Страница 9 из 63
Потому солнечная энергия гораздо высшего качества, нежели теряемое землею тепло. Зеленые растения при фотосинтезе и используют эту высококачественную энергию. А использовать для фотосинтеза тепло остывающей по ночам земли они не могут. Этого требует второе начало термодинамики. В дальнейшем в курсе термодинамики показывается связь между энтропией и термодинамической вероятностью системы, то есть числом микросостояний элементов системы, с помощью которых реализуется данное макросостояние.
Чтобы понять сказанное, возьмем простой пример: сосуд, состоящий из двух половинок, разделенных проницаемой сеткой или просто воображаемой плоскостью. Поместим туда две одинаковых молекулы газа, черную и белую, которые могут свободно перемещаться из одной половины в другую. Конкретное макросостояние: обе частицы в левой половине – может реализоваться лишь одним микросостоянием: каждая из частиц именно там.
А другое макросостояние: в левой половине одна частица, – может реализоваться двумя способами: или белая частица находится там, или черная. Концентрация частиц или давление в левой половине (параметры макросостояния) не зависят от того, которая именно из двух частиц там находится. Для этих макропараметров важно только одна ли там частица, или две.
Итак, термодинамическая вероятность второго макросостояния равняется уже не 1, а 2. Иными словами равномерное распределение частиц по сосуду более вероятно, потому наблюдая за сосудом мы в среднем чаще будем видеть в каждой половине по одной частице, чем обе сразу в одной половине. Если же частиц будет много, например 10, то гораздо большим числом способов можно распределить их так, чтобы в обеих половинах их было примерно поровну (по 5 или 4 и 6)
– нежели чем все десять найти в одной половине (это последнее состояние можно осуществить лишь одним способом). Естественно на опыте мы будем видеть всегда преимущественно наиболее вероятные состояния. Оказывается что энтропия пропорциональна логарифму термодинамической вероятности системы. Потому и выполняется закон роста энтропии во всех замкнутых системах, где есть какое-то количество случайно движущихся частиц.
Система стремится к наиболее вероятному состоянию, а это и есть максимум энтропии. Таким образом, энтропия оказывается мерой хаоса в системе. В распределении молекул по кинетической энергии наиболее вероятно некое среднее состояние, чем состояние, при котором половина молекул более энергична, а другая – менее. Вот и получается, что тепло переходит от горячего тела к холодному и температура выравнивается.
С нагреванием тела, энтропия его растет, и беспорядок в движении его частиц увеличивается. При охлаждении же напротив, появляется больше порядка. Особенно это заметно при кристаллизации веществ, когда частицы выстраиваются строго в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Энтропия такого тела снижается, за счет того, что оно отдало тепло другому телу, которое стало более беспорядочным.
И в целом второе начало термодинамики требует, чтобы в замкнутой системе беспорядок неуклонно нарастал. Понятие энтропии, хотя и не вводится в школьной программе, но знать его на самом простом уровне интересно и важно даже школьнику, ибо оно понадобится нам при разговоре о происхождении жизни. ТЕПЛОВАЯ СМЕРТЬ ВСЕЛЕННОЙ Применение второго начала термодинамики ко всей Вселенной вкупе с законом необратимости ядерных превращений приводит нас однозначно к выводу о конечных сроках жизни Вселенной.
В замкнутой системе должно рано или поздно наступить тепловое равновесие, когда все виды энергии перейдут в тепловую, а та в свою очередь равномерно распределится между всеми телами системы. Если Вселенная есть замкнутая система, то рано или поздно, когда источники термоядерного горючего излучат всю свою энергию, а эта энергия будет поглощена всем прочим веществом во Вселенной, наступит равновесное состояние, когда все вещество будет иметь одинаковую температуру и никакой энергии, кроме тепловой, в природе не останется. (
за исключением, впрочем, энергии равномерного фонового излучения, соответствующего установившейся температуре вещества, но это излучение не сможет уже ни передавать энергию, ни быть преобразовано в работу). Такое равновесное состояние и назвали "тепловой смертью" Вселенной. Итак, состояние тепловой смерти для замкнутой Вселенной, существующей бесконечное время и являющейся причиной самой себя, было бы неизбежным и самым естественным ее состоянием.
Если бы мир жил по тем законам, которые действуют в нем теперь, он никогда бы и не вышел из такого состояния. Вопрос состоит лишь в том, является ли Вселенная замкнутой. В школьном курсе упоминаются три космологических модели: бесконечно расширяющаяся Вселенная, сжимающаяся и пульсирующая, причем выбор между ними зависит от неизвестной нам средней плотности вещества во Вселенной.
В бесконечно расширяющейся Вселенной смерть может наступить не тепловая, а энергетическая: когда всякий вид энергии будет распределен в пространстве со средней плотностью, стремящейся к нулю. Сжимающуюся Вселенную, вероятно, ожидает смерть гравитационная: превращение в гигантскую черную дыру, где уже нет вещества в обычном понимании. Но если ни тот, ни другой сценарий для реальной Вселенной не осуществятся, и она будет сохраняться как замкнутая в энергетическом отношении система, состоящая из вещества в виде частиц, способных к тепловому движению – для такой Вселенной неизбежна тепловая смерть.
Возможно ли и еще какое-то иное будущее для Вселенной в рамках ее нынешних законов? Это зависит от того, как и чем (Кем) наша Вселенная может быть разомкнута. Проблема тепловой смерти вряд ли может быть снята чем-то иным, как признанием идеи сотворения мира Всемогущим Творцом, Который не только создал все однажды, но и промышляет о Своем творении, не давая ему обратиться в хаос.
Подробнее об "эволюции" звезд и времени их бытия будет сказано отдельно. Если бы не было постоянного притока солнечной энергии – а это энергия высокоупорядоченная, "первосортная" и если бы не было постоянного сброса землей излишнего низко-потенциального тепла для поддержания теплового баланса, – то тепловая смерть очень скоро наступила бы и на земле.
Но оказывается, для возникновения жизни и ее поддержания мало только материи и энергии, мало даже направленной, нетепловой энергии. Необходимо ввести еще одну важнейшую фундаментальную категорию – информацию, но об этом предстоит особый более серьезный разговор. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ВЫВОДЫ Из названных законов вытекают следующие выводы. А.
Мир, живущий по своим нынешним законам, мир, в котором совершается множество необратимых процессов, по всей видимости, имел начало во времени, т.к. не мог бы бесконечно долго существовать в своем нынешнем виде. Это следует из второго начала термодинамики и распределения ядерных потенциалов. Б. Мир создан Разумным Создателем, поскольку он весь построен на идеях антропного принципа.
Подобно энергии и сама материя стремится к порче, к потере качественного разнообразия. Мы видели это на примере ядерных реакций, ведущих к уничтожению легких и тяжелых элементов к наиболее устойчивому и вероятному "среднему" состоянию. То же самое мы наблюдаем и в химии. Чистые вещества необратимо стремятся смешаться или соединиться в устойчивые, наиболее высокоэнтропийные, соединения, губительные для жизни: оксиды, нитраты, комплексные соединения. Смесь и устойчивое (а потому и губительное!)
соединение более вероятны и энергетически выгодны, подобно тому, как тепловое равновесие более вероятно, чем разность температур. Там где вещи предаются самим себе и воле случая – там мир стремится превратиться в гигантскую свалку, там воцаряются смерть, распад, разрушение и хаос, а вовсе не восходящее эволюционное развитие. Не признающие разумного Творца вынуждены приписывать разум и всесилие самому творению, материи и энергии.
Этим они весьма напоминают древних язычников, приписывавших солнцу и огню божественные свойства, сколько бы они ни провозглашали свое мировоззрение научным. Неслучайно, что все упомянутые здесь законы природы в школьном курсе просто не рассматриваются, несмотря на их простоту и универсальность. Школьное образование остается по сути дела таким же идеологизированным, как и при господстве атеизма, причем не только в нашей стране, но и по всему миру.
УРОК 2
КРЕАЦИОННАЯ АСТРОНОМИЯ ЭВОЛЮЦИЯ ЗВЕЗД В учебнике астрономии для 11 класса [2] вводится понятие об эволюции звезд и звездных систем, а также всей вселенной, и показывается, как она предположительно протекает. Считается, что обычно звезда рождается благодаря гравитационному сжатию рассеянной (диффузной) материи.