Книга: Новый ум короля: О компьютерах, мышлении и законах физики

Источник низкой энтропии во Вселенной

Источник низкой энтропии во Вселенной

Теперь мы попытаемся понять, откуда же все-таки берется такая «удивительно» низкая энтропия в том реальном мире, где мы живем. И начнем мы, в первую очередь, с самих себя. Если мы сумеем разобраться с вопросом о природе нашей собственной низкой энтропии, то, наверное, сумеем найти ее источник и для газа, удерживаемого перегородкой, и для стакана воды на столе, и для яйца над шкворчащей сковородой, и для кусочка сахара над чашкой кофе. В каждом из перечисленных случаев прямо или косвенно в дело были замешаны или одно лицо, или группа людей (и даже курица!). Создание подобных низкоэнтропийных состояний в значительной мере было связано с использованием некоторой небольшой части нашей собственной низкой энтропии. Но это, возможно, была не единственная причина. Не исключено, что для откачки газа за перегородку в углу ящика использовался специальный вакуумный насос.

Если насос был не ручной, то, наверное, для получения низкоэнтропийной энергии, необходимой для этого процесса, было использовано какое-нибудь «природное топливо» (например, нефть). Возможно также, что насос имел электрический привод и, в некоторой степени, использовал низкоэнтропийную энергию, заключенную в урановом топливе атомной энергетической станции. Я вернусь ко всем этим внешним низкоэнтропийным источникам позже, но сперва давайте разберемся с низкой энтропией в нас самих.

Откуда же и в самом деле берется наша собственная столь малая энтропия? Строительный материал для наших тел — это продукты, которые мы едим, и кислород, которым мы дышим. Существует довольно расхожее мнение, что продукты и кислород необходимы нам лишь для получения энергии, но, на самом деле, это верно лишь отчасти. Потребляемые нами продукты действительно окисляются кислородом, который мы вдыхаем, и это обеспечивает нас энергией. Но большая часть этой энергии снова покидает наши тела, главным образом, в виде тепла. Поскольку энергия сохраняется, и поскольку реальное энергетическое содержание наших тел остается более или менее неизменным на протяжении всей нашей взрослой жизни, то нет никакой необходимости и увеличивать его. Нам вполне достаточно той энергии, которая содержится в наших телах в настоящий момент. Иногда мы, действительно, увеличиваем собственное энергетическое содержание, когда наращиваем вес — но это, как правило, совсем нежелательно! Также, начиная с детского возраста, по мере взросления и роста нашего тела, мы значительно увеличиваем свое энергетическое содержание; но речь сейчас идет совсем не об этом. Вопрос заключается в том, как нам удается поддерживать свою жизнь на всем ее протяжении (в основном во взрослый период). Для этого нам совсем не требуется увеличивать свое энергетическое содержание.

Тем не менее, нам действительно необходимо пополнять энергию, которую мы постоянно теряем в виде тепла. Несомненно, что чем более мы «энергичны», тем большее количество энергии мы теряем таким образом. Вся эта энергия должна быть восстановлена. Тепло — это самая неупорядоченная, т. е. самая высокоэнтропийная форма энергии в ряду остальных. Мы потребляем энергию в низкоэнтропийной форме (продукты и кислород), а выделяем ее в форме высокоэнтропийной (тепло, углекислый газ, экскременты). Нам не нужно как-то вылавливать энергию из окружающей среды, так как энергия сохраняется. Но мы непрерывно боремся со вторым началом термодинамики. Энтропия не постоянна — она все время растет. Для поддержания нашей жизни нам необходимо сохранять тот низкий уровень энтропии, который имеется внутри нас. Это нам удается благодаря потреблению низкоэнтропийной комбинации продуктов и атмосферного кислорода, их взаимодействию в наших телах и выделению энергии, которую иначе мы бы усвоили, в высокоэнтропийной форме. Таким образом, мы можем предохранять энтропию наших тел от возрастания и можем поддерживать (и даже совершенствовать) свою внутреннюю организацию (см. Шредингер [1967]).

А откуда берется этот запас низкой энтропии? Если речь идет о мясе (или грибах!), то эти продукты, как и мы сами, должны были использовать внешние низкоэнтропийные источники следующего уровня, для обеспечения и поддержания своей низкоэнтропийной структуры. Это только переводит вопрос об источнике внешней низкой энтропии на что-то еще. Предположим теперь, что мы (или животные, или грибы) потребляем растения. Все мы, на самом деле, должны быть чрезвычайно благодарны зеленым растениям — прямо или косвенно — за их замечательную способность потреблять атмосферный углекислый газ, разделять углерод и кислород и использовать углерод в качестве строительного материала для своих организмов.

Этот процесс, называемый фотосинтезом, приводит к сильному понижению энтропии. Мы сами используем это низкоэнтропийное разделение, в конечном счете, просто соединяя снова кислород и углерод внутри наших тел. Каким же образом зеленые растения совершают подобное чудо? Они используют солнечный свет. Этот свет переносит энергию с Солнца на Землю в сравнительно низкоэнтропийной форме — в виде фотонов видимого света. Земля, включая и ее обитателей, не задерживает эту энергию надолго, а переизлучает ее целиком обратно в окружающее пространство. Однако эта переизлученная энергия находится уже в высокоэнтропийной форме, а именно, в виде так называемого «радиационного тепла», т. е. инфракрасных фотонов. В противоположность общепринятому мнению, Земля вместе с ее обитателями не получает энергии от Солнца! Вся роль Земли здесь сводится к тому, чтобы принять энергию в низкоэнтропийной форме, а затем рассеять ее обратно в окружающее пространство, но уже как энергию с высокой энтропией (рис. 7.7).

Таким образом, Солнце служит для нас мощным источником низкой энтропии. Мы (благодаря упомянутой замечательной способности растений) это используем, выделяя некоторую небольшую ее часть и преобразуя ее в удивительные по своей сложности структуры наших организмов.

Давайте теперь в общих чертах рассмотрим, что происходит с энергией и энтропией относительно Солнца и Земли. Солнце излучает энергию в виде фотонов видимого диапазона длин волн. Часть из них поглощается Землей, а затем переизлучается в виде фотонов инфракрасного диапазона. Решающее значение здесь имеет тот факт, что видимые фотоны имеют большую частоту, чем инфракрасные и, следовательно, большую энергию, приходящуюся на одну частицу. (Вспомните формулу Планка Е = hv, приведенную в гл.6 «Начало квантовой теории». Она как раз и говорит о том, что энергия фотона пропорциональна его частоте.) Так как одиночный видимый фотон обладает большей энергией, чем одиночный инфракрасный, то видимых фотонов, падающих на Землю, должно быть меньше, чем инфракрасных, испускаемых Землей, причем ровно настолько, чтобы соблюдался баланс между падающей и излученной энергиями. А значит, энергия, переизлучаемая Землей в окружающее пространство, распределяется по гораздо большему числу степеней свободы, чем энергия, получаемая Землей от Солнца. Из-за этого большого числа задействованных степеней свободы соответствующий объем в фазовом пространстве электромагнитного поля также оказывается значительно большим у переизлученных фотонов по сравнению с фазовым объемом падающих и, следовательно, энтропия системы фотонов после переизлучения существенно возрастает. Зеленые растения, потребляя энергию в низкоэнтропийной форме (сравнительно небольшого числа видимых фотонов) и переизлучая ее в высокоэнтропийной форме (сравнительно большого числа инфракрасных фотонов), одновременно обеспечивают себя необходимой низкой энтропией, а нас — жизненно необходимым разделением углерода и кислорода.

И все это возможно благодаря тому, что Солнце — это горячее пятно на небе! Дело в том, что небо находится в термодинамически неравновесном состоянии: один его небольшой участок, а именно, тот, который и занимает Солнце, имеет температуру, намного превышающую температуру оставшейся его части. Благодаря этому мы и оказываемся обеспечены мощным источником низкой энтропии. Земля получает энергию от этого горячего пятна в низкоэнтропийной форме (немного фотонов) и переизлучает ее в холодные области неба в высокоэнтропийной форме (много фотонов).

А почему Солнце является этим горячим пятном? Каким образом оно приобрело столь высокую температуру и затем смогло поддерживать низкоэнтропийные состояния других систем? Ответ заключается в том, что изначально оно образовалось из однородного газового облака (главным образом — водорода) посредством гравитационного сжатия. В ходе этого процесса, еще на ранних стадиях своего образования, Солнце разогрелось. Оно продолжало бы и далее сжиматься и разогреваться, если бы, при некоторых определенных давлении и температуре, в игру не вступил другой источник энергии негравитационной природы, а именно, термоядерные реакции: слияние ядер водорода в ядра гелия с выделением энергии. Без термоядерных реакций Солнце было бы намного горячее и меньше, чем сейчас, оставаясь таким до самого момента своей звездной смерти. Термоядерные реакции не дали Солнцу стать слишком горячим, приостановив его дальнейшее сжатие и стабилизировав температуру Солнца на том уровне, который оказался вполне пригоден для нашей жизни, одновременно продлив при этом период его свечения.

Важно отметить, однако, что хотя термоядерные реакции и играют очень важную роль в происхождении и установлении количественных характеристик солнечной энергии, именно гравитация является здесь решающим фактором. (На самом деле, возможность термоядерных реакций дает существенный вклад в низкую энтропию Солнца, но учесть энтропию, обусловленную слиянием ядер весьма непросто, и детальное обсуждение этого вопроса только усложнило бы наши рассуждения, не изменяя окончательного вывода.)[173] Без гравитации Солнце вообще не могло бы существовать! Оно продолжало бы светить и без термоядерных реакций (хотя в этом случае его излучение было бы губительным для нас), но без гравитации оно не светило бы вообще, поскольку именно гравитационное взаимодействие связывает вещество Солнца и обеспечивает необходимые температуру и давление. Без гравитации вместо Солнца мы имели бы холодный и рассеянный газ — такой же «мертвый», как и остальное космическое пространство вокруг нас.

Нам осталось обсудить вопрос об источнике низкой энтропии различных видов «природного топлива» на Земле; но суть и в этом случае остается прежней. В соответствии с общепринятыми взглядами, вся нефть (и природный газ) образовались из доисторической растительности. И снова растения оказываются источником низкой энтропии. Поскольку доисторическая растительность имела благодаря Солнцу низкую энтропию, то мы опять возвращаемся к гравитации, которая формирует Солнце из рассеянного газа. Существует интересная «альтернативная» теория происхождения нефти на Земле, выдвинутая Томасом Голдом, который оспаривает традиционный подход, утверждая, что доисторическая растительность не могла послужить источником такой гигантской массы гидрокарбонатов на Земле. Голд полагает, что нефть и природный газ были захвачены внутренностью Земли во время ее формирования, и с тех пор они непрерывно просачиваются наружу, накапливаясь в подземных пустотах и по сей день[174]. Согласно теории Голда, синтез нефти в любом случае должен был происходить под действием солнечного света, хотя на этот раз в космосе, прежде чем сформировалась Земля. Но и здесь за все отвечает Солнце, которое сформировала гравитация.

А что можно сказать по поводу низкоэнтропийной ядерной энергии изотопа урана-235, который используется в ядерных реакторах? Она имеет своим источником не само Солнце (хотя вполне и могла быть связана с Солнцем на некоторой стадии), а какие-то другие звезды, которые взорвались много миллиардов лет назад во время вспышек сверхновых. В действительности, этот материал образовался в результате большого числа таких вспышек. Он рассеялся в пространстве после взрыва, часть его случайно соединилась (под воздействием Солнца) и обеспечила Землю тяжелыми элементами, включая и весь запас урана-235 на ней. Каждое ядро, с его низкоэнтропийным запасом энергии, возникло в результате грандиозного ядерного процесса, происходившего во время вспышки сверхновой. Этот взрыв, в свою очередь, был следствием гравитационного коллапса[175] звезды, которая была слишком массивна, чтобы сдерживать этот коллапс одними только силами теплового давления. После такого коллапса и последующего взрыва обычно остается только небольшое ядро — возможно, в виде так называемой нейтронной звезды (подробнее о них чуть позже!). Эта звезда должна была получиться в результате гравитационного сжатия рассеянного газового облака, и большая часть ее исходного вещества — включая и наш уран-235 — должна была быть выброшена обратно в космическое пространство. При этом, однако, благодаря гравитационному сжатию, в целом произошел колоссальный выигрыш в энтропии, заключенной в ядре оставшейся нейтронной звезды. И снова именно гравитация окончательно все расставила по местам, конденсируя (на последних этапах — стремительно) рассеянный газ в нейтронную звезду.

Таким образом напрашивается вывод, что вся та удивительно низкая энтропия, которую мы обнаруживаем вокруг себя — и которая составляет наиболее загадочную сторону второго начала термодинамики — должна быть приписана тому, что огромный выигрыш в энтропии может быть получен в процессе гравитационного сжатия рассеянного газа в звезды. А откуда взялся весь этот рассеянный газ? Здесь для нас важно, что в самом начале этот газ был рассеянным, благодаря чему человечество было обеспечено огромным запасом низкой энтропии, которого нам хватало до сих пор и хватит еще на продолжительный период в будущем.

Именно возможность собирания этого газа в гравитационные сгустки и дала нам второе начало термодинамики. Более того, эти сгустки не просто послужили основанием второго начала, но дали нечто намного более точное и определенное, чем простое утверждение: «Энтропия мира вначале была очень низкой». Ведь энтропия могла быть дана нам низкой и многими другими способами, например, в ранней вселенной мог бы иметь место космологический «явный порядок» совсем другого рода, чем тот, с которым мы сталкиваемся в действительности.

(Представьте себе, что ранняя вселенная была бы правильным додекаэдром — как это могло видеться Платону — или имела бы какую-нибудь другую самую невероятную геометрическую форму. Это был бы, конечно, самый настоящий «явный порядок», но совсем не тот, который мы ожидали бы обнаружить в действительной ранней вселенной!) Мы должны разобраться в том, откуда взялся весь этот рассеянный газ, для чего нам необходимо обратиться к существующим космологическим теориям.

Оглавление книги