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

Теперь вода стала горячей, и в принципе ее температуру можно поднимать, пока она не станет такой же горячей, как пламя. Однако, когда температура воды поднимается, она достигает точки, в которой вода кипит. Почему это так? Конечно, потому, что образование пара становится спонтанным процессом, когда температура достигает определенной величины, «точки кипения» воды.

Чтобы понять, почему вода кипит, мы должны исследовать происходящие при этом изменения энтропии. Здесь, с несколько иной термодинамической точки зрения, мы обнаружим одну забавную черту кипения. Во-первых, заметим, что в процессе превращения воды в пар возникают два конфликтующих вклада в изменение энтропии. Это большой прирост энтропии, когда жидкость становится паром. Такое возрастание предполагает, что вода всегда имеет тенденцию к испарению. Однако испарение воды требует энергии, поскольку притяжение между молекулами жидкости, удерживающее их вместе, должно быть преодолено, чтобы возник газ независимых молекул. Поэтому, когда вода испаряется, энергия должна притекать к жидкости. Такой поток энергии внутрь снижает энтропию окружающей среды, поскольку он соответствует оттоку энергии из нее. При низких температурах уменьшение энтропии окружающей среды, обусловленное этим оттоком энергии, велико (снова тихая библиотека), и даже хотя имеет место возрастание энтропии воды при ее испарении, в целом энтропия падает. Поэтому при низких температурах испарение не является спонтанным. Однако, когда мы повышаем температуру окружающей среды, уменьшение энтропии становится меньше (шумная улица), и при достаточно высокой температуре общее изменение энтропии воды и окружающей среды становится положительным. Теперь вода имеет тенденцию испаряться спонтанно, и она кипит. Именно здесь и проявляется забавная черта, о которой мы упоминали. Мы видим, что в результате повышения температуры изменение энтропии окружающей среды уменьшается до того уровня, когда общее изменение энтропии становится положительным. Получается, что для достижения испарения мы должны как бы умиротворить сопротивление окружающей среды, повышая ее температуру.

До этого места нашей истории Второе Начало появлялось три раза: в управлении горением, в управлении потоком тепла от пламени к воде и в испарении воды. Теперь оно вступает в игру в четвертый раз, когда энергия течет через двигатель, и часть ее превращается в работу. Мы разбирали эту стадию раньше, и нет необходимости возвращаться к ней снова. Главным, что было обнаружено в этом обсуждении, все же является то, что каждая стадия работы двигателя, от сгорания топлива до совершения внешних изменений, является следствием естественного стремления вещества и энергии к рассеянию. Мир движет вперед эта универсальная тенденция к падению в беспорядок. Мы и все наши предметы материальной культуры, все наши достижения являются в конечном счете продуктами этого бесцельного, естественного распыления в возрастающий беспорядок.

Вот почему (и уж это — достижение из достижений) мы должны есть. Мы вынуждены поглощать ресурсы энергии, которую можем позволить себе рассеять в окружающей среде посредством метаболических процессов, пронизывающих наши тела. Поскольку этот процесс идет, он порождает беспорядок, достаточный для того, чтобы мир стал немного более беспорядочным, пока мы конструируем, например, эти слова или самих себя. Поглощение пищи является более сложной процедурой, чем дозаправка топливом, потому что мы используем значительную часть съеденного для ремонта и роста нашего организма, а горючее лишь снабжает энергией наш автомобиль. Однако, так как пища есть источник энергии, она является горючим, поддерживающим огонь в горячем резервуаре парового двигателя внутри нас, а он движет нас и наши действия вперед, используя возможность рассеять впустую часть проглоченной нами энергии.

Паровой двигатель внутри нас — или, по крайней мере, его абстрактная сущность — распределен по всем нашим клеткам и принимает тысячи различных форм. Мы рассмотрим лишь одну реализацию биологического парового двигателя. Есть одна молекула, в изобилии встречающаяся в каждой клетке, аденозин трифосфат (АТФ, рис. 4.12). Как можно видеть на иллюстрации, эта молекула содержит большую органическую часть и короткий хвост из фосфатных групп (атомы фосфора, окруженные атомами кислорода). Частью, которая здесь нас интересует, является фосфатный хвост. Эта молекула подобна горячему резервуару в паровом двигателе. Когда под влиянием клеточных ферментов она вступает в дело, она отбрасывает крайнюю фосфатную группу, становясь в результате аденозин дифосфатом, АДФ. Освобождаемая энергия используется для снабжения энергией созидательных событий в клетке, таких как синтез белка или подготовка нейрона к передаче сигнала. Движущая сила реакции приходит из рассеяния вещества (освобождение фосфатной группы) и энергии, которая может подогревать термический беспорядок. Таким образом создание белка или формирование мнения могут быть прослежены вспять до этой упрощенной аналогии с паровым двигателем.

Рис. 4.12. Молекулы аденозин трифосфата (АТФ, слева) и аденозин дифосфата (АДФ, справа) действуют как горячий и холодный резервуары воображаемых паровых двигателей внутри нас. Чтобы восстановить АТФ из АДФ, прикрепляя фосфатную группу обратно, мы должны присоединить двигатель к еще более мощному двигателю (то есть производящему больше энтропии). То есть мы должны есть, а Солнце должно гореть (своим собственным ядерным способом).

Чтобы жизнь клетки и нас самих продолжалась, фосфатная группа — не обязательно та же самая — должна быть снова прикреплена к АДФ, чтобы восстановить АТФ. Это восстановление может быть достигнуто с помощью соединительной реакции, которая осуществляет новое подсоединение к более мощному паровому двигателю, к другой метаболической реакции, которая рассеивает вещество и энергию еще в большей степени. Вот почему мы должны есть. Мы проглатываем вещества, которые действуют как горючее для парового двигателя, обеспечивающего образование АТФ из АДФ, которое в свою очередь обеспечивает наш рост и активность.

Сама по себе пища должна быть создана посредством реакций соединения, которые превращают ее в еще более мощные воображаемые паровые двигатели, в двигатели еще более эффективно осуществляющие рассеяние. Предельным паровым двигателем является Солнце, поскольку энергия, которую оно рассеивает в окружающее пространство, обеспечивает реакции, составляющие фотосинтез, образование углеводородов из двуокиси углерода и воды. Итак, в конечном счете наши действия и стремления приводит в движение энергия ядерного синтеза на Солнце. Древние, вероятно, были правы, поклоняясь Солнцу как подателю жизни; но они и не подозревали. что оно же является движущей силой всеобщей порчи.

Второе Начало проливает на молекулярную основу жизни свет, подобный тому, с которым мы встретились в главе 2. Жизнь — это процесс, в котором молекулы, жужжащие кругом, вдруг оказываются как раз нужной формы для попадания в ячейку сот и способны сбросить туда свой груз. Молекулярная основа воспроизведения иллюстрирует бессознательную активность молекул и энергии. Жизнь продолжается потому, что это жужжание создает возможности для естественного отбора, создает возможности для молекул использовать это слепое, бессознательное, нецеленаправленное жужжание, чтобы соткать великое полотно событий, которое мы называем живым. Жизнь, в своей основе, это жужжание молекул.

Вопрос, который на этой стадии, возможно, приходит на ум: а может ли это рассеяние вещества и энергии продолжаться вечно? Или Вселенная станет столь бесконечно беспорядочной, что энтропия не сможет более возрастать, и события прекратятся?

Умозрительное прекращение естественного течения событий из-за достижения верхнего предела энтропии называется тепловой смертью Вселенной. Тогда, поскольку состояние вещей не сможет далее ухудшаться, ничто вообще не будет происходить. Следует прояснить один момент: если бы Вселенной пришлось пережить тепловую смерть, это не означало бы, что время пришло к концу. События продолжались бы — атом сталкивался бы с атомом, — но по существу это не было бы изменением. Все паровые двигатели, как воображаемые, так и реальные, остановились бы, так как не смогли бы более порождать энтропию. Некоторые придерживаются более жизнерадостной точки зрения и утверждают, что если бы Вселенная начала сжиматься, то энтропия уменьшилась бы, поскольку пространства для энергии и вещества становилось бы все меньше. Таким образом, размышляют они, события обратились бы вспять, устроив праздник непослушания Кельвину и Клаузиусу, возможно, для того, чтобы опять выпрыгнуть в ожившую Вселенную с возрастающей вновь энтропией.