Том и тётя

Слегка прищурившись, чтобы защититься от струй дождя, Том с удовольствием разглядывал открывающуюся перед ним картину, где стекающая с вершины горы бурная речка энергично крутила колесо маленькой старой, но отлично сохранившейся водяной мельницы. Мальчика привезла сюда на отдых тетя Присцилла, профессор астрофизики Кембриджского университета.

— Bay! — воскликнул Том, — как здорово все работает! Неужели все эти древние механизмы и колеса всегда крутятся так быстро? — Не думаю, что все работает так всегда, — ответила тетя, стараясь перекричать шум речного потока. — Просто сегодня из-за дождливой погоды течение намного сильнее обычного. Заметь, что большая часть воды перетекает через запруду, а не проходит через мельницу. Обычно река выглядит намного спокойнее, а сегодня у нее гораздо больше энергии, чем нужно для нормальной работы мельницы.

Том вгляделся в поток, восхищаясь причудливыми узорами сверкающих струй и брызг, после чего, немного подумав, сказал:

— А я что-то вообще не вижу какой-то большой энергии в этом течении. Просто я думаю, что кто-то очень сообразительный пару столетий назад понял, как можно использовать силу воды для того, чтобы все эти механизмы задвигались и начали выполнять работу вместо людей, например, заставляя трудиться большие ткацкие станки. Но я не понимаю, откуда берется энергия, которая заставляет всю эту воду собраться на вершине горы.

— Солнечное тепло испаряет воду в океане, пары поднимаются в атмосферу, а затем выпадают в виде дождя, в результате чего где-то высоко в горах вдруг оказывается очень большое количество воды. Так что в действительности колесо мельницы вращает именно энергия Солнца, — ответила Присцилла.

Как часто случалось при беседах с тетушкой, Том почувствовал себя немного озадаченным, но попробовал отнестись к сказанному с обычным скептицизмом. Он не очень представлял себе, каким образом вода может подниматься куда-то вверх и как это связано с нагревом. И вообще, о каком нагреве говорит тетя, если сегодня прохладно?

— Впрочем, вчера было довольно жарко, — сказал Том неохотно, — хотя я не чувствовал, чтобы Солнце что-то поднимало.

Тетя Присцилла рассмеялась:

— Все обстоит совсем по-другому. Просто вода в океане состоит из крошечных частиц, которые называются молекулами и двигаются совершенно случайным, хаотическим образом. Солнце нагревает молекулы и придает им дополнительную энергию, благодаря чему они начинают двигаться все быстрее, а наиболее «горячие» молекулы при этом даже покидают поверхность воды и «выскакивают» в атмосферу. Число таких молекул относительно мало, но моря и океаны настолько огромны, что в атмосфере практически всегда находится очень большое количество паров воды, из которой могут образовываться облака, время от времени выпадающие в виде дождя, и тогда в высокогорье вдруг сразу оказываются большие объемы воды.

Том был слегка озадачен услышанным. Он немного понял, как образуются дожди, но продолжал сомневаться:

— Тетя, как же так, ведь дождь вовсе не теплый?

— Конечно. Как я сказала раньше, тепловая энергия Солнца сперва превращается в энергию очень быстрого и хаотического движения молекул воды, в результате чего часть этих молекул начинает двигаться настолько быстро, что они могут «выскакивать» в атмосферу, образуя пары воды. При подъеме вверх энергия движения молекул превращается в другую энергию, которая называется энергией гравитационного потенциала. Представь, что ты бросаешь вверх мячик. Чем энергичнее и с большей скоростью ты его бросишь, тем большей высоты он достигнет, а затем начнет опускаться. Так и с молекулами воды. Рано или поздно они достигают максимально возможной высоты подъема, при которой вся энергия движения (вспомни, что эту энергию они получают от теплоты Солнца) полностью превращается в гравитационную потенциальную энергию, соответствующую высоте над поверхностью планеты. Затем молекулы воды выпадают в виде дождя, «скатываются» вместе с речной водой с горы, и их потенциальная энергия вновь обращается в энергию движения, которая и приводит в действие все эти интересно устроенные механизмы мельницы.

— Так, значит, вода совсем не должна нагреваться при этом? — спросил Том.

— Именно так, милый. Поднимаясь вверх в атмосфере, молекулы воды постепенно замедляются и могут даже просто «замерзнуть», образуя снежинки в виде крошечных частиц льда (из них, кстати, и состоят облака), в результате чего вся энергия их теплового движения полностью превращается в потенциальную энергию. Поэтому дождь и состоит вовсе не из горячей, а скорее из охлажденной воды, которая дополнительно остывает при «падении» с высоты, преодолевая сопротивление воздуха.

— Как здорово!

— Конечно, все это занятно, — сказала тетя Присцилла, обрадованная интересом племянника, — но на самом деле стекающая по горному склону холодная вода все еще содержит молекулы с высокой тепловой энергией. Они еще обладают большой скоростью и энергией хаотического движения, что и позволяет таким молекулам ниже по течению энергично двигаться, совершать работу и создавать стремительные завихрения потока!

— Боже мой, и я должен во все это поверить? — Том был сильно удивлен. Подумав несколько минут, он затем вдруг воскликнул:

— Тетя, у меня появилась прекрасная идея! Почему бы нам не построить мельницу особого типа, которая могла бы напрямую использовать всю энергию движения молекул воды, например, просто в обычном озере? В такой мельнице можно придумать множество маленьких лопастей с крошечными «чашечками» на концах, чтобы молекулы воды могли вращать их независимо от направления потока. Это было бы похоже на миниатюрную ветряную мельницу, но работающую прямо в воде под действием ударов отдельных молекул. Такое устройство напрямую преобразовало бы энергию движения молекул и позволило бы приводить в действие разнообразные механизмы!

— Прекрасная идея, Том, но, к сожалению, такое устройство точно не будут работать... Должна тебе сказать, что существует фундаментальный физический принцип, называемый вторым законом термодинамики, в соответствии с которым любая такая система с течением времени будет «дезорганизовываться» или, другими словами, постепенно разрушаться. Конкретно для твоего устройства, Том, второй закон можно сформулировать в виде следующего условия: нельзя создать устройство, получающее полезную энергию за счет использования случайного, то есть хаотического движения молекул в любом (неважно, холодном или горячем) теле. Ученые даже придумали для такого воображаемого, но невозможного устройства особый термин, назвав его «демоном Максвелла».

— Не говори так, тетя, ты же знаешь, что дедушка дразнит меня «маленьким демоном» каждый раз, как только я предлагаю новую потрясающую идею! И вообще, — продолжил Том с привычным скептицизмом, — этот второй закон кажется неприятным и мне трудно поверить в его справедливость. Надо просто придумать какую-нибудь замечательную идею, которая позволила бы «перехитрить» все неприятные правила. Например, я понял, что именно энергия горячего Солнца нагревает молекулы воды в океанах и придает им столько энергии хаотического движения, что они могут потом достигать горных вершин, а затем скатываться вниз, вращая колесо водяной мельницы.

— Ты понял совершенно правильно. Второй закон лишь утверждает, что Солнце не может производить работу самостоятельно. Для работы мельницы необходимо, чтобы атмосферные слои над горами были настолько холодными, чтобы в них могли конденсироваться атмосферные пары. А Земля не сохраняет всю энергию, полученную от Солнца!

Том взглянул на тетю с нескрываемым удивлением:

— Почему? А зачем тогда нужны эти холодные слои в верхней части атмосферы? Разве слово «холодный» не означает лишь то, что они содержат меньше энергии, чем какие-то другие, которые мы можем назвать горячими? Для чего нужна эта не очень-то большая разница в энергии? Я тебя совсем не понимаю, мне кажется, что ты сама себе противоречишь, — возразил Том, обретая некоторую уверенность. — Сперва ты говорила, что мельницу заставляет работать Солнце, а теперь вдруг заявляешь, что Земля вообще не берет энергию от Солнца!

— Но это так! Подумай, ведь в противном случае температура нашей Земли становилась бы все выше и выше, до тех пор, пока вся жизнь на планете стала бы невозможной. В действительности всю получаемую днем от Солнца энергию Земля почти полностью ночью возвращает в холодное космическое пространство. Механизм этой теплопередачи основан на том, что Солнце представляет собой совершенно особый объект, исключительно горячий и яркий на фоне холодного и темного космического простора.

Том начал терять нить рассуждений, но его поразила заключительная фраза тети: « ... и таким образом, нас «спасает» от действия второго закона только какая-то очевидная упорядоченность самого Солнца, то есть организованность солнечной энергии». Том был совершенно ошеломлен и взглянул на тетю Присциллу с нескрываемым удивлением:

— Я совсем перестал тебя понимать и даже не могу сообразить, что означает второй закон по-настоящему? Откуда может взяться какая-то организованность внутри Солнца? Ведь с течением времени, как ты говорила чуть раньше, беспорядок структуры Солнца должен непрерывно возрастать именно благодаря второму закону! Получается, что в момент образования Солнце должно было обладать какой-то немыслимой организованностью, чтобы в дальнейшем «тратить свою упорядоченность» изза действия второго закона?

— Именно так, и все связано с тем, что Солнце представляет собой немыслимо горячее и яркое пятно на темном фоне окружающей нас Вселенной. Огромная разница в температуре создает необходимую упорядоченность, то есть организованность всей системы в целом.

Том взглянул на тетю с некоторым понимаем:

— Ты говорила мне об организованности и что ее можно подсчитать, хотя я и не все понял. Предположим, что все это верно, но мне неясно, откуда возникает странное, интересное свойство упорядоченности вещества. Из-за чего вообще появляется организованность?

— Она появляется вследствие того, что газ (при конденсации которого возникло когда-то наше Солнце) был до этого очень однородно распределен в пространстве, а затем гравитационные силы образовали в нем «комки» в виде звезд, которые мы видим. Очень давно Солнце выглядело именно как огромный «кусок» конденсированного вещества, который по мере сжатия разогревался все сильнее.

— Ты рассказываешь мне все более и более раннюю историю мира, тетя, но я спрашивал тебя лишь о том, откуда в самом начале взялось то, что ты называешь организованностью или упорядоченностью.

— О, в самом начале был Биг-бэнг — чудовищный по масштабам Большой взрыв, в результате которого и возникла вся наша Вселенная!

— Тетя, но ведь гигантский взрыв вовсе не похож на то, из чего может возникнуть что-то упорядоченное. Я просто не могу поверить, что взрыв способен породить организованность вещества!

— Ты не одинок в своих сомнениях. Множество людей не понимают и не воспринимают идею о том, что Вселенная началась с чудовищного взрыва. Связь организованности с Большим взрывом и само возникновение какого-то реального порядка в природе — одна из самых великих загадок космологии.

— А может, до этого Большого взрыва уже существовало что-то еще более упорядоченное!

— Некоторые исследователи предлагают что-то подобное и создают теории, согласно которым наша расширяющаяся при взрыве Вселенная до этого переживала фазу коллапса, которая при каком-то «отскоке» превратилась в Большой взрыв. Есть и другие теории, из которых, например, следует, что маленькие «кусочки» предыдущей Вселенной обратились в то, что мы сейчас называем черными дырами. Некоторые даже думают, что эти «кусочки» предыдущего мира сами могут «отскакивать», превращаясь в некие зародыши или, образно говоря, семена будущих расширяющихся Вселенных. Другие ученые полагают, что такие новые Вселенные превращаются в какие-то объекты, которые можно назвать «фальшивым вакуумом».

— Тетя, но эти их идеи и теории кажутся просто безумными!

— Конечно! Давай, я расскажу тебе об одной из самых новых теорий... 

Роджер Пенроуз. Циклы Времени