Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Вопрос о том, как много энергии есть во Вселенной, вероятно, занимал Томсона и Максвелла, поскольку ответ на него был бы количественной мерой божественной щедрости: они, возможно, предполагали, что это количество бесконечно, так как что-либо меньшее указывало бы на ограниченность творческой силы Бога и было бы, таким образом, неприемлемым намеком на божественную слабость. Поскольку энергия сохраняется, если бы мы могли определить полную энергию на текущий момент, то она была бы той же, что и в первоначальном щедром пожертвовании. Итак, сколько же энергии существует ныне? Честным ответом будет, что мы не знаем. Однако существует путеводная нить, которая указывает на ответ.

Сначала, как это часто бывает в науке, мы должны отбросить наши предрассудки. Определенно нам кажется, что энергии очень много: достаточно подумать только о вулканах и ураганах на Земле и о сверкании звезд, чтобы прийти к заключению, что Вселенная одарена колоссальным запасом энергии. Действительно, ее даже больше, чем видит глаз, поскольку (как мы более подробно увидим в главе 9) масса является эквивалентом энергии, так что все вещество есть форма энергии (по формуле E = mc2). Если бы нам пришлось складывать вместе массы всех звезд во всех галактиках видимой Вселенной, мы получили бы гигантскую общую массу и, следовательно, гигантскую общую энергию. Однако в науке как и в жизни, надо быть осмотрительными. Ведь есть и другой вклад в энергию, гравитационное притяжение между массами. Притяжение понижает энергию взаимодействующих тел, так что чем их больше, тем ниже энергия. Одним из способов выразить это является описание энергии гравитационного притяжения отрицательной величиной, так что чем больше притяжение, тем больше уменьшение полной энергии.[13] Поскольку его вклад отрицателен, когда мы прибавим все гравитационные взаимодействия между звездами в галактиках и между галактиками, наша первоначально гигантская полная энергия будет сведена на нет.

Будет ли она сведена на нет полностью? Это начинает выглядеть именно так. Мы можем судить о полной энергии Вселенной, исследуя скорость ее расширения (эта тема более подробно рассматривается в главе 8). Если отрицательное гравитационное взаимодействие преобладает над положительным вкладом масс, то в долговременной перспективе Вселенная будет расширяться все медленнее, затем начнет сжиматься и, наконец, свалится сама в себя в Большом Хлопке. Это в точности похоже на подбрасывание мяча в воздух с кинетической энергией, слишком маленькой для того, чтобы он мог улететь, в конечном счете сила гравитации снова притянет его к Земле (рис. 3.12). Такое будущее во все возрастающей степени мыслится как неправдоподобное. С другой стороны, если гравитационное притяжение слабо, Вселенная будет расширяться вечно. Это похоже на подбрасывание мяча с такой колоссальной величиной кинетической энергии, что он вырвется из силы гравитации, улетит в межгалактическое пространство и будет продолжать движение, пока не улетит в бесконечность. Такое будущее остается возможным: наблюдения не противоречат этому.

Рис. 3.12. Пути с поверхности сферы указывают, что происходит, когда мы подбрасываем мяч над поверхностью Земли. Если мы подбрасываем его относительно слабо (со скоростью, меньшей той, которая нужна, чтобы покинуть Землю), то он упадет обратно. Если мы подбрасываем его сильно (со скоростью, большей той, которая нужна, чтобы покинуть Землю), он улетит в бесконечность и будет продолжать движение, даже достигнув бесконечности. Линия из точек показывает, что происходит, когда мы бросаем его точно с той скоростью, которая нужна, чтобы покинуть Землю: он покинет ее, но замедляясь и останавливаясь по мере удаления в бесконечность. Линия из точек разделяет области возвращения и улетания. График показывает, как эта идея может быть приложена ко Вселенной в целом. Если гравитация сильна (поскольку во Вселенной имеется много вещества), то Вселенная через какое-то время в будущем переживет коллапс (как подброшенный и возвратившийся мяч). Если гравитация слишком слаба (поскольку во Вселенной слишком мало вещества), то размеры Вселенной будут возрастать всегда (как мяч, подброшенный и вечно улетающий). Если гравитация и движение наружу в точности уравновешивают друг друга, Вселенная будет всегда расширяться и стремиться к прекращению движения (как мяч, брошенный со скоростью, которая нужна, чтобы покинуть Землю).

Если положительный и отрицательный вклады энергии в точности равны, Вселенная также будет расширяться вечно, но ее расширение будет становиться все медленнее и медленнее по мере того, как она будет становиться все больше и больше, и в очень отдаленном будущем мы можем представить себе Вселенную парящей между непрерывным расширением и коллапсом. Это похоже на бросание мяча вверх точно с такой скоростью, чтобы он получил как раз достаточно кинетической энергии, чтобы покинуть Землю, но, по мере его стремления к бесконечности, замедлился бы до полной остановки. Поскольку такой шар не движется, его кинетическая энергия равна нулю, а поскольку он бесконечно удален от Земли и находится вне области действия ее притяжения, его потенциальная энергия равна нулю, поэтому он имеет нулевую полную энергию. Так как энергия сохраняется, несмотря на то, что кинетическая и потенциальная энергии изменяются, полная энергия мяча должна быть равна нулю все время. Существует усложняющий дело фактор, связанный с возможными дополнительными эффектами, ведущий к ускорению расширения Вселенной (см. главу 8), но все выглядит так, что полная энергия Вселенной действительно очень близка к нулю. На самом деле, она может быть равна нулю в точности. Если последнее окажется верным, это будет похоже на то, что Бог несколько поскупился, когда обеспечивал Творение энергией.

Обманчивое впечатление, что во Вселенной очень много энергии, возникает из того факта, что мы обращаем внимание лишь на видимые формы энергии (такие, как вещество и свечение звезд) и игнорируем другие ее формы (гравитационную составляющую). Именно эта дифференциация энергии (а вовсе не полная энергия) и наделяет Вселенную захватывающим динамизмом.

Каждая монета имеет обратную сторону. Сохранение энергии, закон, который выглядит абсолютно не имеющим исключений, имеет исключения. Квантовая механика многими способами подрывает нашу уверенность в себе. Одним из многих причудливых следствий квантовой механики (глава 7) является то, что энергия может быть описана как определенная величина, только если состояние с этой энергией сохраняется всегда. В соответствии с квантовой механикой, частица со скоротечным существованием не имеет определенной энергии, и в короткий промежуток времени энергия Вселенной не может быть описана определенной величиной, а потому у этой энергии нет необходимости сохраняться. Может быть, вечный двигатель с коротким временем жизни все же можно построить!

Глава четвертая

Энтропия

Источник изменений

Не знающий второго начала термодинамики подобен тому, кто никогда не читал творений Шекспира.[14]

Есть вопрос, который часто забывают задать: а почему вообще что-то происходит? Глубокие вопросы часто ошибочно считают наивными; однако глубокие и наивные с виду вопросы, должным образом исследованные, могут раскрыть само сердце Вселенной. Это определенно верно относительно данного частного вопроса, ибо мы увидим далее, что, изучая этот вопрос, мы придем к пониманию движущей силы всех изменений в мире. Мы придем к пониманию простых событий повседневной жизни, таких как приготовление кофе, и перед нами промелькнет по крайней мере щиколотка объяснения наиболее сложных событий повседневной жизни, таких как рождение, развитие и смерть.

Ответ на наш вопрос о происхождении изменений лежит в области науки, называемой термодинамикой и изучающей превращения энергии, особенно превращения из тепла в работу. У термодинамики нет репутации легкомысленной траты времени, поскольку ее восприятие обременено ее происхождением, исследованием эффективности паровых двигателей. Легко подумать, что паровой двигатель есть итог заготовки древесины и безусловно не может иметь ничего общего с исключительно деликатным процессом распускания листочков, если не принимать во внимание мнения шутников. Паровые двигатели символизируют тяжеловесность индустрии и увеличение эксплуатации и социального гнета, порождаемые индустриализацией (рис. 4.1).

Рис. 4.1. Паровой двигатель может выглядеть нескладным и грубым, но по существу он является сжатым принципом работы Вселенной. На протяжении этой главы мы увидим, что все события мира, как вне, так и внутри нас, выраженные в подходящей абстрактной форме, приводятся в движения паровыми двигателями.