Джейкоб Броновски - Восхождение человечества
Первый графитовый реактор.
Экспериментальный графитовый реактор, разработанный группой под руководством Энрико Ферми, приступившей к выполнению проекта 2 декабря 1942 года на площадке для игры в сквош под футбольным стадионом Университета Чикаго.
Я думаю, что до некоторой степени он является данью богу Плутону, владыке подземного мира, который дал свое имя элементу, из-за которого сорок тысяч людей умерло в Нагасаки. Снова в истории человечества одновременно увековечены и великий человек, и множество усопших.
Я должен вновь вспомнить шахту Величку, чтобы разъяснить одно историческое противоречие. Элементы постоянно образуются в звездах, и все же мы привыкли думать, что Вселенная когда-то закончится. Почему? Или каким образом? Мы исходим из наблюдения за работой машин: механизмы всегда потребляют энергии больше, чем производят. Часть теряется при трении, другая уходит из-за износа. В некоторых более сложных машинах, чем древние деревянные кабестаны Велички, энергия теряется в амортизационном устройстве или радиаторе. Одним словом, есть множество причин, по которым она ослабевает. В этом случае мы безвозвратно теряем огромный объем энергии, расходуя на полезную работу только малую ее часть. И существует еще океан энергии, который для нас в этот момент недоступен.
В 1850 году Рудольф Клаузиус отразил эту мысль в основном законе. Он заявил, что есть энергия, которую мы используем, и есть ее остаток, который для нас недоступен. Последний он назвал энтропией и сформулировал знаменитый второй закон термодинамики: энтропия всегда возрастает. Во Вселенной тепло утекает в своего рода озеро, недоступное для нас.
Это была хорошая идея для науки второй половины XIX века, когда тепло считалось жидкостью. Однако оно не материал. По сути, тепло представляет собой случайное движение атомов. Эту простую истину установил австрийский физик Людвиг Больцман. Он дал блестящую новую интерпретацию того, что происходит в машине, в паровом двигателе и во Вселенной.
Когда энергия ослабевает, атомы приходят в более беспорядочное состояние. А энтропия — это мера хаоса: очень глубокий вывод, следующий из новой интерпретации Больцмана. Странно, что у хаоса может быть «мера», но это вероятность конкретного состояния, определенная как количество способов, которым оно может быть собрано из атомов. Больцман выразил это в формуле:
S=KlnW,
где S — энтропия, которая должна быть пропорциональна логарифму.
W — вероятность заданного состояния (К — коэффициент пропорциональности, который теперь называется постоянной Больцмана).
Конечно, хаотичные состояния более вероятны, чем упорядоченные, так как почти каждая совокупность атомов будет случайной, так что, как правило, любое упорядоченное скопление распадается. Но «как правило» не означает «всегда». Неверно, что упорядоченные состояния постоянно скатываются в хаос. Статистический закон утверждает, что порядок стремится к исчезновению. Однако к статистике неприменимо слово «всегда». Она допускает, что в каких-то местах Вселенной (на Земле, на небе, в вас, во мне, в звездах, где угодно еще) установится порядок, тогда как рядом будет царить энтропия.
Очень красивая концепция! Однако остается еще один не изученный нами вопрос, который следует задать. Если мы существуем благодаря вероятности, не может ли быть так, что она слишком мала, чтобы у нас было право здесь находиться?
Обычный человек, задающий этот вопрос, как правило, рассуждает так: мое тело в данный момент состоит из множества атомов. Как безумно малая вероятность, что они собрались вместе и образовали меня! Если бы так и было, мое существование было бы практически невозможным.
Конечно, природа устроена не так. Она творит каждое свое создание постепенно, продвигаясь шаг за шагом: атомы образуют молекулы, молекулы объединяются в аминокислоты, которые формируют в белки — основу клетки. Клетки составляют прежде всего простейших существ, а затем сложных, а затем еще более сложных. Стабильные единицы, составляющие один уровень, или слой, — это сырой материал для случайных слияний, которые производят более сложные образования, у и некоторых из них есть шанс стать стабильными. Пока остается потенциал для стабильности, который не реализовался, других шансов нет. Эволюция представляет собой восхождение по лестнице — от простого к сложному, со стабилизацией на каждой ступеньке.
Это очень близкая мне тема. Я даже придумал для нее название: стратифицированная стабильность — то, что заставляет жизнь развиваться, пусть медленно и постепенно, но непрерывно, все больше и больше усложняясь. Это центральная проблема прогресса и эволюции. Теперь мы знаем, что это правило относится не только к жизни, но и к материи. Практически невозможно, чтобы в звездах образовался тяжелый элемент, например железо, или супертяжелый элемент, например уран, путем случайного соединения всех частей. Нет. В звезде водород превращается в гелий, на следующей стадии в другой звезде гелий соединяется с углеродом, с кислородом, с тяжелыми металлами, шаг за шагом мы проходим всю лестницу из 92 элементов.
Мы не можем повторить процессы, происходящие в звездах, потому что не в состоянии достичь тех огромных температур, которые необходимы для сплава большинства элементов. Однако мы уже поставили ногу на первую ступеньку лестницы и скопировали первый шаг — от водорода до гелия.
Конечно, трудно воссоздать температуру в недрах Солнца: она превышает 10 000 000 °C. Еще труднее сделать контейнер, который выдержал бы такую температуру хотя бы долю секунды.
Сегодня нет таких материалов. Контейнер для газа в таком состоянии может иметь только форму магнитной ловушки. Это новая физика — физика плазмы. Ее значение в том, что это физика природы. Теперь преобразования, проводимые человеком, не идут вразрез с ней, а повторяют те же самые шаги, которые природа предпринимает относительно Солнца и других звезд.
Бессмертие и смерть — контраст, которым я хотел бы закончить эту главу. Физика XX века — это бессмертное творение. Никогда человеческое воображение не поднималось до таких высот, даже когда люди возводили пирамиды, сочиняли «Илиаду», писали баллады или строили храмы. Ученые, открывшие эти законы, стали героями нашей эпохи. Менделеев, перебиравший карточки, Томпсон, опровергнувший теорию древних греков о неделимости атома, Резерфорд, превративший идею в планетарную систему, Бор, который сделал модель рабочей, Чедвик, открывший нейтрон, и Ферми, который использовал его для изменения ядра. И во главе этой славной когорты стоят основатели принципиально новых концепций — Макс Планк, который дал энергии атомную характеристику как материи, и Людвиг Больцман, которому больше, чем кому бы то ни было, мы обязаны тем, что атом стал для нас такой же реальностью, как наш собственный мир, который мы чувствуем и осязаем.
Кто бы мог подумать, что еще в 1900 году ученые воевали между собой не на жизнь, а на смерть, решая вопрос, существует атом или нет. Великий австрийский физик, механики философ Эрнст Мах на этот вопрос однозначно отвечал: «Нет». Его мнение разделял знаменитый немецкий химик Вильгельм Оствальд. И только один человек в этот критический момент, совпавший с рубежом столетий, настаивал на реальности атомов, опираясь на фундаментальную теорию. Это был Людвиг Больцман, памяти которого я хочу поклониться.
Больцман был вспыльчивым, необычным, тяжелым человеком, ранним последователем Дарвина, неуживчивым и конфликтным. Восхождение человечества колебалось на тонкой интеллектуальной грани, потому что если бы антиатомные доктрины возобладали, научный прогресс затормозился бы на десятилетия. И не только в физике, но и в биологии, которая зависела от нее. Больцман не просто шел наперекор другим. Он жил идеей реальности атома и умер, не отступившись от своего. В 1906 году, в возрасте шестидесяти двух лет, ученый, чувствуя себя изолированным и проигравшим, решил, что дальнейшее сопротивление бесполезно (хотя до признания его идеи оставалось совсем немного), и совершил самоубийство. Нам в память об этом великом человеке осталась его бессмертная формула:
S = KlnW,
выгравированная на могильном камне.
У меня не хватает слов, чтобы отдать должное красоте лаконичной и точной мысли гения, поэтому я посвящаю ей четыре первые строки поэмы Уильяма Блейка «Прорицания невинности»:
В одном мгновенье видеть вечность,Огромный мир — в зерне песка,В единой горсти — бесконечностьИ небо — в чашечке цветка.[11]
Глава 11. Знание или достоверность
Цель естественных наук — воссоздать точную картину материального мира. Однако важнейшим открытием физики XX века стало доказательство того, что эта цель недостижима.
