Второй закон термодинамики

Энтропия замкнутой системы с течением времени должна либо оставаться неизменной, либо нарастать.

Второй закон изначально был сформулирован в контексте функционирования двигателей и холодильников, чтобы объяснить тот факт, что эффективность их работы не может быть абсолютной, несмотря на то что абсолютная эффективность не противоречит закону сохранения энергии. Иными словами, двигатель не может превратить 100% сообщаемой ему тепловой энергии в работу. В противном случае можно было бы построить вечный двигатель, получающий всю необходимую энергию из внешней среды. Аналогично холодильник или кондиционер не могут изменить температуру, не совершая работы. Иначе их не требовалось бы подключать к электрической розетке. В1865 году Рудольф Клаузиус (1822–1888) заново сформулировал эти законы в контексте абстрактной величины, называемой энтропией, которая является показателем неупорядоченности системы.

Влияние термодинамики на представления людей XIX века о мире было огромным, особенно того, что касается ее связи с богословскими вопросами. Многие философы и богословы тех времен обратились к первому и второму началам термодинамики, чтобы найти в них подтверждение гипотезы конечной, сотворенной Вселенной. К первому закону обращались, чтобы доказать, что внутренняя энергия Вселенной, состоящая из потенциальной энергии гравитационного притяжения и кинетической энергии (энергии движения), должна иметь источник, находящийся за пределами Вселенной.

На основании второго закона термодинамики доказывали, что Вселенная не может быть вечной, она должна иметь начало и, более того, в итоге должна умереть^{88}. Это явление получило название тепловой смерти Вселенной — состояния, при котором движение полностью прекратится и температура Вселенной снизится до минимально возможного уровня, то есть абсолютного нуля.

Термодинамический аргумент в пользу божественного творения, высказанный многими авторами, заключается в следующем: во-первых, если бы Вселенная существовала вечно, ее тепловая смерть, то есть состояние полной неупорядоченности, максимальной энтропии, уже наступило бы. Во-вторых, уровень энтропии Вселенной в прошлом был ниже и в какой-то момент должен был быть минимальным (нулевым), это и был момент рождения Вселенной. Это, утверждали они, свидетельствует не только о том, что Вселенная имела начало, но и о том, что она была сотворена сверхъестественным образом. Этот вывод следует из того факта, что Вселенная в то время находилась в состоянии полного беспорядка, хаоса, значит, существующий порядок должен был прийти извне.

Герман фон Гельмгольц, написавший в 1847 году исчерпывающий трактат о законе сохранения энергии, объяснил, каким, на его взгляд, будет конец Вселенной, в лекции, прочитанной им в Кенигсберге в 1854 году:

«Если физические процессы во Вселенной будут дальше неизменно идти своим чередом, вся сила [под силой подразумевается энергия] в конечном итоге обратится в форму тепла, а все тепло придет в состояние равновесия. Тогда исчезнет возможность всяких дальнейших изменений и наступит полная остановка всех естественных процессов… Иными словами, с этого момента Вселенная будет обречена пребывать в состоянии вечного покоя»^{89}.

В 1868 году Клаузиус дал определение тепловой смерти Вселенной с точки зрения энтропии: «Энтропия Вселенной стремится к максимуму», и в момент, когда его достигнет, «Вселенная застынет и умрет»^{90}.

Но не все были в этом убеждены. Выдающийся британский физик лорд Кельвин (Уильям Томсон) соглашался с гипотезой тепловой смерти. В 1862 году он написал: «Результатом всего этого [того, что он называл законом рассеяния энергии] неизбежно было бы состояние всеобщего покоя и смерти». Однако далее он подвергает сомнению этот вывод, говоря, что «наука побуждает нас скорее допускать бесконечное развитие через бесконечное пространство действия, ведущего к превращению потенциальной энергии в осязаемое движение, а оттуда в тепло, чем смотреть на природу как на один конечный механизм, бегущий, как часы, и останавливающийся навсегда»^{91}. Другими словами, закон рассеяния энергии не выполняется в условиях бесконечного пространства. Но у Кельвина не было убедительного аргумента в пользу бесконечности последнего.

Другие ученые, в частности шотландский инженер и физик Уильям Ранкин (1820–1872), один из основателей термодинамики (абсолютная температурная шкала, имеющая ту же цену деления, что и шкала Фаренгейта, называется шкалой Ранкина), искали способы избежать тепловой смерти Вселенной. Ранкин предполагал, что «лучистая теплота» может иметь свойства, позволяющие ей повторно фокусироваться, вместо того чтобы рассеиваться^{92}.

Что касается происхождения Вселенной, тогда считалось, что существует закон сохранения массы, следовательно, вещество, составляющее Вселенную, должно было откуда-то взяться. Джеймс Клерк Максвелл, великий ученый, создавший единую теорию электричества и магнетизма, о котором мы еще поговорим позже и который к тому же был христианином-евангелистом, в 1873 году высказал в своей речи общепринятое мнение по этому вопросу:

«Наука недостаточно компетентна, чтобы рассуждать о сотворении из ничего как таковом. Мы достигли крайнего предела своих мыслительных способностей, когда признали, что, поскольку материя не может быть вечной и самодостаточной, у нее должен был быть творец»^{93}.

По сути, научное знание XIX века, казалось, настаивало на том, что Вселенная была создана сверхъестественным образом некоторое время назад и в любом случае встретит свой конец спустя какое-то количество лет, когда все процессы в мире остановятся. Тому были довольно веские причины, основанные на самых прогрессивных научных достижениях тех лет. Но, как мы увидим в дальнейшем, ни одна из этих причин не выдерживает проверки современными научными данными.

Тем временем многие физики и научные философы, в частности Эрнст Мах (1838–1916), поддержали доктрину позитивизма, подразумевающую, что любые явления, не поддающиеся непосредственному наблюдению, относятся не к физике, а к метафизике и не поддаются эмпирическому исследованию. В лекции, прочитанной в 1872 году, Мах утверждал, что с позиции науки нельзя делать осмысленных заявлений о Вселенной в целом. Такие понятия, как энергия Вселенной или энтропия Вселенной, не имеют смысла, поскольку эти величины не поддаются измерению^{94}.

Иными словами, в отношении космологических последствий термодинамики соглашение достигнуто не было. Большинство астрономов вообще не обратили внимания на этот спор. Французский философ и историк Пьер Дюгем (1861–1916) выдвинул интересное предположение, впоследствии оказавшееся верным: даже если второй закон термодинамики требует, чтобы энтропия нарастала со временем, это не означает, что у этого процесса должен быть верхний или нижний предел^{95}.

Электромагнетизм

Второе важнейшее достижение физики XIX века заключалось в том, что электричество и магнетизм стали считаться базовыми силами природы наряду с уже известной гравитацией. Снова перед нами предстает совместная работа теоретиков и экспериментаторов, в этом случае увенчавшаяся системой уравнений, созданной шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в 1865 году. В уравнениях Максвелла объединился ряд принципов, открытых другими учеными:

♦ закон электромагнитной индукции, который открыл опытным путем Майкл Фарадей (1791–1867). Он продемонстрировал, как магнитное поле, изменяющееся во времени, порождает электрическое поле;

♦ закон Ампера, который экспериментально открыл Андре Мари Ампер (1775–1836). Этот закон описывает, как магнитное поле порождается электрическим током. Электрический ток представляет собой просто движущийся заряд;

♦ закон Гаусса — теорема, предложенная Иоганном Карлом Фридрихом Гауссом (1777–1855). Этот закон показывает, как электрическое поле, образованное на замкнутой поверхности, зависит от электрического заряда, находящегося внутри этой поверхности. Заметьте, что если сила электрического взаимодействия вызвана статическим зарядом, а сила магнитного взаимодействия — движущимся зарядом, то с точки зрения принципа относительности Галилея они должны быть равны. Локализация каждого из них зависит от системы отсчета наблюдателя. Это принципиально важный момент, редко упоминающийся в учебниках и на занятиях по физике.

С точки зрения физики поле — это математический объект, имеющий значение в каждой точке пространства. Если это значение может быть выражено одним числом, как в случае плотности или давления жидкостей, газов и твердых тел, то такое поле называется скалярным. Оно может быть выражено также системой чисел. Ньютоновское гравитационное поле, электрическое и магнитное поля — векторные, требующие трех чисел для определения каждой точки в пространстве: одно выражает абсолютное значение величины, а два других — направление распространения поля. Гравитационное поле в общей теории относительности Эйнштейна — это тензорное поле, определяющееся десятью независимыми числами.

Ранее Фарадей и Ампер продемонстрировали, что электричество и магнетизм представляют собой одно и то же явление, объединив тем самым две силы, до того рассматривавшиеся по отдельности. Уравнения Максвелла систематизировали эти новые данные. Теория Максвелла содержит полное описание классического электромагнитного поля. Уравнения Максвелла применимы для любых вариантов распространения электрических зарядов и токов в любой среде. С их помощью можно рассчитать электрическое и магнитное поля в любой точке пространства или материальной среды. Добавив всего одно уравнение, предложенное Хендриком Лоренцем (1853–1928), можно определить силу электрического или магнитного взаимодействия заряженных частиц в любой точке электрического поля и с помощью ньютоновской механики предсказать местоположение и скорость этой частицы в любой момент в будущем (или в прошлом, если уж на то пошло). Вот еще один довод в пользу концепции ньютоновской мировой машины.

Как бы это ни впечатляло, еще более ошеломляющим следствием из уравнений Максвелла стало то, что, согласно основанным на них прогнозам, электромагнитное поле может присутствовать в пустом пространстве в отсутствие каких-либо электрических зарядов и токов. Более того, это поле будет распространяться в пространстве подобно волне, со скоростью, точно равной скорости света в вакууме. Это значение не было заложено в модель, его вывели математическим путем. Так ученые сделали вывод, что свет представляет собой электромагнитное излучение, подтвердив тем самым его волновую природу.

Еще одно следствие теории Максвелла заключалось в том, что границы электромагнитного спектра до неизвестной степени шире его видимой части, которая охватывает излучение с длиной волны от 430 нм (фиолетовый свет) до 700 нм (красный свет) как в коротко-, так и в длинноволновую сторону. Ниже фиолетовой части спектра находится ультрафиолетовое излучение, а выше красной — инфракрасное. Перед ультрафиолетовым излучением расположено рентгеновское, а до него — гамма-излучение. За инфракрасным излучением в спектре располагаются радиоволны. В 1887 году немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) отправил электромагнитный сигнал с длиной волны 8 м, которая в 1 млрд. раз длиннее волн видимого спектра, и определил, что это излучение также движется со скоростью света.

Современная астрономия имеет дело с электромагнитным диапазоном от гамма-лучей с длиной волны всего лишь 10^-18 м (мне доводилось участвовать в наблюдении гамма-излучения) до радиоволн с длиной волны несколько километров.

Длина световой волны обычно обозначается греческой буквой λ. Эта величина представляет собой расстояние между двумя соседними гребнями волны. Частота волны f — это скорость, с которой гребни волны проходят через заданную точку. Для световых волн fλ = c, где c — это скорость распространения света в вакууме. Это выражение справедливо для волн вообще, в таком случае с обозначает скорость распространения волны.