… Вернёмся ещё раз к законам термодинамики. Мы уже знаем, что её первый закон, закон сохранения энергии, не основан ни на каких более фундаментальных законах. Он является просто обобщением всей совокупности человеческого опыта, это истина, не выводимая из каких-либо других положений.
Но сейчас уже никто не сомневается в безусловной применимости закона сохранения энергии в нашем обычном мире, мире обычных масштабов и обычных интервалов времени.
Этот закон окончательно отвергает веру в возможность построения вечных двигателей, веру в возможность получения энергии «из ничего». Отвергает, но не объясняет, почему это невозможно! Не объясняет потому, что объяснение — это сведение к чему-либо более простому, более фундаментальному, а закон сохранения энергии сам принадлежит к наиболее фундаментальным законам природы и ничего фундаментальнее его мы не знаем.
Такие законы иногда называют постулатом. Постулатом в том смысле, который придаётся постулатам геометрии — не сводимым ни к чему более простому обобщениям геометрических свойств природы. Обобщениям всего опыта человечества.
Каких-нибудь сто лет назад этот закон ещё мог игнорироваться некоторыми учёными. Но в наше время убеждённость в достоверности и универсальности закона сохранения энергии столь велика, что в случае, когда эксперимент приводит к отклонению от него, учёные вправе ожидать нового открытия. Именно так в первой половине ХХ века из обнаруженного на опыте нарушения закона сохранения энергии при бета-распаде было предсказано нейтрино. Физикам было легче примириться с существованием неведомой частицы, не имеющей ни заряда, ни массы покоя, что уже само по себе казалось нереальным, чем поверить в нарушение закона сохранения энергии.
Однако и в наши дни вновь и вновь возникают теории, опирающиеся на возможность очень кратковременных нарушений закона сохранения энергии или на отступления от этого закона в процессах, разыгрывающихся в очень малых областях пространства.
Большинство учёных относятся к этим теориям с недоверием. Но наложить запрет на их создание невозможно, ибо они относятся к предельно малым областям пространства и временам-мгновениям, для которых закон сохранения энергии ещё не подтверждён экспериментом, хотя, конечно, и не опровергнут.
Можно считать, что возникновение мятежных теорий связано именно с постулативным характером закона сохранения энергии. Ведь мы знаем, что замена постулата Евклида о параллельных линиях другим постулатом привела не к катастрофе, а к созданию новых геометрий — геометрии Лобачевского и геометрии Римана. Геометрия Евклида оказалась лишь частным случаем. В больших объёмах, содержащих тела очень большой массы, справедлива неевклидова геометрия.
«Второе начало термодинамики, так же как и первое, является обобщением огромного количества установленных опытным путём закономерностей» (БСЭ, том 42, стр. 318, изд. 2). Начало названо постулатом. До настоящего времени без такого постулата невозможно построить термодинамику и конструировать тепловые машины. Возможно, в будущем постулат будет выведен из фундаментальных законов микромира. Именно этот постулативный характер и то, что Второе начало термодинамики не очень просто осознать, приводит к тому, что и в наше время иногда появляются люди, охваченные надеждой на то, что они могут найти в обычных условиях случай, не подчиняющийся Второму началу термодинамики. Может быть, они не знают о том, что все их предшественники на этом пути потерпели поражение. Возможно, они надеются на особое счастье.
Им ясно одно: если Второе начало падёт, то падёт и принцип Карно, падёт запрет перевода тепла от холодных тел к горячим без затраты работы, и, может быть, тогда станет возможным получить энергию при помощи тепловых машин без затраты топлива!
Эта надежда на слепое счастье приводит к тому, что и в наши дни продолжают появляться проекты вечных двигателей!
Что же это за машины? Кто их авторы, эти упрямцы, не складывающие крылья мечты?
Перпетуум-мобиле XX века
Возможны ли они? — возмутится читатель.
Жертвой старого заблуждения стал совсем недавно известный радиоспециалист профессор С.И. Тетельбаум. Для него не было сомнения в азах электротехники: электрический ток — это движение электронов по проводам под влиянием электрического напряжения, приложенного к концам проводника. Также не было откровением и то, что на это движение всегда налагается хаотическое тепловое движение электронов. Если отключить внешнее напряжение — ток прекратится. Хаотическое движение сохранится, но совершающие его электроны не будут испытывать регулярного смещения вдоль проводника. Они движутся беспорядочно, поэтому обычные приборы — амперметры не зарегистрируют электрического тока: он равен нулю.
Но чувствительные усилители могут обнаружить хаотическое напряжение, связанное с хаотическим движением электронов. После усиления оно слышно как ровный шум в громкоговорителе или видно как мерцание экрана телевизора, когда телевизионная станция не работает.
Учёный, о котором идёт речь, конечно, знал также, что существуют электрические выпрямители, или детекторы, пропускающие через себя электрический ток только в одном направлении. Значит, рассуждал учёный, такой детектор способен пропускать и «хаотические» электроны только в одном направлении, задерживая идущие в обратном направлении. При этом детектор будет превращать хаотическое тепловое движение электронов в постоянный электрический ток! И осуществится небывалое: по проводам потечет ток без всякой батареи или другого источника электрического напряжения, без затраты электрической энергии.
Автор этого перпетуум-мобиле решил, что он нашёл способ преобразовывать хаос в порядок. Нащупал возможность превращения хаотического теплового тока в упорядоченный постоянный ток. По его мнению, перед человечеством открылась фантастическая перспектива: возможность черпать электроэнергию непосредственно из тепла окружающего воздуха.
Наука тоже получила «подарок»: уверение в том, что Второй закон термодинамики неверен!
Профессор ставил соответствующие опыты в лаборатории своего института и дома отдавал им всё свободное время, пытаясь воплотить свою мечту в реальное устройство. У него не получился перпетуум-мобиле. Результат всегда был отрицательным. Но всегда оставалась надежда на то, что в следующий раз… если принять ещё какие-то меры… Ведь очень убедительными кажутся рассуждения, приведённые выше.
Обычная надежда творцов вечных не узнал — смерть прервала его настойчивые поиски.
Однако и эта иллюзия, и это заблуждение не прошли бесполезно. Конечно, профессор потерял много времени и сил, отнял время у других учёных, стремившихся понять корни его заблуждения. Выявить конкретный «механизм», воплощающий в этом случае действие Второго закона термодинамики, было нелегко. Но с этой задачей справился один из друзей неудачника, тоже известный радиофизик, член-корреспондент Академии наук СССР, осветив ещё одну особенность тепла.
Он показал и подтвердил это точным расчётом, что ошибка и ложная надежда в этом случае возникли из-за того, что при рассуждениях учитывались лишь тепловые движения электронов в проводнике. Что происходит в самом детекторе, не принималось в расчёт. Правильный результат может быть получен лишь из правильных предпосылок, из достаточно полного учёта всех существенных деталей процесса. А точный анализ показал, что без разности температур в замкнутом проводнике, содержащем детектор, тепловые движения электронов не вызывают постоянного электрического тока.
Вот если проводник и детектор будут иметь разную температуру, только тогда в этом своеобразном «электрическом водопаде» польётся «вода» — электрический ток. Электрическая энергия возникнет за счёт тепловой энергии — в процессе выравнивания температур горячей и холодной частей системы. И тепловая энергия, и, следовательно, электрическая иссякнут, как только исчезнет разность температур, то есть когда горячая часть системы остынет, а холодная нагреется, когда и проводник, и детектор вернутся к общему тепловому состоянию. Конечно, разность температур между ними легко создать и поддерживать при помощи внешнего источника тепла. Но тогда мы будем иметь дело с одной из известных машин, с теплоэлектрическим генератором или термоэлементом, полностью подчиняющуюся обоим началам термодинамики. Если поддерживать… внешний источник тепла… Эти оговорки нам напоминают, что и тут не идёт речь и не может идти о даровой энергии. За неё надо платить.
