100 великих парадоксов - Рудольф Константинович Баландин
Молекулы воды в стакане движутся с разной скоростью, хаотично, постоянно сталкиваясь. Чем выше их средняя скорость, тем горячей вода. Есть некоторая вероятность того, что наиболее быстрые молекулы окажутся вверху. Там температура повысится. Естественно, внизу стакана останутся медленные молекулы, и температура воды там снизится.
Чтобы такое событие произошло, нужны миллиарды стаканов с водой и миллиарды лет ожидания. Иначе говоря, требуется чудо. Хотя сугубо теоретически указанное событие не исключено.
Демон Максвелла
Из этого закона перехода тепла только от горячего тела к холодному (второе начало термодинамики) логически следует вывод: во Вселенной рассеивается энергия, и в конце времён наступит всеобщая тепловая смерть.
Столь трагический финал всего сущего бренным людям почему-то хочется отменить уже при своей недолгой жизни. Похвальное стремление к вселенскому оптимизму.
Как преодолеть мрачную печать, налагаемую на Мир Вторым началом термодинамики? Об этом задумался выдающийся английский физик Джеймс Максвелл. Он провёл мысленный эксперимент, изложив его в книге «Теория теплоты» (1872).
Вообразим герметичную ёмкость, разделённую непроницаемой перегородкой на две части. В перегородке есть отверстие с дверцей. Ёмкость заполнена газом. У дверцы стоит некое существо, привратник (позже его стали называть «демоном Максвелла). Оно пропускает из половины А в другую половину Б только молекулы, имеющие скорость выше средней. Переход из Б в А будет открыт молекулам со скоростью ниже средней.
Что произойдёт в результате? Температура газа в половине А будет снижаться, а в половине Б – возрастать.
Всё бы хорошо, да только непонятно, как должно работать то, что мы называем демоном Максвелла.
Если это распознающее устройство, то на его создание и работу будет затрачено много энергии. Поэтому к ёмкости с газом, придуманной Максвеллом, надо добавить распознающее устройство, способное различать молекулы по скорости и оперативно открывать и закрывать дверцу.
Вряд ли можно сомневаться, что такой «демон» будет затрачивать чрезвычайно много энергии. Ему потребуется постоянная «подзарядка». Получится сложная открытая система, а не та, которую придумал Максвелл.
Другой вариант: не дверца, а мембрана, которая в одну сторону пропускает только быстрые молекулы, а в другую – медленные. Придётся затратить энергию (упрощаем) для создания такой мембраны. Молекулы, преодолевая эту преграду, будут терять часть своей энергии. В целом газ начнёт охлаждаться, а перегородка – нагреваться. Да и может ли существовать такая мембрана?
…Мне довелось наблюдать прибор, который вырабатывал больше энергии, чем потреблял. В 1958 году «Комсомольская правда» поместила статью «Чудо на заводе “Сантехника”» об отопительно-охладительном аппарате, который опровергал основы термодинамики.
По заданию журнала «Знание – сила» я поговорил с директором завода, увидел работу прибора. Директор заверил: вырабатывается больше тепла, чем поступает из электросети. Заодно посетовал: создавали прибор трудно, план не выполнили; благо, это оказался вечный двигатель второго рода.
Я понимал: чудо кстати, когда не выполнен план. Моя вера в основы термодинамики не пошатнулась. Проштудировал соответствующую литературу и выяснил, что в аппарате используется принцип «теплового насоса», позволяющий отбирать тепло, скажем, из атмосферы и давать дополнительное тепло прибору. Охлажденный воздух удалялся.
Вдруг – новость: прибор трижды проверила комиссия из Академии наук, и каждый раз на входе количество тепла было меньше, чем на выходе из прибора. Мою статью отложили до лучших времён. Долго ждать не пришлось. Появилась в газете «Правда» статья трёх академиков, клеймивших лженауку и погоню за сенсациями. Фактов они не предоставили, но достаточно было их авторитета, и победила вера в то, что чудес не бывает.
Мою статью срочно поставили в номер. Но у меня возникли сомнения: неужели проблема решается так просто, как я написал? Если прибор берёт дополнительное тепло из воздуха (ведь его температура значительно выше абсолютного нуля), то почему не делать такие обогреватели? Велика ли беда, что на улицу выбрасывается более холодный воздух? А экономический эффект очевиден.
Позже я пришёл к выводу, что дело не только в замерах на входе и выходе прибора количества тепла. Прибор потреблял электрическую энергию высокого качества, переводя её в примитивную тепловую. Считая общие потери энергии, следовало бы учесть всю цепь её превращений, начиная от угольных пластов, шахт, ТЭЦ и т. д. В результате потери в миллионы раз превысят полученное полезное тепло…
Моя первая статья вышла под заглавием «Чудо, которого не было».
Однако с тепловой смертью Вселенной, с рассеянием энергии в мировом пространстве (ростом энтропии) не так просто (в книге немецкого физика Феликса Ауэрбаха энергия названа царицей мира, а энтропия – её мрачной тенью). В Интернете встретилось высказывание неизвестного мне А.В. Галанина: «Назревает очередная революция в физике. Кто-то гениальный создаст новую теорию, в которой энергия может не только рассеиваться во Вселенной, но и собираться. А может, в чёрных дырах она и собирается? Ведь если есть механизм рассеяния вещества и энергии, то обязательно должен быть и противоположный ему процесс концентрирования материи. Мир зиждется на единстве и борьбе противоположностей».
Новую теорию я не создам, но могу предложить нетривиальную и вполне научную гипотезу. Не требуется присутствие «демона Максвелла». Достаточно вспомнить о существовании вакуум-эфира.
Из этого «океана энергии», как уже говорилось, в определённых условиях возникают элементарные частицы, например, электрон и позитрон. Это похоже на то, как водяной пар конденсируется в капли. Есть и обратный процесс: капли испаряются, переходя в водяной пар. Подобно этому, элементарные частицы аннигилируют, растворяясь в океане энергии вакуум-эфира.
Не требуется чуда, чтобы избавиться от призрака тепловой смерти Вселенной. Но в таком случае придётся обосновать и превратить в теорию другую идею: подлинными элементарными частицами являются электрон и позитрон, носители отрицательного и положительного электрических зарядов. Прочие частицы не элементарны, а состоят из этих двух, способных находиться в виде корпускул и плёнок (так вода бывает жидкостью, газом и твёрдым телом).
Есть и другие сложности с обоснованием «новой физики». Но она, надеюсь, будет создана. Чтобы это произошло, самое трудное – преодолеть инерцию мышления физиков-теоретиков, верующих в такие феномены, как волна-частица и теория относительности с её чудесами.
Казус парадокса близнецов
Парадокс близнецов считается одной из недоступных уму заумностей теории относительности Эйнштейна. Напомню: если запустить в космос на несколько лет с околосветовой скоростью одного из близнецов, скиталец вернётся менее постаревшим, чем его брат.
Да, это уму непостижимо. Даже не парадокс, а нечто невероятное. Брат-астронавт отбыл от Земли и скитался в космосе в одной и той же ракете. При ускорениях движения он испытывал перегрузки. А вернувшись на родную планету, оказался моложе
