Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиск смысла в меняющейся Вселенной

Одно из рассуждений, приведенных Расселом в защиту своей позиции, имеет непосредственное отношение к нашим изысканиям. «По данным науки, – отметил Рассел, – Вселенная медленно приползла к весьма жалким результатам на этой земле и собирается плестись дальше к еще более жалким ступеням развития, вплоть до состояния всеобщей смерти». Обрисовав столь невесело ситуацию, Рассел заключил: «Если это и следует считать свидетельством цели, то могу сказать, что она мне не очень нравится. Поэтому я не вижу оснований верить в какого-либо Бога» [18] Рассел Б. Внесла ли религия полезный вклад в цивилизацию? // Рассел Б. Почему я не христианин. М., 1987. С 120. . Теологическая нить повествования будет прослежена нами в следующих главах. Здесь же я хочу сосредоточить внимание на упомянутых Расселом научных свидетельствах «всеобщей смерти». Речь идет об одном открытии XIX в. с корнями настолько же скромными, насколько глубоки следующие из него выводы.

К середине XIX в. промышленная революция шла полным ходом, и на многочисленных фабриках и заводах паровая машина давно уже стала рабочей лошадкой и главной движущей силой производства. Тем не менее даже с учетом критически важного рывка с переходом от ручного труда к механическому, эффективность паровой машины – полезная работа в сравнении с количеством потребленного топлива – оставалась мизерной. Примерно 95 % тепла, выработанного горящим деревом или углем, пропадало впустую, уходило в окружающую среду. Это подтолкнуло некоторых ученых глубоко задуматься над физическими принципами, управляющими работой паровой машины, и поискать способы сжигать меньше, а получать больше. Несколько десятков лет исследований привели в конечном итоге к каноническому результату, получившему заслуженную известность: ко второму началу термодинамики .

В весьма и весьма упрощенном изложении закон этот гласит, что производство отходов неизбежно. Несмотря на то что катализатором исследований послужила паровая машина, второе начало термодинамики имеет универсальное применение, что делает его жизненно важным. Второе начало описывает фундаментальную характеристику, изначально присущую любой материи и энергии, независимо от структуры и формы, одушевленности или неодушевленности, а именно утверждается (опять же, в примерном изложении), что все во Вселенной имеет ошеломляющую тенденцию разрушаться, деградировать, увядать.

Даже по такой простой формулировке можно понять, из чего исходил Рассел. В будущем, судя по всему, нас ждет непрерывное разрушение, неумолимое превращение производительной энергии в бесполезное тепло, постоянная утечка энергии – если можно так сказать – из батареек, питающих реальность. Но более точное осмысление науки позволяет понять, что подобная формулировка перспектив заслоняет собой насыщенный и полный нюансов процесс развития, который начался с Большого взрыва и будет протекать еще долго в будущем. Этот процесс помогает объяснить наше место на космической шкале времени, понять, как на фоне деградации и распада могут возникать красота и порядок; он же предлагает потенциальные способы, хотя и весьма экзотичные, обойти тот грустный конец, что видел перед собой Рассел. А поскольку именно эта наука, рассматривающая такие концепции, как энтропия, информация и энергия, будет вести нас вперед бóльшую часть маршрута, имеет смысл потратить немного времени, чтобы лучше ее понять.

Конечно, мне не придет в голову предположить, что смысл жизни прячется где-то в жарких глубинах шумной паровой машины. Но понимание способности паровой машины впитывать в себя жар горящего топлива и использовать его для приведения в циклическое движение колес локомотива или лопаток шахтного насоса оказывается необходимым для понимания того, как энергия – любого сорта и в любых обстоятельствах – эволюционирует во времени. А то, как эволюционирует энергия, оказывает глубокое влияние на будущее материи, разума и любых структур во Вселенной. Так что давайте спустимся с горних высот жизни и смерти, цели и смысла к непрестанному грохоту и пыхтению паровой машины XVIII в.

Научная основа паровой машины проста, но оригинальна: испаренная вода (пар) расширяется при нагревании и тем самым порождает давление. Паровая машина задействует этот эффект. Она нагревает емкость, наполненную паром и закрытую сверху плотно прилегающим поршнем, который может свободно скользить вверх и вниз по ее внутренней поверхности. Когда нагретый пар расширяется, он с силой выталкивает поршень, и направленное вовне усилие может быть использовано для вращения колеса, привода мельницы или ткацкого станка. Затем пар, растративший энергию на это усилие, остывает и поршень соскальзывает вниз в начальное положение, где и остается в готовности снова быть вытолкнутым вверх, когда пар вновь нагреется; этот цикл будет повторяться до тех пор, пока горит топливо, нагревающее емкость с паром [19] Разумеется, это очень упрощенное описание паровой машины, построенной на основе так называемого цикла Карно, содержащего четыре этапа: (1) пар в емкости поглощает тепло от источника (описываемого обычно как тепловой резервуар) и толкает поршень, производя работу при постоянной температуре; (2) емкость отключается от источника тепла, и пар продолжает толкать поршень, производя теперь работу с одновременным падением температуры пара (но его энтропия при этом постоянна, ведь теплопередачи нет); (3) затем емкость подключается ко второму тепловому резервуару, температура которого ниже, чем температура первого, и при этой более низкой постоянной температуре производится работа по возвращению поршня в первоначальную позицию, в процессе излишнее тепло сбрасывается; (4) наконец, емкость отсоединяется от холодного резервуара, над поршнем продолжает выполняться работа; поршень возвращается в первоначальное положение, а температура пара при этом вновь поднимается до первоначального уровня. После этого цикл начинается с начала. В реальной паровой машине – в отличие от теоретической, которую мы анализируем математически, – эти этапы (или сравнимые с ними) реализуются разными способами, диктуемыми инженерными и практическими соображениями. .