Романтика реальности. Как Вселенная самоорганизуется, порождая жизнь, сознание и сложность Космоса - страница 12

Главная проблема этого космического нарратива состоит в том, что увеличение общего количества энтропии во Вселенной не соответствует общему уменьшению количества существующей организации. Более того, биологический, культурный и технологический порядок может даже расти параллельно с энтропией, и не только в краткосрочной перспективе. Чтобы понять, как такое возможно, и распутать клубок загадок второго закона, мы должны различать два разных типа энтропии (их гораздо больше, но мы начнем с них). Для этого придется начать с краткого исторического экскурса.

Концепцию, лежащую в основе второго закона термодинамики, разработали в девятнадцатом веке несколько блестящих европейских ученых, в частности Сади Карно и Рудольф Клаузиус, причем сперва они руководствовались практическими соображениями, а не теоретическими. Они искали наиболее эффективный способ преобразования энергии теплового потока в механическую энергию, которая могла бы приводить в действие машины. Паровой двигатель, тогда существовавший уже некоторое время, доказывал, что энергию можно извлекать из теплового потока для выполнения «работы», то есть для чего-то полезного, например перемещения, подъема или ускорения массы тела путем приложения к нему силы. Работа не может быть выполнена, если ею не движет физическая сила, всегда требующая энергии. Работа, выполняемая паровыми локомотивами, заключается в перемещении составов по рельсам. В девятнадцатом веке это был крупный бизнес, ведь поезда открывали новые возможности для торговли и позволяли людям массово переезжать из сельских районов в промышленно развитые города.

Прозорливый Карно заметил, что если между двумя контактирующими телами существует разница температур, то тепло самопроизвольно перетекает от более горячего тела к более холодному, пока оба тела не достигнут одинаковой температуры – состояния, известного как термодинамическое равновесие. Большинство из нас часто сталкиваются с этим явлением, например когда наша горячая чашка кофе или уютная теплая ванна взаимодействуют с более холодным окружающим воздухом и охлаждаются до комнатной температуры. Пожалуй, полезно представить тепло, перетекающее из горячей системы в холодную, как движение вниз, которое, согласно ньютоновской физике, является естественным направлением движения.

Чем это объясняется? Возможно, вам знакома старая поговорка «природа не терпит пустоты». Так вот, можно также сказать, что природа не терпит градиентов. Градиент – это разница между двумя взаимодействующими системами (будь то разница в температуре, давлении, химической концентрации или электрическом заряде), создающая нестабильность. Если такая разница существует, то будет происходить самопроизвольное перетекание энергии из одной системы в другую до тех пор, пока эта разница (градиент) не будет устранена и пока не будет достигнуто стабильное и инертное состояние равновесия. Это происходит автоматически, потому что природа просто ненавидит градиенты.

Так почему же это представляло интерес для инженеров девятнадцатого века? Ответ весьма поразителен. Когда существует температурный градиент, тепло, поступающее к телу для устранения градиента, создает физическую силу, которую можно использовать для выполнения работы. Чем больше разница температур между двумя телами, тем больше крутизна градиента и тем большей будет сила теплового потока, уменьшающего эту разницу и восстанавливающего термодинамическое равновесие. Вот почему горячие напитки остывают быстрее, когда вы ставите их в холодильник. Разница температур между горячим продуктом и охлажденным окружением намного больше, чем при комнатной температуре.