Деградация энергии

Вновь воспользовавшись для примера автомобилем, можно сформулировать то же самое несколько иначе. Пока автомобиль едет, вся его энергия является энергией поступательного движения, или кинетической энергией. Поскольку поступательное движение направленно в определенную сторону, движущийся автомобиль, как говорят физики, имеет одну степень свободы. Когда автомобиль начинает тормозить, его энергия движения преобразуется в тепловую, и его тормозные колодки и покрышки колес нагреваются (рис. 2.6). Однако теплота — это микроскопическое движение огромного количества молекул и атомов. Общеизвестно, что одно тело теплее другого тогда, когда молекулы первого движутся интенсивнее, чем молекулы другого. Но так как молекулы — по крайней мере на микроскопическом уровне — могут двигаться в различных направлениях и количество самих молекул чрезвычайно велико, тепловая энергия характеризуется множеством степеней свободы. Иначе говоря, при торможении автомобиля энергия с единственной степенью свободы становится энергией со многими степенями свободы, и при этом появляется неимоверное количество возможностей реализовать такое новое распределение. Обратный процесс означал бы, что все молекулы разом, как по команде, вдруг самопроизвольно полетели бы в одном направлении, и все множество степеней свободы свелось бы к од-ной-единственной. Однако такое развитие событий — согласно основному закону термодинамики — невозможно. Действительно, энергию поступательного движения автомобиля, т. е. энергию с одной степенью свободы, можно превратить в тепло; обратный же процесс мы осуществить не в состоянии — по крайней мере в полном объеме. Все дело в том, что энергия, заключенная в рамки единственной степени свободы, является энергией более высокого уровня, нежели энергия, распределяемая по множественным степеням свободы.

^{Рис. 2.6. Движущийся автомобиль (слева) имеет только одну степень свободы. При торможении эта единственная степень свободы преобразуется в огромное множество степеней свободы теплового движения (например в покрышках колес и тормозных колодках)}

Стремление Природы к возрастающей неупорядоченности может быть определенным образом ограничено. Используя в примере с газом разделяющую камеры перегородку, мы можем воспрепятствовать дальнейшему движению молекул и остановить их дальнейшее распределение. Следует постоянно помнить о том, что Природа не вынужденно стремится к увеличению неупорядоченности, что она вовсе не обязана непременно достичь состояния хаоса, и что на нее извне могут быть наложены ограничения. Так, например, человеку удалось обнаружить несколько технических трюков, с помощью которых стало возможным использование части тепловой энергии. Скажем, в двигателях внутреннего сгорания упомянутая возможность реализуется с помощью движущихся поршней: часть образующейся при сгорании бензина тепловой энергии переходит в энергию, которая движет поршни, располагающие одной степенью свободы; однако большая часть тепловой энергии при этом все же теряется — точнее, передается охлаждающей жидкости. Как утверждает физика, подобная «регенерация» и вторичное использование высокоуровневой энергии принципиально ограничено и требует к тому же особых машин, придуманных человеческими головами и созданных человеческими руками. Во Вселенной для возрастающей неупорядоченности, по-видимому, не существует такого рода препятствий. Отсюда физики заключают, что Вселенная устремлена к состоянию максимальной неупорядоченности, при котором все упорядоченные структуры в конце концов распадутся и жизнь станет невозможна — Вселенную ждет «тепловая смерть». Вспомним слова знаменитого Г. фон Гельмгольца (1821-1894): «С этого момента Вселенная обречена на вечный покой». А не менее знаменитый Р. Клаузиус (1822-1888) говорил: «Чем ближе Вселенная к состоянию максимальной энтропии, тем меньше возникает возможностей для дальнейших изменений». Когда же это состояние будет достигнуто, Вселенная окажется «в состоянии неизменной смерти».

Взгляд в прошлое Вселенной дает нам, по всей видимости, столь же мало указаний на возможность возникновения жизни, как и взгляд в ее будущее. По оценкам большинства физиков, Вселенная возникла порядка 10-15 миллиардов лет назад в результате «большого взрыва» в виде чудовищно горячего огненного шара, внутри которого не было и следа порядка. Итак, в начале времен в мире не существовало ничего, кроме хаоса. После этого неупорядоченность должна была только возрасти, стремясь достичь максимума. Где же среди всего этого хаоса нашлось место для упорядоченных, осмысленных — не говоря уже о живых — структур?