Не фантастика, а наука

Сергей Александрович Чумаков

Почему инопланетная жизнь возможна? Как планировали построить атомный звездолёт? Почему премию Нобеля не вручают математикам? Что настоящая наука говорит о вечном двигателе? Об этом и много другом в форме коротких заметок читатели могут узнать из новой книги преподавателя физики и популяризатора науки. Рекомендовано тем, кто скучал на уроках физики.

Демон против

Вечный двигатель. Как часто мы слышим этот интригующий термин. Любые его авторы и конструкторы, случись им соорудить нечто, что способно производить полезную работу без затрат энергии извне, вошли бы во все учебники, спровоцировали бы технологический рывок и разорили все крупные корпорации. Илон Маск, столь нелюбимый в определённых кругах, быстренько бы выкупил такую машинку и уже улетел на Марс на полученную прибыль. Но, к сожалению или счастью, в природе существуют законы, которые невозможно обойти. Давайте рассмотрим один из них — второе начало термодинамики.

Суть его достаточно проста: замкнутая система, та, на которую ничто не действует извне, не способна сама перейти из менее упорядоченного состояния в более упорядоченное. Сгоревшее полено не может взять и воссоздать себя из золы и дыма, воду можно заморозить и разморозить вновь, хотя это не приведёт к увеличению её массы и объёма без посторонних усилий. Разбитая чашка не взлетит снова на стол и не склеится сама (а вот этого порой так не хватает:-) То есть, степень упорядоченности системы будет либо падать, либо не меняться совсем.

Однако, один из видных учёный прошлого, Джеймс Максвелл, автор знаменитых открытий в области электромагнитного излучения, придумал очень интересный эксперимент, пусть и мысленный. Вроде бы, такой опыт должен не только опровергнуть второе начало термодинамики, но и дать работоспособный принцип вечного двигателя. Суть такова: нам понадобится сосуд, разделённый на две половины. Сверху будет газ, а снизу вакуум или значительное разрежение. Пусть в перегородке имеются ворота и некий страж, который будет пропускать вниз только самые быстрые частицы из первой половины. Современники Максвелла назвали такой механизм «демоном Максвелла», указывая на мистическую природу стража. Демон своими действиями со временем позволит получить в системе очень высокую упорядоченность: в нижней половине температура вырастет, а в верхней упадёт. Таким образом мы получим источник, на базе которого легко построить вечный двигатель. Вот и всё, пала цитадель науки, вперёд в гараж и звонить Маску?

Следует учитывать вот что — демон и механизм, которым он управляет, должны будут откуда-то брать тепло для работы, а если система изолирована, то придётся использовать её ресурсы. Значит, какая-то часть остынет быстрее или не сможет нагреться до нужных величин. К тому же, в процессе отбора частиц не избежать потерь при взаимодействии с воротами и демоном. Так что мера упорядоченности, которая вроде бы должна повыситься, на самом деле останется в лучшем случае, неизменной, а в худшем всё равно упадёт.

Доводы против реальности такой схемы даёт и квантовая механика. В микромире, который по своим масштабам не соизмерим с привычным нам пространством, действуют очень специфические законы. Так, согласно принципу неопределённости Гейзенберга, страж в замкнутом сосуде не сможет точно определить скорость молекулы, которую необходимо отсечь или пропустить, значит ему не удастся наполнить другую половину только быстрыми частицами, вырастет количество ошибочных срабатываний, как бы страж не старался. Опять же, и расположение молекулы однозначно не определяется, поэтому некоторые из них могут просто не попасть в регулируемые ворота, отскакивая от краёв или банально промахиваясь.

Забавно, но даже очевидное объяснение подобного эксперимента и демонстрация универсальности законов природы не мешает и в XXI веке некоторым изобретателям предлагать свои примитивные проекты вечного двигателя. Как правило, в интерьере бедных и неухоженных мастерских и на основе того, что нашли на помойке. Их бы целеустремлённость да на полезное дело…