Дело в химии. Как все устроено?

А теперь вернемся к первому началу и попробуем немного развлечься, отложив в сторону книги и думы. Мы не можем создать энергию из ничего; да, это мы уже поняли. Однако если как следует поразмыслить, в идеальном мире мы могли бы перерабатывать энергию, как мы это делаем с бумагой или пластиком, разве нет? Если мы не можем ее создать, значит, не можем ее и уничтожить: и зачем тогда мучиться? Может быть, через несколько лет мы сможем управлять электромобилем, столь совершенным, что он сможет заряжаться по мере продвижения: достаточно поставить на него футуристические безотходные генераторы, и вся энергия, которая заставляет крутиться колеса, будет превращаться в электричество. Идея кажется великолепной, разве нет? Кажется, но не является: виновато второе начало термодинамики.

В этой игре у нас далеко не равные шансы.

Первое начало термодинамики сообщает нам фундаментальную информацию, но оно не учитывает и не описывает поведение энергии и ее трансформации.

К примеру, вообразим два одинаковых куска железа, соприкасающихся друг с другом: температура одного куска равна 100 °C, а другого – 0 °C, и представим себе, что они полностью изолированы от внешней среды, чтобы избежать рассеяния тепла в воздухе. Интуиция подсказывает, что спустя некоторый промежуток времени, тепловая энергия горячего куска потечет к холодному, пока они не достигнут температуры 50 °C и теплового равновесия между ними. Однако в первом начале нет ничего о том, что тепло должно течь от более теплого тела к более холодному. Горячий кусок мог бы просто не передавать тепло холодному, а общая энергия оставалась бы прежней. Вдобавок, если бы мы должны были основываться только на первом начале, мы могли бы вообразить два одинаковых куска одинаковой температурой 50 °C, превращающихся в куски температурой 100 °C один и 0 °C другой. С точки зрения первого начала, подобный процесс вполне допустим.

Однако этого не происходит: тепло перетекает от более горячего тела к более холодному, но никогда в обратном направлении. Закон, который определяет это явление, и есть второе начало термодинамики: он дает исследователям инструмент, позволяющий отличить спонтанный процесс от не являющегося таковым. Формулируется оно так:

Энтропия Вселенной постоянно растет

А что такое энтропия? Оставим в стороне строгие математические определения: мы можем ее определить как физическую величину, отражающую степень микроскопического беспорядка системы. Чтобы лучше понять, что имеется в виду, вообразите себе, что входите в комнату, имея при себе маленький флакон с небольшим количеством чрезвычайно вонючего газа. Когда вы откроете флакон, газ распространится по комнате и через некоторое время все присутствующие начнут вопрошать, кто испортил воздух. Если же взглянуть с термодинамической точки зрения, то исходной точкой была более упорядоченная система, в которой газ-вонючка был отделен надежно от атмосферы в комнате, а конечной – беспорядочная система, в которой расположение всех молекул совершенно случайно. Энтропия в комнате возросла. Процесс, в результате которого вонючий газ, равномерно рассеянный по помещению, спонтанно отделится от других молекул и вернется туда, откуда вышел, приведет к большей микроскопической упорядоченности, что никогда не случится само по себе, как бы ни хотелось развернуть назад многие неловкие ситуации в лифте…

Еще один аспект второго начала, чуть более философский, но очень важный, состоит в том, что энтропия дает нам понятие времени и его направления: она сообщает, куда движется мироздание. Весь мир движется во вполне определенном направлении – к максимальной энтропии, к максимальному беспорядку. Значительная часть законов физики симметричны относительно времени, то есть работают независимо от его течения; они не сообщают ничего о том, что было в прошлом, что есть сейчас и что будет в будущем. А второе начало разбивает это зеркало и устраняет симметрию: отныне направление чередования событий четко определено.

Теория энтропии довольно сложна, однако мы можем сделать из нее выводы, имеющие вполне конкретное отношение к повседневной жизни:

a) процесс, при котором тепло спонтанно переходит от холодного тела к нагретому, невозможен;

б) энергия в любом виде стремится рассеяться, как тепло.

Эти два утверждения полностью отвергают возможность изобретения машины на вечном двигателе, способной самозаряжаться и двигаться без подпитки энергией. В любом процессе некая часть энергии всегда тратится впустую, как тепло, то есть рассеивается в пространстве, и мы не можем ее собрать назад никаким образом, независимо от уровня развития нашей цивилизации. Мы не можем не только выиграть, но даже сыграть вничью. Что бы мы ни предпринимали, часть использованной энергии все равно превратится в тепло, рассеянное навсегда во Вселенной.