Холодильник Эйнштейна

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”.

Глава 7

Энтропия

Die Entropie der Welt strebt emem Maximum zu'[9].

Рудольф Клаузиус

Уильяму Томсону было недостаточно предсказать конец времени. Вскоре после этого ему в голову пришла идея, которая вписала его имя в научный лексикон. Ею стала так называемая абсолютная температурная шкала.

В то время температура измерялась при наблюдении за расширением таких веществ, как ртуть. Такой способ часто применяется и сегодня. Однако, как показывает следующий пример, он может привести к ошибкам.

Поместите ртутный термометр в холодильник. Он показывает 1 °C. Выньте его из холодильника. Ртуть расширяется, и столбик достигает 4 °C. (В нашем примере, хотя воздух в кухне теплее, чем внутри холодильника, измерения происходят в холодный день.)

Эти показания основаны на принятом правиле, которое гласит, что расширение ртути примерно на 0,018 % свидетельствует о повышении температуры на один градус Цельсия. (Столбик термометра очень тонок, чтобы столь незначительное изменение объема ртути можно было легко разглядеть.)

Но насколько надежен этот метод? Покажет ли другое вещество такое же изменение температуры? Представьте, например, термометр с водным столбиком. Произведите описанные выше измерения.

Измерение высоты при помощи водяной мельницы

Вы увидите, что вода, покинув холодильник, не расширится, а сожмется. Реальная температура холодильника и кухни не изменилась, но вещество, используемое для ее измерения, ведет себя совсем иначе. Ртуть говорит, что в кухне теплее, чем в холодильнике, а вода словно намекает на обратное. Какому из веществ верить?