А величина свободной энергии равна той, которую вы затратили на подзавод часов (если пренебречь той небольшой частью, что ушла на преодоление трения, на нагрев вращающихся частей и т. д.).
Но часы – это не замкнутая система: энергия в них поступает извне.
Если говорить о по-настоящему замкнутой системе, не обладающей внутренними источниками энергии, и рассматривать её в длительном периоде, то, если там и было какое-то количество свободной энергии, оно рано или поздно перейдет в связанную форму. К этому ее принуждают законы термодинамики, с которыми мы познакомимся чуть позже.
И вот, представьте себе, что вся свободная энергия абсолютно замкнутой системы перешла в связанное состояние. Все процессы внутри системы прекратились, ее движение остановилось. По сути, система превратилась в неподвижный труп. Пусть даже она обладает массой, а стало быть и энергией. Но это – связанная энергия. Энергия, которая не может работать, энергия, не приводящая систему в движение…
А теперь вспомним определение: движение есть форма существования материи. Нет движения, – значит нет и существования материи, ничего нет.
Получается, что нет никакой разницы между несуществованием Вселенной – и ее существованием в виде системы со связанной энергией. Между переходом всей энергии Вселенной в связанное состояние – и уничтожением Вселенной.
Жизнь – это только свободная энергия. Связанная энергия – это смерть. Энергия энергии рознь.
А теперь давайте задумаемся. Если бы изначально вся энергия нашей Вселенной находилась в связанной форме, то откуда в такой системе может вообще появиться свободная энергия, которая бы привела ее в движение?
Поскольку в реальной материальной Вселенной свободная энергия, тем не менее, присутствует, это значит, что мнение о том, что кроме материи ничего не существует, ошибочно.
По-видимому, замкнутая в физическом смысле материальная Вселенная не является всё же абсолютно замкнутой.
Наверно, существует что-то вне её, нечто нематериальное, что сообщило ей какое-то количество свободной энергии.
Количество свободной энергии в незамкнутой системе равно сумме сообщенной ей свободной энергии и той энергии, которая благодаря этому, высвободилась внутри системы из связанного состояния за вычетом той части энергии, которая вновь перешла в связанное состояние.
Попросту говоря, Вселенная в энергетическом смысле напоминает рекламного кролика Энерджайзера, в которого кто-то вставил батарейку.
О количестве энергии во Вселенной
А теперь вернемся к вопросу о том самом количестве энергии во Вселенной, которое, согласно закону сохранения энергии, неизменно, то есть представляет собой некую абсолютную константу.
Давайте спросим: а каково же это постоянное и неизменное количество энергии во Вселенной?
Поскольку закон сохранения энергии действует всегда и при любых обстоятельствах, а количество энергии всегда одно и то же, нельзя ли хоть приблизительно установить величину этой константы? Ну что вы – возразят нам, – Вселенная ведь бесконечна, значит и количество энергии в ней бесконечно!
Это уже подозрительно. Где это вы видели безразмерную константу, стремящуюся к бесконечности?
И здесь уместно вспомнить шутливую задачку, на которой спотыкаются даже серьезные физики. Представьте себе, что хулиганы привязали к хвосту кошки консервную банку. Известно, что таким образом экипированная кошка производит бешеный шум, который пугает, прежде всего, её саму, от чего она бежит ещё быстрее. Но чем быстрее она бежит – тем больший шум производит, и так далее. Спрашивается: с какой скоростью должна бежать кошка, чтобы не слышать этого шума?
На ум сразу приходит сверхзвуковая скорость – если разогнать кошку до такой скорости, она не будет слышать производимого ею шума, потому что он будет запаздывать, распространяясь с меньшей скоростью.
А ведь есть и другое, более простое и естественное решение этой задачи!
Чтобы не слышать шума кошка… не должна бежать! Или, если угодно, она должна иметь скорость, равную нулю.
Эта шутка – прямая аналогия с нашей проблемой. Когда говорят о том, что количество энергии в замкнутой системе есть величина постоянная, это не обязательно означает, что такой системе в целом действительно присуще какое-то определённое количество энергии. Иначе говоря, общее количество энергии системы может равняться нулю.
Как это может быть?
В 1747 г. американский физик Бенджамин Франклин, тот самый, чей портрет украшает стодолларовую купюру, открыл еще один закон сохранения – закон сохранения электрического заряда, смысл которого заключается в точном равенстве величин положительного и отрицательного элементарных зарядов. Этот закон формулируется так: «Алгебраическая сумма электрических зарядов тел или частиц, образующих электрически изолированную систему28, не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе». В 1843 закон сохранения электрического заряда был экспериментально подтвержден англичанином Майклом Фарадеем.
Оказалось, что разноименные заряды (заряженные частицы) появляются и исчезают парами: положительные и отрицательные. Так что, каково бы ни было их количество, в сумме они дают ноль.
Макроскопические тела, как правило, электрически нейтральны, т. е. в них в равных количествах содержатся как положительные, так и отрицательные заряды.
Если говорить о Вселенной, то, как считают ученые, её полный электрический заряд равен нулю; число положительно заряженных частиц равно числу отрицательно заряженных элементарных частиц.
А теперь вспомним открытый Уоллисом закон сохранения количества движения, утверждающий, что «общее количество движения в замкнутой системе постоянно». Согласно третьему закону Ньютона «действие равно противодействию», то есть силы взаимодействия двух тел равны по величине и противоположны по направлению.
Если рассматривать, скажем, систему, состоящую из камня и земли, на которой лежит камень, то сила сопротивления земли согласно закону Ньютона равна, но противоположна силе давления на нее камня, а общая сумма этих двух сил (с учетом знака) равна нулю. Именно по этой причине эта система находится в состоянии покоя. Если бы сила земли превысила силу камня, земля бы подбросила камень вверх, а если бы сила камня превысила силу земли – камень бы погрузился в землю (такое случается с метеоритными камнями, с чудовищной силой ударяющимися о землю).
Несложно представить себе систему, состоящую из многих взаимодействующих (движущихся в разных направлениях) тел, даже такую большую, как вся Вселенная, в которой моменты взаимодействующих между собой тел взаимно погашаются и их сумма равна нулю.
Как видим, и в законе сохранения количества движения, и в законе сохранения заряда константы равны нулю. Нет оснований думать, будто с законом сохранения энергии дело обстоит иначе. Во всяком случае, это должно быть справедливо в отношении свободной энергии, частными случаями которой являются энергия движения (кинетическая энергия) и электрическая энергия (энергия электрического поля, создаваемого зарядами). Это дает нам право предположить, что общее количество свободной энергии в изолированной системе равно нулю. Потому это количество и постоянно. Похоже, это единственное приемлемое решение для величины энергетической константы Вселенной.
Первое начало термодинамики
Давайте еще немного углубимся в физику, точнее в науку о движении теплоты – термодинамику. Несмотря на скучное название, эта наука удивительно интересная. Она на многое открывает глаза. Взять хотя бы тот факт, что на основании законов термодинамики была точно установлена невозможность создания perpetuum mobile – вечного двигателя, над которым ломали головы многие поколения энтузиастов29.
Термодинамика изучает превращения энергии в различных явлениях, сопровождающихся тепловыми эффектами. А надо сказать, что тепловая форма энергии является базовой по отношению к другим – практически при любом переходе энергии из одного вида в другой некоторая часть энергии (порой – довольно значительная) выделяется в виде теплоты. Например, когда мы превращаем электрическую энергию в световую (включаем электролампочку), эта лампочка кроме света выделяет также и довольно много тепла, даже если это нам не требуется. Когда мы ту же электрическую энергию превращаем в механическую, например, пользуемся электрической дрелью, то двигатель дрели ощутимо нагревается, что приводит к его ускоренному износу. Но поделать с этим ничего нельзя. Даже создание холода в холодильнике не обходится без выброса в атмосферу тепла.
Тепловая энергия – универсальный вид энергии. Любой вид энергии в конечном счете превращается в тепло. Поэтому термодинамика и представляет для нас такой интерес.
Термодинамика основывается на опытных законах, которые называют началами термодинамики.
Первое начало термодинамики описывает тот очевидный факт, что при наличии разности потенциалов (энергетических уровней) энергия всегда перемещается в направлении от более высокого уровня к более низкому, от избытка к недостатку. Представьте себе водопад – резкий перепад уровня воды. В какую сторону течет вода? Конечно, с высокого уровня – на более низкий. При этом она совершает работу, которую можно использовать, например, заставив её крутить лопасти турбины и вырабатывать ток, на чём, собственно, основана идея любой гидроэлектростанции. Может ли вода двигаться в обратном направлении, снизу вверх? Конечно, не может.
Ну, это вода. Может быть, тепло ведет себя по-другому? Возьмем два предмета, имеющих различную температуру, например, горячий чай (температура 80 °С) и обычную чашку (температура комнатная, 20°С) и приведем их в соприкосновение, т. е. нальем чай в чашку. Что будет происходить? Через какое-то время мы заметим, что чай остыл, так что его можно пить, а чашка нагрелась. Очевидно, часть тепла перешла от чая к чашке. Могло ли быть по другому? Могла ли часть тепла, имевшаяся у чашки (все-таки 20 °С!) перейти к чаю, так, чтобы он вскипел, а чашка бы при этом охладилась до нуля? Нет, это уже похоже на фантастику. Тепло, как и вода, переходит всегда от более нагретого тела к менее нагретому, то есть с более высокого уровня на более низкий, и никогда иначе.
Вот этот простой факт и демонстрирует действие первого начала термодинамики. Любой вид энергии (не только теплота) всегда переходит с более высокого уровня на более низкий. И скорость этого перехода тем больше, чем больше разница уровней (разность потенциалов). Очевидно, что поток воды Ниагарского водопада низвергается гораздо быстрее, чем, скажем, «течет река Волга – издалека долго». Если в процессе энергообмена разность потенциалов имеет возможность выравниваться, то скорость движения потока энергии постепенно снижается, до тех пор, пока оба уровня не уравновесятся. Тогда поток энергии прекратится и система не сможет больше производить работу. Система в этом случае перейдет в равновесное состояние, характеризующееся нулевой энергией. В нашем примере с чашкой чая это произойдет тогда, когда температура нагретой чашки сравняется с температурой остывшего чая; например, равновесие может быть достигнуто на уровне 50 °С.
Обладает ли наша система, достигшая такого равновесия, какой-нибудь энергией?
Вроде бы, не обладает, потому что поток энергии прекратился и никакая работа больше не совершается (в данном случае работа заключалась в нагреве чашки или в остывании чая). Но как же так, ведь 50 °С – это тоже энергия? А это зависит от того, какую систему рассматривать. Если в качестве замкнутой рассматривать систему «чашка-чай», то для неё не имеет значения, какую температуру имеют оба компонента, важно, что эта температура одинакова. Свободная энергия такой системы равна нулю. Если же включить в систему также и комнату, в которой находится чашка (предположим, что температура в комнате 20 °С), то в этой системе наша чашка с чаем, конечно, будет обладать энергией. До тех пор, пока не остынет до комнатной температуры. И тогда в системе «комната-чашка с чаем» тоже наступит равновесие и свободная энергия системы опять примет нулевое значение. Продолжая расширять границы нашей системы, мы придем к тому, что рано или поздно равновесие должно наступить в пределах всей Вселенной, и что её свободная энергия будет равна нулю.
Второе начало термодинамики
Незнание второго начала термодинамики равносильно незнанию произведений В. Шекспира.
Пусть общее количество энергии во Вселенной равно нулю, – возразят нам, – но ведь это как бы усредненное значение. При этом энергия отдельных объектов во Вселенной может отличаться от нуля и сильно отличаться – как в положительную, так и в отрицательную сторону. Не получится ли у нас как в том анекдоте, когда дежурная медсестра заверяла главврача, что во время ее дежурства все было хорошо, средняя температура больных – 36 °С.
– А как вы определяли среднюю температуру? – поинтересовался главврач.
– У половины больных температура 42 °С – у них жар, а у второй половины 30 °С, поскольку они уже померли. А в среднем – 36 °С.
Суть вопроса заключается вот в чём: могут ли внутри системы, в целом обладающей нулевой энергией, сами собой, без какого бы то ни было внешнего воздействия, возникнуть разности потенциалов, позволяющие ей совершать некоторую работу?
Для наглядности рассмотрим два простых примера.
Предположим, у нас есть система, состоящая из двух сообщающихся сосудов, в которые налита вода. Уровни воды в обоих сосудах одинаковы – так всегда бывает в сообщающихся сосудах. Возможно ли, что бы уровни воды в сосудах сами собой вдруг изменились?
Теперь возьмем более простую систему, состоящую из одного сосуда с водой. Плотность воды в каждом месте сосуда одинакова, приблизительно 1 г/см3. Возможно ли, чтобы без всякого внешнего воздействия в каком-то месте сосуда вода вдруг приобрела большую (или меньшую) плотность? Например, в одном месте сосуда плотность воды стала бы 1,2 г/см3 а в другом – 0,8 г/см3?
Ответ представляется очевидным. Конечно, ни то, ни другое – невозможно!
Однако не торопитесь с выводами.
Правильный ответ, – говорит нам наука, – такой: уровень воды самопроизвольно подниматься, конечно, не может, а вот плотность её увеличиться без постороннего вмешательства – пожалуйста!
Да в чем же разница? – спросите вы, – и почему никто никогда такого явления не наблюдал?
А разница между двумя рассмотренными нами случаями в том, что переход на более высокий уровень запрещает Первое начало термодинамики, имеющее безусловный характер, тогда как внутренними свойствами вещества ведает Второе начало термодинамики, которое носит вероятностный характер. Объясняется это довольно просто. Первое начало имеет дело с макрообъектом, в данном случае – с жидкостью, поведение которой предсказуемо, и мы точно знаем, чего можно от нее ожидать, а чего нельзя. А Второе начало определяет поведение частиц, составляющих вещество, предсказать поведение каждой из которых в принципе невозможно – мы можем говорить лишь о вероятности того, где каждая из этих частиц окажется в тот или иной момент времени. Поэтому, не запрещая, вроде бы, самопроизвольно менять плотность жидкости, Второе начало лишь замечает, что вероятность такого события исчезающее мала. То есть, в принципе такое событие могло бы иметь место, однако вряд ли такое случится на самом деле. Сильная вещь – наука!
Обычно, когда речь заходит о Втором начале термодинамики, приводят другой пример. Представьте себе замкнутую систему, состоящую из двух сосудов, соединенных трубкой. Сосуды заполнены каким-нибудь газом, да хоть обычным воздухом, который, само собой, равномерно распределяется по всему предоставленному ему объему. Как сделать так, чтобы в одном сосуде воздух нагрелся, а в другом охладился? Вспомним, что температура тела (и газа тоже) определяется интенсивностью колебаний составляющих его частиц. Чем быстрее движутся частицы, тем выше температура (и ниже плотность). При любой исходной температуре в газе имеются частицы, колеблющиеся с разной скоростью. Вот если бы мы могли разделить их: медленные – налево, быстрые – направо – тогда бы между сосудами возникла разница температур. Но как это сделать?