Это, пожалуй, самый фундаментальный закон Вселенной, но почему всё так?
Если вам кажется, что мир погружается в хаос, вы правы. Может быть, вы и ошибаетесь, если это ощущение касается политики или состояния общества, но в масштабах Вселенной нет никаких сомнений – порядок рушится. Так происходит всегда. Но почему? Физики называют меру беспорядка в системе энтропией. Строго говоря, она определяется как “мера энергии в системе или процессе, которая не может быть использована для совершения работы”. Другие описывают энтропию как количество случайности или беспорядка в системе. В любом случае суть одна и та же.
Второй закон термодинамики гласит, что энтропия изолированной системы не может уменьшаться. Поскольку она также не может оставаться неизменной, если совершается какая-либо работа, энтропия в замкнутой системе постоянно увеличивается. А поскольку Вселенная, почти по определению, является замкнутой системой, её энтропия должна расти.
Ответ на вопрос, почему это так, может привести к вопросам о том, какие особенности Вселенной неизбежны, а какие могли бы быть другими, если бы всё сложилось немного иначе. На этот вопрос сейчас нет ответа, и, возможно, никогда не будет. Тем не менее, справедливо будет сказать, что, хотя мы можем представить себе Вселенную, в которой некоторые законы физики были бы немного другими, и иногда даже обнаруживаем, что они не такие, как мы думали, тенденция к беспорядку кажется неизбежной.
Физик Артур Эддингтон, пожалуй, наиболее известный тем, что первым подтвердил общую теорию относительности, советовал своим студентам: “Закон возрастания энтропии – второй закон термодинамики – занимает, я думаю, верховное положение среди законов природы”.
“Если кто-то укажет вам, что ваша любимая теория Вселенной противоречит уравнениям Максвелла, тем хуже для уравнений Максвелла. Если выяснится, что она противоречит наблюдениям – ну, эти экспериментаторы иногда ошибаются. Но если ваша теория противоречит второму закону термодинамики, я не могу дать вам никакой надежды; ей остаётся только рухнуть в глубочайшем унижении”.
Эта цитата помнится более века спустя, потому что, в то время как другие столпы физики эпохи Эддингтона рухнули, этот остался незыблемым.
Что говорит второй закон
Новичок в физике, столкнувшись со вторым законом термодинамики, не всегда поймет его значение, потому что он часто формулируется так, что энтропия вообще не упоминается. Распространенный способ представления закона – это кажущееся очевидным утверждение, что тепло естественным образом перетекает из более горячей области в более холодную.
Это можно обратить вспять – кондиционеры работают по принципу охлаждения помещения, которое обычно изначально холоднее, чем улица, куда сбрасывается тепло. Но для этого нужно затратить много энергии, что очевидно для любого, кто получает счет за электричество после лета, проведенного с включенным кондиционером.
Связь этого наблюдения с энтропией неочевидна, но начинает проясняться, когда мы добавляем другую часть закона: не всё тепло в системе может быть преобразовано в полезную работу в циклическом процессе. Ни один двигатель не может быть на 100% эффективным в преобразовании тепла в другие формы энергии, не говоря уже о том, чтобы превзойти этот показатель.
Неэффективность означает большее количество отработанного тепла, что то же самое, что и более неупорядоченные молекулы, и большая общая энтропия. Двигатель может увеличить порядок внутри системы, но только за счет создания большего беспорядка вокруг.
Хотя разговоры о потоке тепла и эффективности двигателей могут показаться абстрактными, второй закон – это способ перевода знакомой в других областях концепции: бесплатный сыр бывает только в мышеловке. Во Вселенной, где второй закон не действовал бы, бесплатный сыр был бы повсюду. Можно было бы получать от операции больше энергии, чем вкладывается. Возможно, приятно представить себе такую ситуацию, но большинству из нас интуитивно понятно, что Вселенная не обязана обеспечивать нам легкую жизнь.
Не все согласны с предостережением Эддингтона. Каждый год патентные бюро и физические факультеты по всему миру получают письма от людей, утверждающих, что изобрели вечный двигатель. Некоторые из них работают, используя самый близкий к бесплатному сыру ресурс – энергию, излучаемую Солнцем или другим внешним источником.
Они не нарушают второй закон, потому что полагаются на тот факт, что Земля не является замкнутой системой: она получает солнечный свет и космические лучи из космоса и излучает их обратно. Приходящая энергия может быть использована для создания большего порядка на Земле: растения и фотосинтезирующие водоросли делают это уже очень давно, а наши солнечные панели только догоняют их.
Однако в более широкой перспективе любой локальный прогресс, достигнутый в борьбе с беспорядком, с лихвой преодолевается возросшей энтропией, которую производит Солнце, сжигая молекулы для получения тепла.
Настоящий вечный двигатель, не использующий внешнюю энергию, нарушает второй закон, потому что если бы мы построили достаточно таких двигателей, то смогли бы сделать Вселенную в целом более упорядоченной, обратив вспять рост энтропии. Бесчисленное количество людей пытались это сделать, в том числе некоторые из величайших умов физики.
Джеймс Клерк Максвелл, автор уравнений, о которых говорил Эддингтон, предложил идею крошечного существа, позже прозванного демоном Максвелла, которое могло бы создать вечный двигатель, сортируя молекулы. Потребовались десятилетия, чтобы показать, почему это невозможно, хотя квантовая физика продолжает усложнять этот вопрос. Многие менее выдающиеся умы утверждали, что им удалось то, что не удалось Максвеллу, но на самом деле это не так. Второй закон остается непобежденным.
Существует еще много неопределенности относительно конечной судьбы Вселенной. Некоторые модели предполагают, что второй закон может не всегда господствовать над нами. Однако на данном этапе, скорее всего, наиболее вероятным концом всего сущего остается весьма удручающий сценарий, известный как “тепловая смерть Вселенной”, когда вся энергия распределяется равномерно и энтропия начинает подавлять всех нас.
Читайте также: Вечный двигатель: почему никто – даже Леонардо да Винчи – не смог заставить его работать
