Номер 10(11) - октябрь 2010 | |
Второй закон термодинамики и человечество
Автор рассматривает один из основных законов
природы – второй закон термодинамики – и отвергает идею, что существование
органической жизни и человечества противоречит этому закону. К читателю 2010 года. В августе 2010 г. в
нашей Гостевой возникла дискуссия о том, противоречит ли теория эволюции
второму закону термодинамики. После некоторых колебаний я решил обратить
внимание нашего Редактора на мою статью-рецензию на эту тему, напечатанную 42
года назад в «Новом мире», и спросил его, не думает ли он, что перепечатка
статьи была бы актуальна. Евгений Михайлович согласился. Сразу возник вопрос,
переделывать ли статью или печатать ее такой, какой она была сделана тогда, во
времена «высокого» советизма. Я решил против переделки (хотя и добавил параграф
о вечных двигателях и пример из оперы Верди), но счел, что предисловие,
поясняющее ее возникновение, и несколько слов об авторах рецензируемых работ,
необходимы. История статьи такова. В течение нескольких лет я
писал рецензии для раздела «Политика и наука»[1],
которым заведовал Юрий Григорьевич Буртин. Обычно я находил и предлагал
материалы для рецензирования, и этот случай не был исключением. Буртин, как
правило, сам принимал мое предложение, но на сей раз он спросил разрешения А.Т. Твардовского,
поскольку знал о его личном знакомстве с профессором Павлом Кондратьевичем
Ощепковым[2]
(1908-1992). Это был яркий и талантливый человек, один из отцов советской
радиолокации и интроскопии. Десять лет жизни он провел в ГУЛАГе. Википедия
сообщает, что сейчас основанный им институт «Спектр» – крупнейшая в мире
организация по номенклатуре средств неразрушающего контроля. В 1967 г. профессор Ощепков выпустил книгу
воспоминаний, в которой писал о своей мечте найти способ концентрации
рассеянной энергии. Мне трудно понять, почему такой высокообразованный человек,
способный к созданию сложнейших практических систем, продемонстрировал
совершенное непонимание второго закона термодинамики, находящегося в основе
науки, и мне захотелось разобрать эту проблему, тем более что одновременно
появилась и статья И.М. Забелина на похожую тему. Игорь Михайлович Забелин[3]
(1927-1986) – писатель-фантаст, журналист, географ. Ему более простительно неполное
понимание термодинамики. Я прошу читателя быть снисходительным к предметам
моей статьи и ко мне, ибо я чувствую некоторую неловкость, перепечатывая
критику, на которую Павел Ощепков и Игорь Забелин уже не могут ответить. Мне
неизвестна последующая эволюция взглядов профессора Ощепкова на термодинамику –
вполне возможно, что за последующие четверть века своей жизни он и сам пришел к
выводу о невыполнимости своей мечты. Далее моя статья содержит политическую
критику его марксистского подхода к науке, и эта критика ни в коем случае не
должна приниматься всерьез сегодня: человек писал свою книгу после десяти лет
лагерей, хотел ее напечатать, так что у него не могло быть другого языка. Да и
моя критика, естественно, была написана тем же марксистским языком. Пожалуйста,
обращайте внимание только на то, что относится к термодинамике. В статье Игоря
Забелина политики нет, есть только утверждение, что органическая жизнь
противоречит термодинамике. Эти вопросы и рассматривает моя рецензия. Первая страница оригинальной
статьи в «Новом мире» Второй закон термодинамики и
человечество («Новый мир», 1968, № 5, стр. 193-197) П.К. Ощепков. Жизнь и мечта. «Московский
рабочий», М. 1967, 296 стр. Игорь 3абелин. Человечество – для чего
оно? «Москва», № 8, 1966. Издательство «Московский рабочий» выпустило вторым
изданием книгу заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, доктора технических
наук П.К. Ощепкова «Жизнь и мечта». Путь автора книги был сложным. Бывший
беспризорник, воспитанник трудовой коммуны, П.К. Ощепков получил высшее
образование, стал инженером-электриком, а затем и ученым. П.К. Ощепкову
принадлежит инициатива работ по созданию в СССР радиолокации. Многие, даже
крупные, ученые не верили в начале тридцатых годов в возможность обнаружения
самолетов путем отражения радиоволн. П.К. Ощепков сумел преодолеть этот
скептицизм. Его поддержали академики С.И. Вавилов, А.Н. Крылов, А.Ф. Иоффе,
А.А. Лебедев, встречам с которыми в книге уделено много интересных
страниц. П.К. Ощепков приводит документы, из которых видно, что первые
радиолокационные станции начали действовать в СССР в 1934 году, тогда как в США
лишь в 1939 году был заключен первый контракт на постройку опытных станций
обнаружения самолетов. Но, несмотря на это, в годы войны мы были вынуждены
ввозить радиолокационные станции из-за границы. Обидно читать об этом, так же
как и о том, что инициатор создания этих станций П.К. Ощепков
несправедливо и надолго оказался оторванным от научной деятельности. Невзгоды не сломили П.К. Ощепкова. В
пятидесятых годах он начал разрабатывать свою вторую проблему – интроскопию, то
есть проблему видения в непрозрачных средах. Сейчас уже созданы и применяются
первые интроскопы, которым посвящена одна из лучших глав книги П.К. Ощепкова. Но в книге рассказывается еще об одной мечте
автора – найти способы концентрации рассеянной энергии. Эта часть книги
представляет, на наш взгляд, наибольший интерес для читателя-неспециалиста.
Вместе с тем она вызывает и серьезные возражения, так как автор излагает здесь
свое неправильное понимание одного из важнейших законов природы – второго закона
термодинамики. Два начала термодинамики, среди прочего, говорят
нам о невозможности вечных двигателей. Первый закон – закон сохранения энергии
– говорит, что энергия изолированной физической системы сохраняется с течением
времени. Это значит, что невозможен вечный двигатель первого рода, который
производил бы работу без потребления энергии. Однако первый закон не исключает
существования вечного двигателя второго рода, который не производил бы новую
энергию, а повторно потреблял бы уже использованную энергию, оставшуюся в
системе. Невозможность такого двигателя следует из второго закона
термодинамики. Как и все законы природы, этот закон – результат
обобщения опыта. Его наиболее простая формулировка: «Теплота не может сама
собой переходить от более холодного тела к более горячему». Например, горячий
чайник, внесенный в комнату, может отдавать комнате свое тепло, охлаждаясь при
этом и нагревая комнату, однако отнять тепло от комнаты может лишь более
холодная улица; сконцентрировать же это тепло вокруг остывшero чайника и тем
самым вновь нагреть его уже невозможно. Тепловая энергия способна только
рассеиваться, концентрироваться же самопроизвольно она не может. А так как в
процессе работы любая форма энергии в конечном счете переходит в тепловую, то,
рассеиваясь в пространстве, эта энергия перестает быть работоспособной и для
нас теряется. Это явление – результат беспорядочного движения
молекул. Остывающий в комнате чайник – источник «нагрева»[4]
вблизи него молекул воздуха, которые затем расходятся по комнате. Конечно, не
исключено, что какая-нибудь молекула с более высокой «температурой» в процессе
своего случайного передвижения в какой-то момент времени сама собой вернется к
уже остывшему чайнику. Возможно даже, что это сделают одновременно пять,
десять, даже тысяча молекул. Но практически совершенно невероятно, чтобы в
каком-либо малом пространстве (в данном случае – вокруг чайника) случайно
собралось сразу около 1023 «горячих» молекул, которые необходимы для
заметного повышения температуры. Уже из этого элементарного примера видно, что
разность температур в системе и возможность получения за счет этого работы
связана с определенным порядком в расположении молекул – в нашем примере
скоплением более «горячих» молекул вблизи чайника. Напротив, равномерность распределения
температуры и энергии есть результат беспорядочного, чисто случайного
расположения молекул. Для количественной оценки степени беспорядка вводится
понятие «энтропии», которую здесь мы можем считать просто синонимом степени
беспорядка. Чем выше энтропия, тем выше неупорядоченность системы. Поскольку,
как мы видели на примере с комнатой, предоставленная сама себе, то есть
изолированная, система стремится к наиболее вероятному, беспорядочному
состоянию, то становится ясной более общая формулировка второго закона
термодинамики: «Энтропия, то есть степень неупорядоченности, замкнутой системы
стремится к максимуму». И вот против этого закона природы,
сформулированного Клаузиусом в 1850 году, П.К. Ощепков выступает уже много
лет. Прежде всего – а можно ли возражать против
установленного закона природы? Можно, поскольку мы никогда не можем быть
уверены, что от нашего внимания не ускользнула группа явлений, к которым этот
закон неприменим. К настоящему времени известны и давно объяснены две области
неприменимости второго закона термодинамики – микросистемы и Вселенная.
Клаузиус пытался было распространить открытый им закон для изолированных систем
на систему неограниченную, каковой является Вселенная, в связи с чем пришел к
выводу о постоянном рассеянии энергии Вселенной и предстоящей ей «тепловой
смерти». Ученые-материалисты (Ф. Энгельс, Л. Больцман и другие)
убедительно показали необоснованность переноса второго закона термодинамики на
Вселенную. Однако на Земле закон рассеяния энергии действует
неуклонно. П.К. Ощепков сам приводит интересные подсчеты, показывающие,
что через несколько поколений человечество окажется перед угрозой
энергетического голода вследствие истощения запасов полезных ископаемых.
Поэтому было бы очень интересно узнать, какие научные аргументы выдвигаются им
против закона рассеяния энергии, потому что эти аргументы одновременно
послужили бы указанием на путь, пусть пока только теоретический, которым
рассеянную энергию можно было бы вновь поставить на службу человечеству. Таких аргументов в книге П.К. Ощепкова нет.
Он приводит много фактических данных о концентрации энергии в природе, и у
непосвященного читателя может создаться впечатление, что второй закон
термодинамики – не выведенный из опыта закон, а результат умствований
кабинетных ученых. На самом же деле все приводимые П.К. Ощепковым примеры,
кроме тех, которые относятся ко Вселенной в целом, можно легко объяснить с
позиций классической термодинамики. Например, он указывает на возникновение огромных
температур при грозовом разряде, хотя температура Земли, ее атмосферы,
испаренных молекул воды в грозовом облаке не превышает 25° Цельсия. В этом
факте П.К. Ощепков видит пример концентрации рассеянной энергии в
противовес запрету второго закона термодинамики. Но ведь этот закон запрещает такую
концентрацию только в изолированных системах. Тучи, постоянно запасающие
энергию ветра и Солнца (для них это внешние источники), такими системами не
являются. Содержащие в себе большой запас механической и электрической энергии,
они при столкновении превращают ее в тепловую энергию, что сопровождается
повышением температуры и нисколько не противоречит классической термодинамике. В другом месте П.К. Ощепков ставит рядом две
формулировки второго закона термодинамики: «Теплота не может переходить сама
собой от более холодного тела к более горячему» (Клаузиус) и «Теплота не
может переходить от холодного тела к теплому без затраты работы»
(Карно). Затем он пишет: «Это далеко не одно и то же. По Клаузиусу следует, что
все тела, предоставленные самим себе, стремятся к равновесию, к «тепловой
смерти». Из формулировки Карно никак не следует, что переход тепла от холодного
тела к теплому принципиально невозможен; в ней утверждается только то, что
такие процессы сопровождаются затратой работы, то есть затратой энергии». Даже непосвященный читатель может увидеть, что обе
формулировки однозначны. Если речь идет о концентрации энергии в системе,
получающей энергию извне, то зачем же копья ломать? О такой возможности можно
прочесть в любом учебнике физической химии. По этому принципу работает много
приборов и машин, например домашний холодильник, который при помощи подаваемой
извне электроэнергии отнимает тепло от холодильной камеры и передает его в
более теплую комнату (потрогайте решетку холодильника сзади и убедитесь, что
она греется). О таких приборах рассказывает и П.К. Ощепков в интересной
главе «Навстречу девятому валу», хотя его объяснения их работы зачастую
несостоятельны. Стремясь доказать ложность второго закона
термодинамики, П.К. Ощепков то и дело отождествляет его с теорией
«тепловой смерти» Вселенной, хотя такое отождествление совершенно неоправданно.
При этом некоторые из аргументов П.К. Ощепкова небезупречны уже не только
с физической точки зрения. Например, он пишет: «Существует постулат Клаузиуса, согласно которому
теплота не может сама собой переходить от тел более холодных к телам более
нагретым. Есть множество других теорий, призванных доказать деградацию энергии
и невозможность ее обратной концентрации... В природе обязательно должны иметь место процессы
и обратного характера, то есть процессы концентрации энергии... Но где найти
подтверждение своим мыслям? Будучи горячо убежден в том, что в основе всякого
поиска лежит анализ, методология, я обратился прежде всего к классикам
марксизма, основоположникам диалектического материализма...» Избранный метод оказался плодотворным, и П.К. Ощепков
нашел необходимую цитату из «Диалектики природы» Ф. Энгельса: «Мы
приходим, таким образом, к выводу, что излученная в мировое пространство
теплота должна иметь возможность каким-то путем, – путем, установление которого
будет когда-то в будущем задачей естествознания, – превратиться в другую форму
движения, в которой она сможет снова сосредоточиться и начать активно
функционировать...» «Но почему же, – спрашивает П.К. Ощепков, –
указание Энгельса о том, что отыскание путей, ведущих к сосредоточению энергии,
должно стать задачей естествознания, не выполнено, почему оно забыто? Почему? Тысяча
раз – почему?» Ответ ясен: «Буржуазные идеологи – от римского папы до
современных идеалистов в науке – возвели эту сторону проявления сил природы
(рассеяние энергии – Э.Р.) в некий мировой закон, чуть ли не равнозначащий
закону сохранения энергии. Проповедуется принцип деградации не только энергии, но
и материи вообще». Мы не знаем, какой римский папа и что именно
говорил об этом законе, но без него невозможно представить себе стройное здание
современной физики: его обоснованием служит атомистическая теория Больцмана,
этот закон является одним из исходных принципов квантовой теории Планка. П.К. Ощепков
не выдвигает возражений, достойных этих оппонентов, он не пытается создать
новую физику, основанную на отрицании постулата Клаузиуса, как сделал,
например, Лобачевский, который показал, что будет с геометрией, если отказаться
от одного из постулатов Евклида. Несмотря на успехи современной физики,
аналогичные попытки со стороны П.К. Ощепкова своей смелостью вызвали бы
уважение и, весьма вероятно, были бы не бесплодны. Процесс творчества сложен, и
история науки знает немало случаев, когда ложный или казавшийся ложным путь
приводил к важнейшим открытиям. Однако приведенные высказывания П.К. Ощепкова
близки к попытке заменить научные доводы в споре идеологическими обвинениями по
адресу своих противников. Что касается цитированного П.К. Ощепковым
высказывания Ф. Энгельса, то в нем и в помине нет ощепковской
нетерпимости. В этой фразе нет никаких директив естествознанию, она относится
ко Вселенной в целом и связана с критикой Ф. Энгельсом идеи ее «тепловой
смерти». П.К. Ощепков утверждает, что постулат
Клаузиуса «затормозил... развитие науки на целое столетие. Не утвердись этот
постулат априорно, развитие науки, возможно, пошло бы по другому пути». Это
место позволяет усомниться в том, насколько хорошо П.К. Ощепков знает
историю вопроса. Постулат Клаузиуса не утвердился априорно. Против него упорно
боролись физики так называемой энергетической школы – Оствальд, Мах и другие.
Они именно потому и оказались побежденными, что их точка зрения тормозила
развитие науки, а постулат Клаузиуса оказался исключительно плодотворным и
послужил стимулом к возникновению новых идей. В своей книге П.К. Ощепков неоднократно
обращается к общественному мнению: «Хорошо известно, что пока новая идея не
завоюет масс, не станет достоянием общества, она не получит материальной силы;
в лучшем случае она остается в мечтах, в фантазиях, а иногда и этого удела ей
не предоставляют. Так происходит пока и с этой идеей» (имеется в виду идея
концентрации рассеянной энергии в противовес второму закону термодинамики). Но
ведь законы природы – не юридические законы, их судьба не может решаться
голосованием. Критика законов природы должна основываться только на строгом
научном анализе. Как видит читатель, со многим в книге П.К. Ощепкова
мы не можем согласиться, причем наши возражения относятся не только и не
столько к существу научного спора, сколько к методам его ведения. Но мы были бы
несправедливы, если бы не привели слова, которыми заканчивается книга: «Все,
что здесь написано, написано правдиво, чистосердечно, а главное – со страстным
желанием помочь человеку». Этой мыслью действительно окрашена вся книга, и
сомневаться в ее искренности невозможно. Мы знаем, что в активе П.К. Ощепкова
есть крупнейшие научно-технические достижения, и все это определяет общую
оценку его книги. До сих пор мы не касались вопроса об органической
жизни в свете термодинамики. Этот вопрос поставлен уже в книге П.К. Ощепкова,
но особенно много внимания ему уделил И.М. Забелин в статье,
опубликованной журналом «Москва». В этой статье автор, сопоставив фактические
данные о развитии человеческого общества и по-новому взглянув на них, пытается
уяснить себе и читателю, для чего существует такое явление природы, как
человечество. Статья читается с интересом, но и ее выводы основаны на неправильном
понимании второго закона термодинамики. И П.К. Ощепков, и И.М. Забелин
считают, что существование органической жизни ему противоречит. «Живая
биологическая ткань, эта высшая форма материи с ее функциями обмена, с
непрерывным синтезом и распадом, – пишет П.К. Ощепков, – наглядное
подтверждение закона концентрации и деконцентрации энергии в природе, так как
синтез может происходить только при повышении энергетического потенциала, а
распад при понижении его». И.М. Забелин как бы продолжает мысль П.К. Ощепкова;
«Первый такой процесс, сразу же противопоставленный второму началу
термодинамики, был обнаружен сравнительно быстро – это органическая жизнь,
растительность в первую очередь, с ее способностью к фотосинтезу. Именно в
растениях концентрируемое солнечное тепло вновь становится используемым,
начинает активно функционировать...» Читатель уже сам может понять, что ошибочность
противопоставления этих процессов второму закону термодинамики заключается в
забвении слов «сама собой» в его формулировке. Земля, органическая жизнь – не
изолированные системы, и речь здесь идет об использовании теплоты,
самопроизвольно переходящей от горячего тела (Солнца) к холодному {Земле).
Развитие человеческой цивилизации – процесс, безусловно идущий с понижением
энтропии. Он связан со все более увеличивающимся потреблением энергии,
запасенной земной корой когда-то или притекающей сейчас от Солнца. Можно надеяться, что за счет солнечной энергии человечество в
будущем сумеет разрешить свои энергетические трудности. Но энтропия
Солнца при излучении повышается. Баланс энтропий станет яснее, если привести
формулировку второго закона термодинамики, данную Планком: «В любом
естественном процессе сумма энтропий всех тел, участвующих в процессе,
возрастает». Когда Солнце погаснет, то, в соответствии с
термодинамикой, вероятно, наступит «тепловая смерть» солнечной системы, которую
не следует путать с «тепловой смертью» Вселенной и которая не противоречит
материалистическому мировоззрению. Ф. Энгельс писал: «Жизнь
всегда·мыслится в соотношении со своим необходимым результатом, заключающимся в
ней постоянно в зародыше, – смертью. Диалектическое понимание жизни именно к
этому и сводится». Сейчас можно только фантазировать по поводу того, что тогда
будет с человечеством. И.М. Забелин приводит следующее высказывание
Норберта Винера: «Мы погружены в жизнь, где мир в целом подчиняется второму
закону термодинамики: беспорядок увеличивается, а порядок уменьшается ... Мы в
самом прямом смысле являемся терпящими кораблекрушение пассажирами на обреченной
планете». О грустной перспективе для людей говорит и П.К. Ощепков. Этот
пессимизм трудно понять. Питекантроп, которого еще никак нельзя считать
человеком, жил всего около миллиона лет назад. Человеческая цивилизация
насчитывает не более шести тысяч лет. А Солнце, по предположениям ученых, еще
несколько миллиардов лет будет оставаться практически в таком же состоянии, как
сейчас! Уж если говорить о грустной перспективе, то у каждого человека ость
гораздо более реальная перспектива собственной смерти, но это не мешает ему
жить и работать, хотя даже возраст ребенка, едва научившегося ходить,
относительно куда более почтенен, чем возраст человечества. Любопытно, что опера Верди «Аида» дает нам
любопытный пример того, что будет с жизнью, помещенной в изолированную систему.
Родомеса и Аиду не убивают, им не наносят никакого телесного повреждения, тем
не менее, они казнены: замурованные в изолированном помещении, молодые здоровые
люди умирают. На основной вопрос своей статьи – для чего
человечество? – И.М. Забелин отвечает так: «Цель человечества –
противостоять энтропии, его назначение – избавить некий локальный участок
мироздания от тепловой смерти или, по крайней мере, замедлить ее наступление...
«Человечество – это орган природы, ею же созданный для управления стихийными силами».
С термодинамической точки зрения этот ответ нельзя считать правильным.
Понижение энтропии человечества дорого обходится остальной части природы,
энтропия которой повышается. Если, фантазируя, представить себе, что
человечество сможет когда-нибудь заставить Солнце еще более интенсивно излучать
свою энергию, то это приведет лишь к ускорению его остывания. Поэтому вряд ли
природа (если ей приписывать разум, как это фактически делает И.М. Забелин)
может быть заинтересована в антиэнтропийной деятельности человека. Это,
во-первых. Во-вторых, «тепловая смерть» отдельных локальных систем вовсе не
означает смерти природы в целом, да и вообще высокоорганизованная органическая
жизнь, по-видимому, сравнительно редкое явление, и в огромном количестве миров
природа обходится без антиэнтропийной деятельности этой жизни. Кстати, такая
деятельность – отнюдь не монополия человечества, ее выполняет вся органическая
жизнь. Что касается самого вопроса И.М. Забелина, то
он напомнил нам учение вольтеровского Панглоса[5],
который утверждал, что «все необходимо создано для наилучшей цели. Вот,
заметьте, носы созданы для очков, потому у нас и очки. Ноги, очевидно,
предназначены быть обутыми ... Камни образовались, чтобы их тесать и чтобы из
них строить замки... Свиньи созданы для съедения...». Ну, а человечество для
чего? В самом деле, вопрос о цели существования предмета
имеет смысл лишь с точки зрения его служебной функции по отношению к другому
предмету или явлению. Но с чьей точки зрения можно обсуждать вопрос «для чего
человечество?». Если с точки зрения природы, то, приписывая ей
целенаправленность при создании человечества, мы наделяем ее разумом и
фактически отождествляем с Б-гом. Панглоса тоже мучил этот вопрос, и он
спрашивал турецкого дервиша: «– Учитель, мы пришли спросить вас, для чего
создано такое странное животное, как человек? – Куда ты лезешь? – сказал дервиш, – твое ли это
дело?» По-видимому, нет смысла отрывать человека от
прочего органического мира. Как и у всей органической жизни, цель существования
человечества в целом – сохранение вида и не более. Раз уж так получилось, что
на Земле создались благоприятные условия для возникновения высокоорганизованной
жизни, то она и стала развиваться, используя для этого все предоставленные ей
энергетические возможности. Только для себя и выполняет человечество сложную
антиэнтропийную деятельность, потому что такая деятельность составляет одну из
сторон жизни. Следует подчеркнуть, однако, что хотя противоречия с
термодинамикой здесь нет, попытки привлечь эту формальную науку для выяснения
механизма возникновения жизни и предсказания судеб человечества вряд ли могут
быть плодотворными. Э. Рабинович, кандидат технических наук.
[1] Э.М. Рабинович, Заметки о «Новом мире»
Твардовского и о Твардовском, «Семь искусств», № 2(3), 2010; http://7iskusstv.com/2010/Nomer2/ERabinovich1.php.
[2] П.К. Ощепков, см. Википедию.
[3] И.М. Забелин, см. Википедию.
[4] В строгом смысле слова нужно говорить о скорости и
ускорении молекул, а не об их температуре и нагреве. Мы пользуемся этими
понятиями, чтобы не усложнять объяснение.
[5] Вольтер, Кандид, «Философские повести и рассказы», т. I, стр. 136
и 263, “Academia”, М.-Л., 1931. |
|
|||
|