Вечный двигатель

Рейтинг пользователей: / 8
ХудшийЛучший 

Сегодня кое-кто из изобретателей снова обещает энергию бесплатно и в неограниченных количествах и предлагает продать свое изобретение сотням миллионов. Десятки инвесторов периодически становятся в очередь, привлеченные сенсационными заголовками финансовых СМИ, которые часто превозносят этих проходимцев и объявляют их новыми Эдисонами.

Но если энергия так ценна, то нельзя ли реально оценить наши шансы на создание вечного двигателя? Действительно ли подобные устройства невозможны или можно предположить, что для их создания потребуется пересмотреть законы физики?

Взрывной рост населения, ненасытная жажда электричества и энергии привели к тому, что наша потребность в энергии подскочила до небес, а ее источники близки к истощению. Энергия, доступная отдельному человеку, теперь измеряется тысячами лошадиных сил. Нам кажется естественным, что один-единственный автомобиль может развивать мощность, соответствующую сотням лошадиных сил. Не удивительно, что растущая потребность в энергии подогревает интерес к нетрадиционным и неистощимым ее источникам, включая и вечный двигатель.

Вечные двигатели, подобные часам Кокса, со временем привели ученых к мысли о том, что машина — любая машина — может работать вечно только в том случае, если получает энергию извне; а это означит, что суммарная энергия сохраняется. Из этой теории берет начало первый закон термодинамики; он состоит в том, что совокупность вещества и энергии невозможно ни создать, ни уничтожить. Позже были установлены три закона термодинамики. Второй закон утверждает, что суммарная энтропия (количество беспорядка) всегда возрастает. (Грубо говоря, этот закон говорит, что тепло может спонтанно передаваться только от более горячих объектов к более холодным.) Третий закон утверждает, что достичь абсолютного нуля невозможно.

Если сравнить Вселенную с игрой, а целью игры объявить извлечение энергии, то три закона термодинамики можно сформулировать следующим образом:

• «Невозможно получить что-то из ничего» (первый закон).
• «Невозможно поделить поровну» (второй закон).
• «Невозможно выйти из игры» (третий закон).

(Физики очень осторожны; они заявляют, что эти законы не обязательно абсолютно верны при любых обстоятельствах. Тем не менее никаких отклонений от них до сих пор не обнаружено. Любому, кто захочет опровергнуть эти законы, придется выступить против нескольких веков тщательных научных наблюдений и экспериментов. Мы еще обсудим возможные отклонения от этих законов.)

Три закона термодинамики, как и многие высшие достижения науки XIX в., отмечены не только триумфом побед, но и человеческой трагедией. Великий немецкий физик Людвиг Больцман, сыгравший значительную роль в формулировании этих законов, покончил с собой — отчасти из-за противоречий, возникших в связи с их появлением.

Людвиг Больцман и энтропия

Больцман был невысоким здоровяком с бочкообразной грудью и громадной спутанной бородой. Однако за внушительной и даже пугающей внешностью скрывалась ранимая душа; а ран, защищая научные идеи, ему приходилось получать много. Хотя к XIX в. принципы ньютоновской физики уже прочно утвердились в науке, Больцман понимал, что никто еще не пытался применить известные законы к противоречивой концепции атомного строения вещества — концепции, которую тогда принимали далеко не все ведущие ученые. (Мы иногда забываем, что всего сто лет назад многие ученые упрямо верили, что атом вовсе не реальный объект, а всего лишь хитроумная уловка. Атомы настолько малы, утверждали они, что, скорее всего, их вовсе не существует.)

Ньютон показал, что движение любых объектов определяют механические силы, а не духи и не желания людей. Больцман воспользовался этим и элегантно вывел многие законы для газов при помощи простого предположения: он считал, что газы состоят из крошечных атомов, которые движутся подобно бильярдным шарам и подчиняются ньютоновым законам сил. Для Больцмана комната, наполненная газом, была подобна коробке с триллионами крошечных стальных шариков, каждый из которых отскакивал от стенок коробки и от других шариков согласно ньютоновым законам движения. Больцман (и независимо от него Джеймс Клерк Максвелл) сделал величайший научный прорыв, когда математически показал, как из этого простого предположения можно вывести поразительные новые законы. Тем самым он положил начало новому направлению в физике — статистической механике.

Внезапно оказалось, что при помощи нескольких базовых принципов можно объяснить многие свойства вещества. Поскольку законы Ньютона требовали, чтобы энергия сохранялась даже в приложении к атомам, каждое столкновение между атомами должно было проходить с сохранением общей энергии; это, в свою очередь, означало, что для газа в комнате, со всеми все его триллионами атомов, энергия также сохранялась. Получалось, что закон сохранения энергии теперь можно не только получить экспериментальным путем, но и теоретически вывести из базовых принципов а именно из ньютоновского движения атомов.

Но в XIX в. само существование атомов все еще было под сомнением; даже видные ученые (к примеру, философ Эрнст Мах) не считали зазорным оспаривать и нередко даже высмеивать теорию атомного строения вещества. Больцман, человек ранимый и склонный к депрессии, вдруг обнаружил себя этаким общим громоотводом, главной мишенью для атак, нередко очень злых, всех противников атомной теории. Дяя них все, что нельзя измерить, — в том числе и атомы — просто не существовало. К унижению Больцмана добавлялось еще и то, что редактор видного немецкого физического журнала отвергал многие его статьи; редактор этот настаивал, что атомы и молекулы представляют собой скорее чрезвычайно удобный теоретический инструмент, чем реальные существующие в природе объекты.

Не выдержав всех этих нападок, в том числе и сугубо личных, в 1906 г. Больцман повесился, выбрав время, когда его жена с ребенком были на море. Очень печально, что этот выдающийся человек так и не понял, что год назад дерзкий молодой физик по имени Альберт Эйнштейн совершил невозможное: он написал первую статью, наглядно доказывающую существование атомов.

Суммарная энтропия всегда возрастает

Труды Больцмана и других физиков помогли прояснить природу вечного двигателя и даже разбить все существующие их схемы на два типа. Вечный двигатель первого типа нарушает первый закон термодинамики; это означает, что он попросту производит больше энергии, чем потребляет. В любом из подобных вечных двигателей физикам при тщательном исследовании физики удавалось обнаружить скрытые внешние источники энергии. Это могло быть как сознательным мошенничеством, так и результатом ошибки изобретателя.

Вечный двигатель второго типа — штука более сложная. В этих машинах соблюдается первый закон термодинамики, т. е. сохраняется энергия, но нарушается второй закон. Теоретически в вечном двигателе второго типа нет потерь тепла, поэтому он эффективен на 100%. Но второй закон термодинамики говорит, что такая машина невозможна — потери тепла должны быть обязательно, а количество беспорядка во Вселенной, иначе энтропия, всегда возрастает. Какой бы эффективной ни была машина, часть тепла непременно теряется, повышая таким образом энтропию Вселенной.

Тот факт, что суммарная энтропия всегда возрастает, лежит в самом сердце человеческой истории, да и матери-природы тоже. В сущности второй закон говорит нам, что ломать гораздо проще, чем строить. Иногда то, что создавалось тысячи лет, как, например, великая империя ацтеков в Мексике, может быть разрушено за несколько месяцев; именно так произошло, когда потрепанная банда испанских конкистадоров с лошадьми и огнестрельным оружием потрясла основы империи и полностью разрушила сложный механизм.

Отмечая глубинную природу второго закона термодинамики, астроном Артур Эддингтон однажды сказал: «Мне кажется, что закон возрастания энтропии стоит выше других законов природы... если оказывается, что твоя новая теория противоречит второму закону термодинамики, оставь надежду; перед этим законом остается только униженно пасть».

Даже сегодня предприимчивые инженеры (и талантливые шарлатаны) продолжают время от времени изобретать вечный двигатель. Не так давно Wall Street Journal попросил меня высказать свое мнение о работе одного изобретателя, который успел уже убедить инвесторов вложить в изобретенную им машину миллионы долларов. В крупных финансовых газетах появились восторженные статьи; журналисты, ничего не смыслящие в науке, с придыханием писали о том, что это изобретение способно изменить мир (и, разумеется, принести попутно инвесторам сказочную, немыслимую прибыль). «Гений или безумец?» — кричали заголовки.

Инвесторы радостно спешили вложить деньги в новую машинуа она, между прочим, нарушала базовые законы физики и химии, изучаемые в средней школе. Наверное, не стоит удивляться тому, что Financial Times, Economist и Wall Street Journal дружно напечатали большие редакционные статьи о разных изобретателях и их замечательных вечных двигателях.

Три закона термодинамики и симметрия

Но все вышесказанное рождает и более глубокий вопрос: а почему, собственно, должны работать эти непогрешимые законы термодинамики? Эта загадка занимала ученых с того самого момента, когда эти законы были впервые сформулированы. Не исключено, что, зная ответ на этот вопрос, мы могли бы отыскать в законах термодинамики лазейки и сделать новые потрясающие открытия и изобретения, способные перевернуть мир.

Оказывается, один из фундаментальных принципов физики (открытый математиком Эмми Нётер в 1918 г.) гласит: если система обладает симметрией, в ней обязательно действует какой-нибудь закон сохранения. Из предположения о том, что законы Вселенной не меняются со временем, следует поразительный результат: энергия в системе должна сохраняться. (Далее, если законы природы остаются неизменными, в каком бы направлении вы ни двигались, то сохраняется не только энергия, но и импульс в любом направлении. А если законы природы остаются неизменными при вращении, то сохраняется еще и угловой момент.)

Анализируя звездный свет, дошедший до нас от далеких галактик с самой окраины видимой Вселенной, мы убеждаемся, что спектр этого света ничем не отличается от спектров, которые можно обнаружить на Земле. В свете, рожденном за миллиарды лет до появления и Земли, и Солнца, мы наблюдаем те же неоспоримые спектральные «отпечатки» водорода, гелия, углерода, неона и т.п., которые видим сегодня и на Земле. Другими словами, основные законы физики не изменились за миллиарды лет и одинаковы по всей Вселенной, до самых ее границ.

Теорема Нётер означает как минимум, что энергия, вероятно, будет сохраняться если не вечно, то не один миллиард лет. Насколько нам в данный момент известно, ни один из фундаментальных законов физики со временем не изменялся, и потому закон сохранения энергии работает.

Теорема Нётер имеет для современной физики величайшее значение. Какую бы новую теорию ни придумали физики и о чем бы ни шла в ней речь — о происхождении Вселенной, о взаимодействиях кварков и элементарных частиц, об антивеществе, — мы обязательно начинаем с рассмотрения симметрии, которой подчиняется система. Вообще говоря, в настоящее время симметрия считается ведущим фундаментальным принципом в разработке любой теории. В прошлом на симметрию смотрели как на побочный результат теории — приятно, но не имеет большого значения. Сегодня мы понимаем, что симметрия — очень существенная и даже определяющая черта любой теории. Разрабатывая что-то новое, мы, физики, начинаем с симметрии, а затем уже выстраиваем вокруг нее теорию.

(Печально, но Эмми Нётер, как до нее Больцману, приходилось сражаться за признание не на жизнь, а на смерть. Ни один из ведущих институтов не готов был принять на постоянную работу женщину-математика. Наставник Нётер, великий математик Давид Гильберт, разъяренный очередной неудачной попыткой устроить Нётер на преподавательскую должность, воскликнул: «В конце концов, мы кто, университет или общество любителей бани?»)

В связи с этим возникает тревожный вопрос. Если энергия сохраняется только потому, что законы физики не меняются со временем, то не может ли быть, что в каких-нибудь необычных, редких обстоятельствах эта симметрия все-таки нарушается? Если в неожиданных и экзотических местах симметрия наших законов действительно нарушается, то и закон сохранения энергии в космических масштабах может нарушаться.

Подобная ситуация может возникнуть, в частности, если законы физики изменяются во времени или с расстоянием. (В романе Азимова «Сами боги» симметрия нарушается из-за пространственной дыры, соединившей нашу Вселенную с параллельной вселенной. В окрестностях этой дыры законы физики изменяются — и возникает возможность нарушения законов термодинамики. Точно также, если существуют пространственные дыры, т. е. кротовые норы, может нарушаться и закон сохранения энергии.)

Кроме того, в настоящее время горячо обсуждается вопрос, может ли энергия появляться из ничего; этот момент тоже может оказаться удобной лазейкой.