой одновременно!
Бывает так, что связь существует только на очень большом, макроскопическом уровне. А на обыкновенном (то есть микроскопическом) – нет. Приведём простой пример.
В 1980 году в Москве проходили летние Олимпийские игры, а на торжественных церемониях открытия и закрытия зрители с восхищением наблюдали за огромными «живыми картинами» на центральной трибуне стадиона в Лужниках. Это был как бы экран размером 67х67 пикселей, только «пикселями» были люди – 4 с половиной тысячи человек. По сигналу режиссёра они поднимали разноцветные флажки.
Сможем ли мы, взяв отдельного человека из этой массовки, точно сказать – какая картинка показывается на трибуне в данный момент? Вот, скажем, волонтёр Петров поднял синий флажок. Какую он показывает картинку? Неизвестно. С другой стороны, глядя на общую картинку с олимпийским медвежонком Мишей, сможем мы точно сказать, какой флажок сейчас поднял волонтёр Петров? Тоже нет!
То же самое можно сказать о тепловых процессах. Мы можем взять стакан воды (макроскопический уровень) и измерить градусником его температуру – запросто! Но можем ли мы точно сказать, с какой скоростью движутся молекулы воды (микроскопический уровень) внутри этого стакана? Нет.
А если мы проследим за какой-то одной молекулой и измерим её скорость – сможем ли сказать, какая температура воды в нашем стакане? Опять нет. Вот и получается, что величины между собой связаны (температура зависит от скорости движения молекул), но... не связаны.
Кто такой демон Максвелла?
Далеко не всем в середине XIX века были понятны революционные для того времени идеи о движении молекул. Горячим сторонником молекулярно-кинетической теории тепла был физик Джеймс Максвелл. Для того, чтобы интересно и образно проиллюстрировать студентам связь между теплом и движением молекул, Максвелл придумал вот какой красивый и любопытный пример.
Предположим, что у нас есть сосуд с газом одинаковой температуры. Этот газ состоит из огромнейшего числа молекул, которые движутся (в точности по формулам статистической физики!) с разными скоростями и в разных направлениях. Разделим этот сосуд напополам перегородкой, а в перегородке сделаем маленькую дверцу, возле которой посадим маленького, но разумного, очень юркого и наблюдательного демона.
Отдадим демону вот какой приказ: в правую половину сосуда пропускать только те молекулы газа, которые движутся быстро, а в левую – только те молекулы, которые движутся медленно. В результате работы «демона Максвелла» в правой половине соберутся только более быстрые молекулы, а в левой – более медленные; тогда в правой половине сосуда (снова в точности по формулам статистической физики!) температура «сама по себе» станет выше, а в левой – напротив, ниже. Правая половина нагреется, левая охладится.
Если бы «демон Максвелла» на самом деле существовал и умел ловить и сортировать молекулы, он вполне смог бы поднять температуру в правой половине сосуда, не нарушив второе начало термодинамики. Вопрос лишь в том, может ли существовать такой демон!
Мы живём в XXI веке, вокруг всё больше и больше нанотехнологий, так что почему бы и не предположить, что будет создан такой вот крохотный робот-демон, сортирующий молекулы? Однако для работы ему будет нужна энергия. А она не берётся из ниоткуда – робота демона придётся «кормить».
В этом-то и загвоздка!.. Демон Максвелла – не часть замкнутой системы «сосуд с молекулами газа». Он отдельная, «внешняя» по отношению к сосуду система (хоть и сидит внутри). А по отношению к Вселенной он – часть замкнутой системы «Вселенная». И расходуемая им энергия, хоть и понижает энтропию сосуда с газом, но энтропию Вселенной отнюдь не понижает! А наоборот, повышает...
Значит, нужен такой демон, который будет внешним по отношению к Вселенной. Хм... А это может быть только... Ну, да, её Творец. Или – если не хотите Творца – другая вселенная, сообщающаяся с нашей по принципу «жизнь – смерть – жизнь». Как два пузыря – один сдувается, другой надувается...
Кстати, предположение про «пузыри» является вполне серьёзной научной гипотезой. А есть ещё и «многомировая интерпретация» – математическая модель, в которой вселенные даже и сосчитать невозможно: их бесконечность бесконечностей! (Что уж тут горевать об одной...)
Но интересно другое.
«Энтропии вопреки»
Физик Эрвин Шрёдингер (ага, тот, которого «кот»), автор интереснейшей книги «Что такое жизнь с точки зрения физики», внимательнейшим образом изучив этот вопрос, пришёл вот к какому выводу: «Жизнь – это работа специальным образом организованной системы по понижению собственной энтропии за счёт повышения энтропии окружающей среды».
Получается, что живые организмы – даже примитивные, микроскопические! – способны «перераспределять» энтропию, предотвращать свою деградацию, повышать сложность систем, перенаправлять потоки энергии.
Этой неожиданной теории существуют подтверждения – например, в геологии.
На сегодняшний день геологам известно около 5000 различных минералов (горных пород). Однако далеко не все горные породы, присутствующие на Земле, есть на безжизненных небесных телах – скажем, на Луне! Там нет и не может быть ни мела, ни мрамора, ни известняка, ни каменного угля... Почему?
Потому что эти минералы образовались из отложений живых организмов! 90% горных пород (!) на нашей планете возникли исключительно благодаря такому удивительному явлению, как жизнь!
Получается, жизнь действительно может многократно повышать сложность «системы в целом», уменьшая тем самым её энтропию, повышая «энергетический потенциал»!
Живая вселенная?
Одна из самых удивительных и спорных научных теорий на сегодняшний день – это теория о существовании «вселенского разума». У неё есть очень много сторонников – но и очень много противников.
Сторонники говорят, что наш мир, состоящий из огромнейшего количества взаимосвязанных элементов – скажем, соединённых гравитационным полем звёзд и галактик, состоящих, в свою очередь, из соединённых атомными и квантовым полями элементарных частиц, – рано или поздно, подобно гигантскому мозгу, был должен обрести некую форму сознания – или хотя бы какое-то его подобие.
Это не значит, что вселенная разумна в человеческом понимании – в конце концов мы и сами ещё толком не понимаем, что же такое «разумность» или «сознание». Однако такой вот «супермозг» вселенского масштаба должен рано или поздно осознать свою смертность – неизбежный конец из-за той самой энтропии и «тепловой смерти». А значит, у него, как у жизни, могла возникнуть способность этому противостоять...
Больше напоминает фантастику? Согласны. Но когда учёные говорят о малоизученных и непростых вещах, они вынуждены «заступать» в область фантазии и воображения.
Посмотрите – структура нашей вселенной очень напоминает структуру нервной клетки! Что это? Случайное совпадение? Или нет? Посмотрите-посмотрите!
Красиво? Снова вспоминаем Фёдора Михайловича: «Мир спасёт красота»... А хотите – вот «мнение специалиста»:
«Вселенная – это не гигантская машина, а гигантская мысль»
Физик-теоретик Джеймс Джинс
Это он со своей семьёй. Как думаете, прав он или нет?
Ну и приоткроем невеликий секрет. То, что вы прочитали, это немножко переделанная статья из журнала «Лучик». Выписывайте его детям! (Годовая подписка по старым ценам.) Купить журнал можно здесь.
