Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

Чтобы расставить декорации, я возмущу гладь пруда истории девятнадцатого века и выужу на поверхность умы четырех покойных ученых. Эти четверо — Сади Карно, Уильям Томсон (лорд Кельвин), Рудольф Клаузиус и Людвиг Больцман — внесли главный вклад в появление духа парового двигателя. Возникновение великой идеи «энтропии», концепции, которая лежит в сердце этого обсуждения, мы проследим их глазами, прежде чем взглянуть на нее с более современной точки зрения.

В начале девятнадцатого столетия паровой двигатель означал богатство; позднее мы увидим, что на самом деле он означает изменения, но пока остановимся на богатстве. Англия, с ее паровозами, пыхтящими по всей стране, с ее шахтами, которые разрабатывались, чтобы сообщить паровозам жизнеспособность и эффективность, с ее стучащими ткацкими станками, а значит, и с набирающей мощь экономикой, с ее торговлей, быстро становящейся на колеса с кузовами, что увеличивало и облегчало подвижность, с ее обороноспособностью, этим благозвучным синонимом агрессивности, эта Англия была населена динамичным народом. Паровой двигатель пронизывал и преобразовывал социальную и экономическую структуры нации, как столетием позже это сделал компьютер. Тревожные и завидующие глаза Франции наблюдали из-за Ла-Манша, кляня невезение, вызванное, как им казалось, отсутствием доступных угольных залежей. Настоятельной задачей инженерного дела было увеличение эффективности парового двигателя, чтобы получать большую работу при меньших затратах угля. Была ли вода наилучшим посредником, или можно использовать воздух? Было ли высокое давление лучше, чем низкое? А как насчет температуры? Могли аналитический французский ум обставить прагматический ум английский на его собственном поле?

Один яркий луч света пробился сквозь клубы тумана, окутавшие ответы на вопросы, подобные этим. В 1796 г. наконец родился Сади Карно. Я говорю «наконец», поскольку его родители уже два раза пытались родить других Сади, но оба ребенка — последовательно называемые Сади — умерли в юности. Их третий и, наконец, удачный Сади прожил немного дольше, пока в тридцать шесть лет его не сразила холера. И хотя его жизнь оказалась краткой, ему хватило четырех неполных десятилетий, чтобы обеспечить себе бессмертие, которое может дать значительный вклад в науку.

Карно фундаментально неправильно воспринимал паровой двигатель, но мощь установленной им сущности парового двигателя была такова, что ее свет прорвался даже сквозь это фундаментальное заблуждение. Карно следовал (по крайней мере в первоначальной формулировке своих идей, хотя много позднее он переменил мнение) преобладавшей в то время точке зрения, упомянутой нами в главе 3, что тепло является жидкостью, теплородом, которая перетекает из нагретого резервуара в холодный сток и в процессе этого может вращать двигатель, подобно тому, как поток воды вращает колесо водяной мельницы. Он полагал также, снова в духе преобладающих идей своего времени, что тепло, будучи жидкостью, не порождается и не исчезает при вытекании из резервуара в сток. На основе этой ложной модели он сумел доказать удивительный результат, что коэффициент полезного действия или эффективность идеального парового двигателя, в котором пренебрегают эффектами трения, утечек и т.д., определяется только температурами нагретого резервуара и холодного стока и не зависит ни от давления, ни от вида рабочего вещества.[15] Таким образом, чтобы достигнуть наибольшей эффективности, горячий резервуар должен быть как можно более горячим, а холодный сток должен быть как можно более холодным. Все остальные переменные по существу не имеют значения.

Эти противоречащие интуиции заключения инженеры того времени сочли слишком абсурдными, и небольшая книжка Карно, Réflexions sur lа puissance motrice du feu (1824), увяла, оставшись непрочитанной и забытой. Но не совсем. Тонкие нити, сохраняющие живым пульс решающих идей в истории, принесли книгу Карно в поле зрения Уильяма Томсона (1824-1907), позднее ставшего лордом Кельвином. Как мы видели в главе 3, Кельвин — так нам будет удобно дальше его называть — в сотрудничестве с Джеймсом Джоулем уже внес вклад в развенчание теории теплорода и идентифицировал тепло как форму энергии. Современный ему мир пришел к пониманию того, что сохраняется энергия, а не тепло, и что тепло и работа, будучи двумя проявлениями энергии, могут превращаться друг в друга. Концепция протекания теплорода через двигатель открыла путь другой концепции, в которой текла уже энергия, а сам двигатель стали понимать не столько как мельницу, сколько как прибор для преобразования части этой энергии из тепла в работу. В результате возник принцип так называемого теплового двигателя, включающий паровые двигатели, паровые турбины, реактивные двигатели и двигатели внутреннего сгорания.

Réflexions Карно побудили Кельвина самому поразмыслить над коэффициентом полезного действия парового двигателя и переписать работу Карно количественно более четко. Карно развивал свои идеи, используя простую арифметику, и не привлекал строгость математики, чтобы выразить эти идеи на более современном и неопровержимом языке.

Чтобы оценить вклад Кельвина, представим себе, что мы стоим перед типичным паровым двигателем девятнадцатого века. При поверхностном обследовании двигателя мы, возможно, заключим, что поршень в его цилиндре является существенно важной частью, поскольку этот прибор стучит внутри потока энергии и отводит часть ее в виде движения, а значит, в виде работы (рис. 4.2). Мы можем сделать и альтернативный вывод, что решающим компонентом является горячий резервуар, ибо он представляет собой источник энергии, которая должна быть превращена в работу. Кельвин, однако, сформулировал причудливый с виду взгляд, что, хотя эти два компонента, очевидно, важны и требуют весьма тщательных проектирования и выполнения, существенно важной частью парового двигателя является холодный сток, окружение, в которое сбрасывается отработанное тепло. С этой точки зрения решающая часть двигателя, очевидно, не находится в нем и не требует проектирования и производства: это просто то, что окружает сооружение. Наука часто развивается такими путями: прорастая вверх с помощью выворачивания наизнанку здравого смысла, освещая старую проблему лучом света с новой стороны. Венгерский биохимик Альберт Сент-Дьёрдьи (1893-1986) выразил этот аспект науки особенно хорошо, когда сказал, что научное исследование состоит в том, чтобы видеть то, что видит каждый, но думать то, чего не думает никто.

Рис. 4.2. Это тип диаграммы, который мы будем использовать, чтобы представить паровой двигатель, или, в более общем смысле, тепловой двигатель. Здесь имеется горячий источник, из которого отбирается энергия при высокой температуре, приспособление для превращения тепла в работу (в реальном паровом двигателе это был бы поршень в цилиндре) и холодный сток, в который сбрасывается «лишняя» энергия.

Интеллектуальное сальто Кельвина побудило его довести свое осознание центральной роли холодного стока до формулировки универсального принципа природы: все жизнеспособные двигатели имеют холодный сток (рис. 4.3). Кельвин не выразил свой принцип именно этими словами[16], но они выражают суть его формального утверждения. Если вы оглядитесь вокруг и проверите любой паровой двигатель, вы обнаружите, что каждый из них имеет холодный сток. Уберите холодный сток, и двигатель перестанет работать, несмотря на то, что у вас есть еще очень много запасенной в резервуаре энергии, и несмотря на то, что связанный с резервуаром поршень в цилиндре отлично смазан. Холодный сток является сутью. Удалите его, и двигатель заглохнет.

Рис. 4.3. Формулировка Второго Начала, данная Кельвином, утверждает, что такой двигатель работать не будет. Каждый жизнеспособный двигатель имеет холодный сток, в который должно быть «сброшено» некоторое количество тепла.

На самом деле, этот принцип приложим к любому виду двигателей, преобразующих тепло в работу, включая двигатели внутреннего сгорания, приводящие в движение наши автомобили, и реактивные двигатели, заставляющие лететь наши самолеты. В этих более хитроумных приборах холодный сток идентифицировать труднее, но тщательный анализ потока энергии показывает, что он на месте. Например, в двигателе внутреннего сгорания мы можем считать холодным стоком для сбрасывания отработанного тепла изношенные клапаны и выпускной коллектор. Это первый проблеск осознания того, что паровой