Репортаж с ничейной земли. Рассказы об информации
Шрифт:
Наблюдая процесс сверления медных стволов орудий, английский ученый Румфорд задумывается над вопросом: чем разогревается обрабатываемый металл? Теплородом? Если верить этой теории, теплород не может возникнуть. Неизменное количество этой таинственной «жидкости» испокон веков отпущено богом природе, а нам остается лишь перегонять ее с места на место путем разогрева и охлаждения тел. Но вот Румфорд смотрит на медные пушки, и тени сомнений шевелятся в его душе. Откуда взялся в таком огромном количестве этот таинственный теплород? Ствол был холодным, сверло - тоже, но вот вращающееся сверло погружается в толщу металла и выбрасывает стружку, раскаленную чуть ли не докрасна. И тут впервые рождается мысль о том, что нет в природе пресловутого теплорода, а металл нагревается потому, что движение сверла, вгрызающегося в стволы
Опыт был чрезвычайно прост: падающая гиря заставляет вращаться специальные лопасти, расположенные в цилиндре с водой. Остается лишь точно измерить, какую работу совершает падающая гиря, на сколько градусов разогрелась вода за счет трения, а затем убедиться, что определенному количеству расходуемой механической энергии соответствует строго определенное количество выделяющегося тепла.
Трудно переоценить значение этого эксперимента: ведь он впервые в истории утвердил для различных видов энергии единство и неразрывную связь. Энергия не исчезает. Она может менять свою форму, переходить от системы к системе, но если в одной из систем энергии стало меньше, значит ровно на столько же возросла энергия взаимодействующих с ней систем. Превратившись в ряд точных формул, этот закон стал фундаментом всех последующих открытий и на Земле, и во вселенной, и в сложном мире элементарных частиц. Вот почему простой опыт, описанный немецким медиком Робертом Майером, занял почетное место среди великих открытий всех стран и эпох.
Обратите внимание: не физик, а медик сумел оказать науке такую услугу. Что же удивляться тому, что современная физика изо всех сил старается вернуть медикам и физиологам этот давнишний долг! Физике бывает очень обидно, когда какой-нибудь наш современник не желает допускать кибернетику к изучению организмов, считая, что это «механицизм». Нет, мир, несмотря на удивительное многообразие существующих в нем явлений, отличается глубочайшим единством, и лишь тот, кто умеет видеть это единство, способен открыть в нем новый закон. И не случайно мысль о связи тепла и механической работы зародилась у Роберта Майера еще в то время, когда он служил корабельным лекарем, а предметом его исследований был человеческий организм.
С тех пор как опыты, предложенные Робертом Майером, дали науке единую меру энергии, тепло перестало быть теплородом, потому что тепло - это только движение, и бесполезно искать в нагретом физическом теле мифическое «тепло-вещество». Теплород ушел из науки так же безропотно, как ушел, уступив место локомотиву, неуклюжий и медлительный дилижанс.
И еще один очень важный вывод вытекал из открытия Майера: в природе нет «закона сохранения теплорода». Напротив: тепло может возникнуть и исчезнуть, потому что из тепла получаются иные формы движения, а любое движение может вновь превратиться в тепло. Не количество теплорода, а количество энергии сохраняется всегда неизменным. Но энергия постоянно меняет свою форму. Вот почему Энгельс считал, что открытый наукой закон сохранения энергии был одновременно и законом ее превращений.
В своем вечном стремлении глубже понять природу человеческий гений одержал еще одну большую победу: наука нашла ту общую меру, которая во всем многообразии материальных сил природы утверждала единство и взаимную связь. Найти общее в том, что кажется совершенно различным, - наука всегда видела в этом свою главную цель. В бесконечном многообразии веществ и химических элементов она ищет единый принцип взаимодействия электронов, атомных ядер и элементарных частиц. С помощью теории колебаний она устанавливает общие законы движения в таких различных явлениях, как свет, звук, радиоволны, колебания атомов, маятника, мембраны или натянутых струн. Законам случайностей подчиняются все массовые явления - от пляски молекул в кубике газа до потоков транспорта и пешеходов, распространения инфекционных болезней и неточностей обработки деталей, порождающих производственный брак.
А информация? Разве не тем же стремлением обобщить огромную массу явлений рождено это новое понятие современной наукой? Но как бы ни развивалась наука в дальнейшем, закон сохранения энергии никогда не утратит своей всеобъемлющей роли, потому что заложен он в самом фундаменте всех явлений нашего мира.
Еще наши древние предки умели получать тепло трением камня о камень. Но разве они думали, что движением рук можно вызвать иное движение в невидимом мире микрочастиц! И только с появлением понятия «энергия» люди окончательно поняли, что тепло - лишь одна из форм общего движения мира, которому нет начала и не будет конца. Это была революция в физике.
А революцией в технике оказалось появление тепловых машин. Техника выдвинула перед наукой проблему связи тепла с механической энергией. И наука помогла технике решить этот насущный вопрос. Джемс Уатт изобрел паровую машину, а Сади Карно объяснил, как циркулирует в ней тепло. Теперь стало ясно, откуда черпает силы тепловая машина. Превращение тепла в электричество или в механическую работу - ' это преобразование движения, превращение из одной формы в другую. Движение не исчезает и не рождается вновь. Тепловая машина лишь превращает движение молекул нагретого пара в движение электронов по проводу или в движение поршня. И нельзя создать такую машину, в которой движение возникало бы «ниоткуда»: чтобы получить механическую энергию, надо отобрать у топки тепло.
Казалось бы, с появлением единой меры движения вопрос приобрел полную ясность: превращение тепла в работу - это переход хаотического микродвижения в ту ощутимую энергию поршня, с помощью которой можно заставить двигаться корабль и паровоз. Но вновь и вновь возникают сомнения. Если тепловое движение это хаотическая пляска молекул, то почему же газ, разогретый в сосуде, давит с одинаковой силой на все его стенки? Чем обусловлено это давление? Ударами молекул о стенку сосуда? Но ведь на каждую площадку молекулы падают с разными скоростями. И число их будет случайным. Значит, случайной будет и сила ударов. Почему же все-таки газ с одинаковой силой давит на любую площадку?
Такой вопрос встал перед учеными прошлого века, и очень скоро на него был найден ответ. Помогла математика - она открыла закон, способный охватить одновременное движение миллиардов частиц. Это был закон больших чисел.
Мы уже видели, как проявляется действие этого закона при учете какой-либо буквы среди огромного количества букв. Мы видели, как подтвердился этот закон в опыте с монетой, которую английский ученый Карл Пирсон подбрасывал 24 тысячи раз. Даже живые люди вынуждены подчиниться его всеобъемлющей силе. Убедившись однажды, что число пассажиров, входящих на одну из станций метрополитена, составляло 5 процентов от общего числа пользующихся метрополитеном людей, вы обнаружите тот же процентный состав при любом повторном подсчете (если, конечно, не возникнет каких-либо особых условий, таких, как, например, происходящий неподалеку от этой станции футбольный матч).
Любопытный получается результат: каждый из пассажиров ездит, когда ему нужно, а все вместе они независимо от желания соблюдают объективный закон. Ну, а уж если люди не могут нарушить закона, то молекулы и подавно. Град их ударов о стенки сосуда всегда превращается в один непрерывный удар. Ведь и град, падающий на землю, соблюдает закон больших чисел - еще не было случая, чтобы после дождя и града среди луж и комочков льда обнаружилась совершенно сухая площадка.
Математика смотрит на вещи просто. Ей все равно, что происходит в мире: идет ли дождь, или молекулы бьют по стенке сосуда, передаются ли телеграфные тексты, или болельщики едут на ответственный матч. Для нее молекула или буква, капля дождя или пассажир метрополитена - все едино, все является примером случайных событий, и все события соблюдают один закон. Чем больше число случайных событий, тем строже он выполняется. Несквлько молекул, заключенных в микроскопическом объеме, вовсе не подчиняются этому закону. Но в каждом кубическом сантиметре объема находится так много молекул газа, что закон больших чисел соблюдается ими с удивительной строгостью. Ученые подсчитали, что случайное отклонение давления в одном кубическом сантиметре всего на 1 процент может произойти не чаще, чем один раз за 101014 секунд. Чтобы представить, сколько времени содержит в себе это трехэтажное число, достаточно сказать, что 1010^2 секунд уже составляют миллионы миллиардов лет!