Пол Сен
Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную
В-третьих, Гельмгольц обратился к своим знаниям о паровых машинах, а точнее, к той же гипотезе о невозможности создания вечного двигателя, которую Сади Карно выдвинул в своей революционной статье об эффективности паровых машин. Если виталисты были правы, утверждая, что животные могут создавать больше тепла, чем выделяется при сжигании углерода в кислороде, значит, внутри них существует другой источник тепла, который не подчиняется законам физики. Это, однако, подразумевало, что животные способны производить тепло, не потребляя ни пищи, ни топлива. Если же животные действительно могли создавать некоторое количество теплоты из ничего, то такая теплота теоретически могла использоваться для получения работы: с помощью нее можно было поднимать грузы, обеспечивать работу фонтана, тянуть состав по рельсам и выполнять другие задачи, не расходуя при этом топлива. Таким образом, если часть животного тепла происходила из нематериального источника “жизненной силы”, то она могла обеспечивать работу вечного двигателя. Однако, продолжал Гельмгольц, вечных двигателей не существует. Следовательно, животные не могут производить тепло без топлива. Тепло их тел должно обеспечиваться потребляемыми пищей и кислородом. Если Карно использовал невозможность создания вечного двигателя, чтобы показать, что теплота служит единственным источником работы в паровой машине, то Гельмгольц утверждал, что все тепло, выделяемое животным, должно производиться в ходе химических реакций, которые подчиняются тем же законам, что и неживая природа.
Аргументы Гельмгольца против витализма были тепло восприняты многими его коллегами-врачами. Ободренный, в начале 1847 года он взялся за новую статью, в которой надеялся распространить аргументы против витализма на всю науку. И снова главную роль играла невозможность создания вечного двигателя, но теперь Гельмгольц размышлял о ней совсем иначе. До сих пор невозможность получать работу из ничего – например, качать воду из колодца, не затрачивая усилий или топлива, – воспринималась в негативном ключе. За полезную работу всегда приходилось платить. Гельмгольцу пришло в голову, что в невозможности создания вечного двигателя нет ничего плохого, потому что она дает ценнейшие сведения о работе Вселенной на фундаментальном уровне. Она может пролить свет на взаимосвязь столь разных феноменов, как гравитация, движение, теплота, электричество и магнетизм. Впоследствии он написал: “Если принять, что perpetuum mobile невозможен, то какие отношения должны существовать между различными силами природы? Все открылось благодаря именно такой постановке вопроса”.
В июле 1847 года Гельмгольц прочитал свою статью на эту тему на встрече Берлинского физического общества – организации, основанной группой физиков, химиков, врачей и инженеров, представлявших новую прусскую технократию. Работа “О сохранении силы” стала не столько научной статьей, сколько манифестом теоретической физики, написанным амбициозным 26-летним ученым, преисполненным уверенности в своей правоте.
В статье Гельмгольца не обсуждались никакие научные идеи, которые не были озвучены ранее. Ее значимость объясняется тем, что в ней Гельмгольц предложил руководящий принцип – невозможность вечного двигателя – для изучения и объяснения всех природных явлений. Но в чем его польза? Иносказательно ответить можно так: бесплатных завтраков не бывает. Согласно Гельмгольцу, общее количество того, что он называл “силой” (Kraft), во Вселенной неизменно. Будь то хоть теплота, хоть электричество, хоть движение – все формы силы можно преобразовывать друг в друга, ничего при этом не уничтожая и не создавая. К подобному выводу пришел Джеймс Джоуль, а также немецкий физик Юлиус Роберт фон Майер из Вюртемберга. Но размах работы и стремление Гельмгольца объединить всю науку под знаменем сохранения силы сделали его статью уникальной.
Самым сложным аспектом его идеи стало слово Kraft, которое в прямом переводе означает “сила”. В том контексте, в котором его использует Гельмгольц, его, вероятно, лучше заменить термином “энергия”, но дать определение энергии не так просто. Даже сегодня большинству из нас известно, что энергия содержится в бензине и пище и приходит к нам домой с электричеством и газом, но у нас нет интуитивного понимания, почему столь разные феномены называются одинаково – “энергией”. Эта проблема озадачивала и многих ученых XIX века. Гельмгольц определил энергию, связав ее с невозможностью создания вечного двигателя. Чтобы лучше понять почему, рассмотрим мысленный эксперимент, вдохновленный статьей Гельмгольца.
Представьте идеально гладкий склон длиной 1 метр под углом в 45° к горизонтальной плоскости. Наверху, готовый соскользнуть вниз, стоит металлический куб массой 1 кг. Верхняя часть груза веревкой соединяется с электрической динамо-машиной. Груз скользит вниз по склону, пока не достигает самого низа, в процессе поворачивая динамо-машину, которая вырабатывает электричество. Это электричество запускает двигатель, затягивающий груз обратно вверх по склону. В такой машине Голдберга[5] мы берем энергию земного тяготения и преобразуем ее в движение груза вниз. После этого мы преобразуем энергию этого движения в электрическую энергию, а затем обратно в энергию движения, которая позволяет грузу подняться наверх вопреки земному тяготению.
Гельмгольц заявил, что если каждое из преобразований сделано идеально, то ничего не теряется, а следовательно, груз оказывается ровно там, где был изначально. И это лучший из возможных вариантов. Ни при каких обстоятельствах невозможно провести преобразования таким образом, чтобы груз поднимался выше исходной точки.
По мнению Гельмгольца, такой анализ позволял установить количественную связь между, казалось бы, очень разными феноменами – гравитацией, движением и электричеством. Каждый тип энергии имеет “лучший возможный” обменный курс для преобразования в другой тип энергии, и этот курс заложен в законах природы.
В своей статье Гельмгольц также предложил другую важную идею – идею потенциальной энергии, которую он назвал “напряженной силой”. Если говорить простым языком, в соответствии с ней энергию можно хранить и высвобождать позже. Таким образом, в описанной выше системе, где груз стоит наверху, этот груз фактически представляет собой хранилище потенциальной энергии гравитационного взаимодействия, которая высвобождается, когда он соскальзывает вниз. Также, когда он поворачивает динамо-машину, вырабатываемое электричество используется для зарядки батареи, а значит, эта энергия сохраняется как потенциальная электрическая энергия, которую можно использовать позже – скажем, чтобы запустить двигатель. Гельмгольц отметил, что в пище хранится потенциальная химическая энергия, а когда животные потребляют эту пищу, они “поглощают определенное количество химических скрытых сил и <…> производят теплоту и механическую работу”[6]. Такой подход позволил ему сделать вывод, что изначальным источником потенциальной химической энергии в пище должен служить солнечный свет.
В работе Гельмгольц признает, что пока не знает обменные курсы для разных форм энергии, но утверждает, что они должны существовать, и потому ставит перед физикой задачу с помощью опытов и наблюдений установить их значение. Он завершает свою статью призывом к действию, подчеркивая, что его цель заключалась в том, чтобы “представить физикам в возможной полноте теоретическое, практическое и эвристическое значение этого закона, полное подтверждение которого должно быть рассматриваемо как одна из главных задач ближайшего будущего физики”.
Статья Гельмгольца стала важной вехой в истории физики. Однако сначала ее приняли скептически, и самый престижный прусский научный журнал Annalen der Physik отказал Гельмгольцу в публикации, назвав работу чересчур спекулятивной, слишком теоретической и лишенной новых экспериментальных данных. Как и в случае с трудами Карно и Джоуля, научное сообщество не оценило труд Гельмгольца. Только при поддержке друзей из Берлинского физического общества он решился издать 60-страничную рукопись отдельной брошюрой.
Несмотря на то что статья была выдающейся, проблем избежать не удалось. В частности, Гельмгольц не сумел вписать поведение теплоты в закон сохранения энергии. Как и Уильям Томсон, Гельмгольц понимал ценность экспериментов Джеймса Джоуля, показавших, что механическую работу и электрическую энергию можно преобразовывать в теплоту. Это позволяло предположить, что теплота – тоже форма энергии. Но, как и Томсон, Гельмгольц считал убедительным анализ функционирования паровой машины, проведенный Карно, а Карно утверждал, что работу производит неизменное количество теплоты, которая перемещается из горячей зоны в холодную. Таким образом, теплота казалась асимметричной: хотя другие формы энергии могли преобразовываться в теплоту, сама теплота, судя по всему, не могла преобразовываться ни во что. Гельмгольц отметил: “Исчезает ли тепло при возникновении механической работы, что является необходимым постулатом сохранения энергии, этот вопрос еще никогда не ставился”.
Хотя это утверждение верно, Гельмгольц несправедлив к своим современникам. Джеймс Джоуль измерил количество работы, необходимое для создания определенного количества теплоты, но провести эксперимент в обратном порядке и оценить, “исчезает” ли теплота при производстве работы, было невозможно. Доступные в 1850-х годах технологии не позволяли с нужной точностью измерить количество теплоты, которое выходило из нагревателя паровой машины и приходило к охладителю.
Правда о том, что именно представляет собой теплота и каким образом она производит работу, оставалась скрытой.
Глава 6
Тепловой поток и конец времени
Профессор Магнус не только вносил собственный вклад в науку, но и оказывал мощное опосредованное влияние на развитие научной мысли, великодушно поддерживая молодые пытливые умы.
Из некролога Густава Магнуса, написанного англо-ирландским физиком Джоном Тиндалем для журнала Nature в 1870 году
Студенты обожали Густава Магнуса.
В отличие от большинства прусских преподавателей, профессор Берлинского университета читал лекции короткими предложениями, “напоминающими английскую речь”. Магнус сопровождал занятия великолепными физическими демонстрациями, которые проводил на оборудовании, купленном на деньги, унаследованные от отца, богатого торговца.
Магнус был воплощением того, как менялось преподавание естественно-научных дисциплин в немецкоязычных странах в первой половине XIX века. В университетах появлялись семинары. В отличие от лекций, где профессора выступали перед широкой аудиторией, на семинарах небольшие группы учащихся принимали участие в свободных дискуссиях с преподавателями. Для этого Магнус приглашал десяток лучших студентов на еженедельный “физический коллоквиум”, который проводил у себя дома, в барочном особняке в берлинском районе Митте. Участники коллоквиума изучали различные темы, а затем выносили результаты своих исследований на обсуждение и защищались от критики коллег. Преподаватель держался наравне с ними, никогда не прикрываясь старшинством.
Через несколько месяцев после того, как Гельмгольц опубликовал свою работу о сохранении энергии, Магнус представил его выкладки на рассмотрение коллоквиуму. Изучить статью он поручил Рудольфу Клаузиусу, 26-летнему студенту из прусского города Кеслин (ныне – польский Кошалин). Шестой сын лютеранского священника, Клаузиус окончил школу, которой управлял его отец, а затем отправился в Берлинский университет, где получил докторскую степень за изучение цветов неба. Хотя объяснение в его диссертации было неверным, талант Клаузиуса к абстрактным рассуждениям поразил экзаменаторов и впоследствии проявился в его карьере: всю жизнь он сторонился экспериментов, вместо этого устанавливая истину с помощью логики и математики. Хотя в 1850-х и 1860-х годах выпускники Магнуса будут доминировать в немецкой науке, Клаузиус превзойдет их всех и станет отцом теоретической физики.
Записей о коллоквиуме, на котором Клаузиус говорил о сохранении энергии, не сохранилось. Однако при подготовке он тщательно изучил работы Гельмгольца, Карно, Томсона и Джоуля и наконец сумел найти решение проблемы, которая озадачивала его предшественников: он понял, как совместить идею, что теплота может быть формой энергии, преобразуемой в другие ее формы, с представлением Карно о том, что теплота должна перемещаться из горячей зоны в холодную, чтобы производить работу.
К какому выводу пришел Клаузиус? Он решил, что оба утверждения верны. Теплоту можно создавать и уничтожать, а также для производства работы она должна перемещаться из горячей зоны в холодную.
Клаузиус описал свое открытие в эпохальной статье, которая была опубликована в журнале Annalen der Physik в 1850 году.
Руководствуясь безупречной логикой, Клаузиус рассуждал следующим образом.
Карно сравнивал тепловые двигатели с водяными мельницами. В мельницах вода производит энергию в форме работы, когда течет вниз. Предполагается, что в тепловых двигателях теплород осуществляет аналогичное действие, перетекая от нагревателя к охладителю. Оба устройства покидает такое же количество вещества, какое в них поступает. Ни вода, ни теплород при этом не уничтожаются.
Клаузиус отказался от этого сравнения. Хотя вода обеспечивает функционирование мельницы, она не преобразуется в работу. Работу производит гравитация. Вода на высоте обладает потенциальной энергией, которая становится работой при течении в нисходящем направлении. Клаузиус узнал это от Гельмгольца.
В двигателе ситуация обстоит иначе. Благодаря исследованиям Джоуля Клаузиус понял, что работу можно преобразовать в теплоту. Затем он сделал шаг, на который не отваживался никто прежде: он предположил, что обратное тоже верно, а следовательно, в двигателе часть теплоты преобразуется в работу. После этого Клаузиус продемонстрировал, что такая гипотеза не противоречит идеям Сади Карно. Их просто нужно было слегка скорректировать.
Клаузиус рассуждал следующим образом: Карно ошибся, сказав, что вся теплота, поступающая в двигатель, в конце концов его покидает. Из двигателя выходит лишь часть теплоты. Эта теплота не преобразуется в работу, а расходуется впустую. Чтобы почувствовать это, поднесите руку к выхлопной трубе автомобиля. Выходящее из нее тепло свидетельствует, что даже в прекрасно спроектированной системе часть теплоты всегда улетучивается.
Причина этого не очевидна. Представьте простой двигатель, состоящий из одного цилиндра, где газ, расширяясь, толкает поршень. В двигателе внутреннего сгорания теплота производится внутри цилиндра при сжигании бензина или дизельного топлива. В гипотетический двигатель Клаузиуса теплота поступает из неопределенного внешнего источника, причем никакая ее часть не теряется и не растрачивается при трении. И все же этот идеализированный двигатель помогает понять, что происходит.
Итак, теплота попадает в содержащийся в цилиндре газ, в результате чего он расширяется и толкает поршень. При этом по закону сохранения энергии теплота становится работой. Если бы цилиндр был бесконечно длинным, расширение газа продолжалось бы вечно. Теоретически в работу может быть преобразована вся теплота. Но бесконечно длинный цилиндр – это нелепость.
Чтобы двигатель продолжал функционировать, частью работы, произведенной во время расширения газа, приходится жертвовать для возвращения поршня в исходное положение. Поскольку расход работы лучше свести к минимуму, газ в цилиндре охлаждается, и сжимать его становится легче.
Однако при возвращении в исходное положение поршень сжимает газ в цилиндре, в результате чего газ снова нагревается и начинает оказывать сопротивление. Чтобы понять, как это происходит, сдавите надутый воздушный шарик. Вы почувствуете, как он становится теплее.
Под действием теплоты газ внутри цилиндра расширяется и толкает поршень
Теплота покидает газ, когда поршень возвращается в исходное положение
Таким образом, на этапе сжатия теплоту необходимо выводить из цилиндра в охладитель. В ином случае вся работа, произведенная на этапе расширения, окажется израсходованной. Двигатель станет бесполезным. В типовом автомобильном двигателе этот возвратно-поступательный процесс повторяется очень быстро. Теплота производится в цилиндрах, а затем выходит из них по несколько раз в секунду.
Совместив эти принципы, Клаузиус предложил идеальный двигатель, показанный на рисунке.
Подведем итог: сначала, когда теплота поступает в идеальный двигатель из нагревателя, вся она преобразуется в работу по закону сохранения энергии. Затем, чтобы механизм продолжал функционировать, часть этой работы возвращается в двигатель. Опять же по закону сохранения энергии она преобразуется обратно в теплоту. Это отработанная теплота, которая в результате теряется.
Чтобы двигатель стал эффективнее, нужно поднять температуру в нагревателе. В таком случае газ в цилиндре будет расширяться агрессивнее и производить больше работы. Также можно понизить температуру охладителя, благодаря чему газ станет более сжимаемым, а следовательно, при сжатии будет расходоваться меньше работы.
Идеальный двигатель Клаузиуса
Эффективность, напротив, снижается, если разница температур между нагревателем и охладителем становится меньше. Когда она достигает нуля, вся работа, производимая при расширении газа, приносится в жертву при сжатии. Двигатель не работает.
Это было близко к революционному выводу, сделанному Карно на основе сравнения паровой машины с водяной мельницей, – выводу о том, что количество работы, производимое при заданном тепловом потоке в идеальном двигателе, определяется только разницей температур между нагревателем и охладителем. (Подробнее см. в Приложении 2.)
Но всегда ли это было так? Могли ли другие вещества иначе разделять теплоту на полезную и отработанную? Представьте воздушный двигатель и паровую машину, функционирующие с использованием одних и тех же нагревателя и охладителя. Может ли воздушный двигатель производить больше работы на этапе расширения или расходовать меньше работы на этапе сжатия, чем паровая машина?
Чтобы ответить на этот вопрос, Клаузиусу пришлось открыть новый закон физики.
Он начал с мысленного эксперимента, вдохновленного идеями Карно. Клаузиус вообразил идеальный обратный двигатель. Работа прикладывается к такому устройству и перекачивает теплоту из холодной зоны в горячую – иными словами, из нагревателя в охладитель. Это напоминает принцип действия современного холодильника, который перемещает теплоту изнутри наружу – в комнату, где он стоит. Но не забывайте о законе сохранения энергии. Работа, приложенная к холодильнику, должна куда-то уходить, и она преобразуется в теплоту – в противоположность двигателю, где часть поступающей теплоты преобразуется в работу. Поднесите руку к задней стенке холодильника, и вы ощутите тепло, которое представляет собой совокупность теплоты, выходящей из холодильника, и теплоты, производимой насосом.
Клаузиус представил идеальный двигатель и холодильник, которые работают с одними и теми же нагревателем и охладителем.
Он предусмотрел, что работа, производимая идеальным двигателем, обеспечивает функционирование идеального холодильника.
Идеальный двигатель Клаузиуса обеспечивает функционирование идеального холодильника
Для наглядности представим, что идеальный двигатель получает из нагревателя 100 калорий, преобразует половину в работу, а оставшиеся 50 калорий сбрасывает в охладитель.
Идеальный холодильник получает эквивалентную 50 калориям работу от идеального двигателя, всасывает 50 калорий из охладителя и перекачивает 100 калорий в нагреватель.
Такая конструкция будет работать вечно. Вся теплота, сбрасываемая в охладитель, будет подниматься обратно. Но полезной работы производиться не будет.
Сверхидеальный двигатель обеспечивает функционирование идеального холодильника
Далее Клаузиус представил сверхидеальный двигатель, который делит получаемую теплоту на работу и отработанную теплоту более выгодно, чем идеальный. Он работает не по принципу 50:50, а по принципу 50:30. Такая машина получает 80 калорий теплоты из нагревателя, преобразует 50 из них в работу и сбрасывает оставшиеся 30 в охладитель.
Далее представим, что сверхидеальный двигатель обеспечивает функционирование идеального холодильника.
Восемьдесят калорий поступают из нагревателя в сверхидеальный двигатель. 50 из них преобразуются в работу, а 30 сбрасываются в охладитель.
Идеальный холодильник использует работу, полученную из сверхидеального двигателя, чтобы высосать 50 калорий из охладителя. Затем он поднимает в общей сложности 100 калорий обратно в нагреватель.
В этом ключ ко всему. Закон сохранения энергии не нарушается ни на одном из этапов. Сумма теплоты и работы остается постоянной. Но происходит нечто странное.
Нагреватель отдает 80 калорий теплоты сверхидеальному двигателю, но получает 100 калорий от идеального “обратного” двигателя, обеспечивая чистый прирост в 20 калорий.
Тем временем охладитель получает 30 калорий от сверхидеального двигателя, но отдает 50 калорий идеальному обратному двигателю, обеспечивая чистый убыток на (50–30) = = 20 калорий.
Получается, что 20 калорий теплоты перемещаются из холодной зоны (охладителя) в горячую (нагреватель), но при этом работа не поступает в систему извне. Такая конструкция предполагает существование холодильника, способного функционировать без энергозатрат.
Такого быть не может. Теплота никогда не перемещается из холодной зоны в горячую, не подвергаясь воздействию силы, то есть не расходуя некоторое количество работы. Самопроизвольное естественное перемещение теплоты всегда происходит в обратную сторону, из горячей зоны в холодную. Существование сверхидеального двигателя невозможно, поскольку оно предполагает нарушение этого закона.
Итак, Клаузиус подтвердил догадки Карно. Француз сделал верный вывод, что максимальное количество работы, которое можно получить при заданном количестве теплоты, определяется температурой нагревателя и охладителя. Оно не зависит от рабочего вещества и конструкции двигателя.
Гипотеза Карно также находит подтверждение, если принять и закон сохранения энергии, и принцип, в соответствии с которым теплота никогда самопроизвольно не перемещается из холодной зоны в горячую.
Таким образом, в своей статье Клаузиус сделал важнейший вывод, что поведение теплоты определяется двумя принципами, которые сегодня называются первыми двумя началами термодинамики. Они таковы.
Первое начало: хотя теплоту и работу можно преобразовывать друг в друга при постоянном “обменном курсе”, открытом Джоулем, общее количество теплоты и работы остается неизменным. (Это закон сохранения энергии в применении к теплоте и работе.)
Второе начало: теплота никогда самопроизвольно не перетекает от холодного к горячему.
Формулировка двух этих утверждений ознаменовала рождение новой области науки.
* * *
Статью Клаузиуса приняли хорошо. После публикации его назначили профессором физики Королевской артиллерийской и инженерной школы в Берлине. Через несколько недель статья была переведена на английский язык. Летом 1850 года, читая ее в Глазго, Томсон, должно быть, испытывал смешанные чувства. С одной стороны, Клаузиус признавал роль Томсона в привлечении внимания научного сообщества к идеям Карно и Джоуля. С другой стороны, загадку, над которой Томсон бился два года, решил другой человек. Несколько месяцев спустя Томсон опубликовал собственный вывод второго начала Клаузиуса.
Хотя Клаузиус и Томсон никогда не встречались, печатаясь в научных журналах, они в некотором роде вместе работали над установлением природы теплоты, закладывая прочный фундамент для новой науки. Они вместе проложили путь к тому, чтобы показать, что термодинамика имеет применение не только в паровых машинах.
Первым и одним из самых важных шагов в этом направлении стала статья Томсона, опубликованная в апреле 1852 года. Как и Джоуль, Томсон видел в поведении теплоты руку Творца. В первом начале термодинамики, законе сохранения энергии, Джоуль упомянул о “великих силах природы”. Во втором начале Томсон разглядел Божий план для судьбы космоса.
Стоит рассказать, в каких условиях Томсон работал над этой статьей.
Хотя Глазго стремительно развивался на фоне промышленного подъема, страданий тоже было немало. Великий голод в Ирландии привел в город почти 100 тысяч нищих беженцев. Из-за голода, антисанитарии и примитивного уровня здравоохранения начались эпидемии. От болезни не был застрахован никто. В начале 1847 года младший брат Томсона Джон заразился тифом в больнице, где изучал медицину, и умер неделю спустя. За тифом последовала холера, и не прошло и двух лет, как ее жертвой пал отец Томсона, который вошел в число более 4000 горожан, умерших от болезни в тот год. Вскоре после второй утраты молодая Сабрина Смит ответила на предложение Томсона отказом.
Чувствуя себя несчастным и отвергнутым, Томсон в 1852 году написал статью “О проявляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии”. Теперь он явно думал не только о паровых машинах.
Четырьмя годами ранее в статье о Карно Томсон рассуждал о том, что происходит с железным стержнем, раскаленным докрасна с одной стороны и холодным с другой. Теплота перемещается от горячего конца к холодному, пока температура стержня не выравняется. Томсон спрашивал, что происходит с работой, которую такой же тепловой поток мог бы произвести в паровой машине?
Теперь, в 1852 году, Томсон нашел ответ. Начальная разница температур между разными концами стержня не преобразуется в работу, а просто “рассеивается”. Она бесполезна. Томсон подчеркнул, что по закону сохранения энергии теплота не уничтожается, но в процессе перераспределения, переставая быть сосредоточенной в одном конце стержня, она теряет потенциал для выполнения работы.
Следовательно, железный стержень, температура которого постепенно выравнивается, можно считать тепловым двигателем с нулевой эффективностью. В идеальном двигателе часть теплоты преобразуется в работу, а другая часть рассеивается. В железном стержне рассеивается вся теплота. В обоих случаях потерянную теплоту невозможно использовать для производства работы.
Если природа не терпит пустоты, то теплота не терпит вариаций. Теплота всегда стремится рассеяться и выравнять разницу температур. Хотя в процессе этого можно получить некоторое количество работы, любое такое приобретение, по утверждению Томсона, будет временным. Получаемая работа в конце концов тоже становится рассеянной теплотой. Это происходит под действием неизбежно возникающей силы трения, например при трении колес о поверхность дороги или трении воды о корпус корабля. Хуже того, этот процесс необратим. Природа позволяет преобразование работы в рассеянную теплоту. Но не допускает обратного.
В своей статье Томсон привлек внимание к идее, которая в середине XIX века была для физики в новинку, – идее о необратимости. В работе Ньютона такой концепции не было – его законы обратимы. Скажем, человек выбрасывает мяч известной массы из окна, находящегося на известной высоте. Применяя законы Ньютона, другой человек, стоящий на земле, может рассчитать скорость, с которой мяч движется вниз прямо перед столкновением с землей. Затем этот человек бросает мяч обратно с той же скоростью. Мяч возвращается к первому человеку. Но при трении колеса о дорогу ситуация обстоит совсем иначе. Часть механической энергии колеса преобразуется в теплоту посредством трения. Согласно Томсону, получаемую при трении теплоту невозможно собрать и вернуть колесу.
В науке о теплоте Томсон увидел ту же необратимость, которую наблюдал в жизни. Не случайно многое из происходящего во Вселенной идет только в одном направлении. Так проявляется одностороннее рассеяние энергии, которое также лежит в основе течения времени от прошлого к будущему. Томсон открыл стрелу времени, которая необратимо указывает из менее рассеянного прошлого в более рассеянное будущее… и как только рассеяние завершится, закончится и время.
Томсон превратил остывающий железный стержень в метафору Вселенной. Все изменения в космосе объясняются рассеянием сконцентрированной в отдельных очагах теплоты. В ранней версии статьи Томсон пишет: “Я полагаю, что никакое физическое действие не может восстановить теплоту, испускаемую солнцем, и этот источник не является неисчерпаемым. <…> «И земля обветшает»[7], и так далее. Есть границы постоянству текущих форм и состояний физического мира”.
Томсон синтезировал теологию, опыт и науку. Он удалил отсылку к Библии из итоговой публикации, но описал в тексте не менее мрачную картину будущего: “В прошлом, отстоящем на конечный промежуток времени от настоящего момента, Земля находилась и спустя конечный промежуток времени снова очутится в состоянии, непригодном для обитания человека”[8].
Идея о том, что Вселенная постепенно сбавляет обороты и умирает по мере рассеяния содержащейся в ней теплоты, известна под названием “тепловая смерть Вселенной”. Современники Томсона отметили дерзость, с которой он сделал масштабный космологический вывод на основе будничных наблюдений за остывающим железным стержнем. Как в 1854 году писал Герман Гельмгольц, “прозорливость Томсона достойна восхищения, ведь он сумел разглядеть в буквах малоизвестной математической формулы, говорящей лишь о теплоте, объеме и давлении тел, следствия, которые грозят Вселенной – пусть и целую бесконечность спустя – смертью на веки вечные”.