Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

Эткинз Питер

Рис. 4.9.Фрагмент механических часов в Праге. Эти часы являются аллегорией Второго Начала, поскольку, хотя они демонстрируют систематическое поведение, они совершают это, производя еще больший беспорядок в другом месте, так как приводятся в движение падающим грузом. Пища подобна грузу, ферменты подобны шестеренкам часового механизма, а наши собственные действия подобны движениям фигур. Мы не хотим этим сказать, что свободы воли не существует, но доводы в пользу свободы воли заняли бы больше места, чем позволяет этот комментарий.

Часы в Праге являются аллегорией работы

Второго Начала. Хотя вокруг нас в мире могут происходить тщательно срежиссированные события, такие как вскрывание почки, рост дерева, формирование мнения, очевидно уменьшающие беспорядок, такие события никогда не случаются без участия того, что приводит их в движение. Этот приводной механизм создает в результате еще больший беспорядок где-то в другом месте. Сумма изменения энтропии, возникшего от уменьшения беспорядка в сконструированном событии, и изменения энтропии, возникшего из возрастания беспорядка, связанного с приводным механизмом диссипативного события, дает в качестве конечного эффекта чистое возрастание энтропии как общий результат итогового беспорядка. Итак, где бы мы ни встретили возникающий порядок, мы должны приподнять занавеску и увидеть, что где-то еще производится больший беспорядок. Мы, являясь, конечно, структурами, представляем собой области ослабления хаоса.

Конечно, здесь мы куем еще одно звено в цепи изучавшегося нами в главе 1 развития жизни, поскольку тот факт, например, что у мужчин есть грудные соски, является прямым следствием Второго Начала термодинамики. Безостановочное снижение качества энергии, выраженное во Втором Начале, является пружиной, управляющей появлением всех компонент современной биосферы. В самом прямом смысле, когда все царства живых существ поднимались из неорганической материи, Вселенная погружалась в еще больший хаос. Пружиной изменений является бесцельная, бессмысленная порча, хотя цепочки взаимосвязанных изменений являют удивительно прелестное и сложное цветение вещества, которое мы называем травой, слизнями и людьми. То, что мужчина имеет соски, является следствием общего происхождения всех животных и того факта, что Природу двигает вперед Второе Начало, совершая действия с тем, что доступно, безо всякого предвидения, всегда слепо, а иногда с неудобоваримыми долговременными последствиями.

Иногда местоположение большего роста беспорядка, приводящего к возрастанию порядка, может быть очень локальным или очень удаленным. Оно может даже находиться внутри нас. Часовой механизм внутри нас является биохимическим, с зубцами, сделанными из протеина, а не из железа; но тем не менее он работает во многом таким же способом. Он также моделирует работу парового двигателя. Поэтому давайте вернемся к паровому двигателю, имея перед глазами концепцию энтропии. Мы увидим, что в действительности представляет собой этот двигатель, его наиболее абстрактная анатомия, и, в частности, увидим, почему холодный сток является столь решающим в его работе.

Мы можем считать, что работа парового двигателя, любого парового двигателя, состоит из двух шагов (рис. 4.10). Первым шагом в работе двигателя является извлечение энергии в виде тепла из горячего резервуара. Отток энергии из резервуара снижает его энтропию, и его атомы обладают теперь меньшей тепловой энергией, чем прежде. Энергия, которую мы извлекли, протекает через механизм, превращающий тепло в работу (поршень и цилиндр в реальном паровом двигателе) и стекает в холодный сток. Если вся энергия, которую мы извлекли из горячего источника, поступает в холодный резервуар, энтропия этого резервуара возрастает. Однако, поскольку температура стока ниже, чем температура источника, возрастание энтропии больше, чем первоначальное уменьшение (вспомните аллегорию тихой библиотеки). В целом энтропия устройства возрастет, потому что уменьшение энтропии источника будет превзойдено возрастанием энтропии стока. Итак, поток тепла от источника к стоку является спонтанным.

Рис. 4.10.Термодинамический анализ работы парового двигателя (или теплового двигателя). Энергия покидает горячий источник в виде тепла, а поэтому уменьшает его энтропию. Часть этой энергии превращается в работу, которая не влияет на энтропию. Остаток энергии попадает в холодный сток, производя таким образом много энтропии. При условии, что температура холодного стока ниже, чем температура горячего источника, общая энтропия будет возрастать, даже если энергия, растраченная в виде тепла, меньше энергии, полученной из горячего источника. Разница между полученной и потраченной энергией может быть извлечена в виде работы.

Термодинамический анализ работы парового двигателя (или теплового двигателя). Энергия покидает горячий источник в виде тепла, а поэтому уменьшает его энтропию. Часть этой энергии превращается в работу, которая не влияет на энтропию. Остаток энергии попадает в холодный сток, производя таким образом много энтропии. При условии, что температура холодного стока ниже, чем температура горячего источника, общая энтропия будет возрастать, даже если энергия, растраченная в виде тепла, меньше энергии, полученной из горячего источника. Разница между полученной и потраченной энергией может быть извлечена в виде работы.

Теперь главное. Коль скоро наш двигатель не произвел работы, мы получили бы тот же результат, просто приведя горячий источник в прямое соприкосновение с холодным стоком. Однако перенос энергии из горячего источника остается спонтанным, даже если мы превращаем часть ее — но не всю энергию — в работу, а остаток переводим в холодный сток. Это, конечно, тот случай, когда отъем энергии в виде тепла у горячего источника приводит, как и прежде, к уменьшению его энтропии. Однако мы можем получить компенсирующее возрастание энтропии, отправляя в холодный резервуар меньшее количество тепла. Например, если температура холодного стока равна половине температуры горячего источника (в абсолютной шкале температур), то мы можем получить компенсирующее возрастание энтропии, позволив лишь половине извлеченной энергии уйти в холодный сток и оставив вторую половину себе, чтобы использовать ее для получения полезной работы. Двигатель работает спонтанно, то есть это полезный и жизнеспособный прибор, поскольку общее возрастание энтропии имеет место, даже если мы используем часть извлеченной энергии в виде работы.

Теперь можно понять, что холодный сток является существенно важным. Только если холодный сток есть в наличии, и часть энергии попадает в него, имеется какая-то надежда, что энтропия в целом возрастет. Отдача энергии горячим источником соответствует убыванию энтропии. Перенос энергии вовне в виде работы оставляет энтропию неизменной, поэтому на данной стадии всей истории в целом имеет место убывание энтропии. Для того чтобы двигатель работал спонтанно (а двигатели, которые не действуют спонтанно, то есть приводимые в движение извне, хуже чем бесполезны), существенно важно производить где-то некоторую энтропию, чтобы гарантировать, что в целом энтропия будет возрастать. В этом роль холодного стока: он действует, как тихая библиотека, являясь местом большого возрастания энтропии, даже если в него сбрасывается малое количество энергии. При этом важно заметить, что «потери», как и сосуд для этих потерь, необходимы, чтобы двигатель мог быть жизнеспособным. Холодный источник поэтому является источником жизнеспособности двигателя, поскольку без него не могло бы быть никакого возрастания энтропии.

Паровой двигатель демонстрирует тот факт, что для получения работы — конструктивной силы — существенно важно, чтобы происходила также и диссипация энергии. Простое отбирание энергии из горячего источника не приводит к результату: чтобы заставить двигатель работать, мы должны сбросить некоторое количество тепла для подогрева холодного стока (который может быть просто окружающим пространством, а не обязательно частью конструкции двигателя). Где бы мы ни встретили конструкцию, мы обнаруживаем связанную с ней по крайней мере столь же большую деструкцию.