Читать книгу «Порядок из хаоса» онлайн.

Открытие закона теплопроводности имело непреходящее значение. Интересно отметить, что с появлением закона Фурье исторические пути развития физики во Франции и Англии разошлись и к современному этапу французские физики и их английские коллеги следовали различными маршрутами.

Во Франции крушение мечты Лапласа привело к позитивистской классификации науки на иерархически упорядоченные отделы, предложенные Огюстом Контом. Контовская классификация науки была подробно проанализирована Мишелем Серром[117]. В физике сосуществуют две универсалии: тепло и гравитация. Более того, как вынужден признать позднее Конт, эти две универсалии — антагонисты. Гравитация действует на инертную массу, которая подчиняется гравитации, не испытывая ее действия иным путем, кроме как через движение, которое приобретает или передает. Тепло преобразует вещество, определяет изменения состояния и вызывает изменения внутренних свойств. В некотором смысле это было подтверждением протеста химиков-антиньютонианцев и всех тех, кто подчеркивал различие между чисто пространственно-временным поведением, приписываемым массе, и специфической активностью вещества. Именно такое различие и было принято за основу классификации наук, проведенной Контом по общему признаку — порядку, т. е. равновесию. К механическому равновесию сил позитивистская классификация просто добавила понятие теплового равновесия.

С другой стороны, в Британии с появлением теории распространения тепла отнюдь не прекратились попытки объединения всех областей знания, более того, там наметилось новое направление научных исследований — первые шаги в создании теории необратимых процессов.

Закон Фурье, если его применить к изолированному телу с неоднородным распределением температуры, описывает постепенное установление равновесия. Теплопроводность приводит к все большему выравниванию распределения температуры до тех пор, пока распределение во всем теле не станет однородным. Всякий знает, что выравнивание температуры — процесс необратимый. Еще столетие назад Берхаве подчеркивал, что тепло всегда распространяется и выравнивается. Таким образом, наука о сложных явлениях (основанных на взаимодействии большого числа частиц) и временная асимметрия с самого начала оказались взаимосвязанными. Но теплопроводность стала исходным пунктом исследований природы необратимости не раньше, чем была установлена ее связь с понятием «диссипация», рассматриваемым с инженерной точки зрения[118].

Познакомимся несколько подробнее со структурой новой «науки о тепле» в том виде, в каком она сложилась в начале XIX в. Подобно механике, наука о тепле включала в себя и оригинальную концепцию физического объекта, и определение машины, или двигателя, т. е. отождествление причины и следствия в специфическом способе производства механической работы.

При исследовании физических процессов, связанных с теплом, состояние системы необходимо задавать, указывая не положения и скорости ее составных частей (в объеме газа порядка 1 см3 содержится около 1023 молекул), как в случае динамики, а некоторую совокупность макроскопических параметров, таких, как температура, давление, объем и т. д. Кроме того, необходимо учитывать граничные условия, описывающие отношение системы к окружающей среде.

В качестве примера рассмотрим одно из характерных свойств макроскопической системы — ее удельную теплоемкость. Напомним, что удельной теплоемкостью называется количество тепла, которое необходимо сообщить системе, чтобы поднять ее температуру на один градус при постоянном объеме или давлении. Чтобы исследовать удельную теплоемкость (например, при постоянном объеме), систему необходимо привести во взаимодействие с окружающей средой: система должна получить определенное количество тепла, в то время как объем ее поддерживается постоянным, а температура может изменяться.

В более общем случае систему можно подвергнуть механическому воздействию (например, поддерживать постоянство давления или объема с помощью поршня), тепловому воздействию (подводить к системе или отводить от нее некоторое количество тепла) или химическому воздействию (создавать поток реагирующих веществ и продуктов реакции между системой и окружающей средой). Как мы уже упоминали, давление, объем, химический состав и температура являются классическими физико-химическими параметрами, через которые выражаются свойства макроскопических систем. Термодинамику можно определить как науку о корреляции между изменениями этих свойств. Следовательно, термодинамические объекты приводят к новой по сравнению с динамическими объектами точке зрения. Цель теории состоит не в предсказании поведения системы в терминах взаимодействия частиц, а в предсказании реакции системы на изменения, вводимые нами извне.

Механическое устройство (машина) возвращает в виде работы потенциальную энергию, полученную им из внешнего мира. Причина и следствие имеют одинаковую природу и, по крайней мере в идеальном случае, эквивалентны. Действие тепловой машины, в отличие от механического устройства, сопряжено с материальными изменениями состояний, включающими преобразование механических свойств системы, расширением и увеличением объема. Производимую тепловым двигателем работу следует рассматривать как результат подлинного процесса преобразования, а не только передачи движения. Таким образом, тепловая машина — не пассивное устройство. Строго говоря, она производит движение. С этой особенностью тепловой машины связана новая проблема: чтобы восстановить способность системы производить движение, ее необходимо возвратить в начальное состояние. Следовательно, необходим второй процесс, второе изменение состояния, которое компенсировало бы то изменение, которое производит движение. В тепловой машине таким вторым процессом, противоположным первому, является охлаждение системы до начальных значений температуры, давления и объема.

Понятие необратимого процесса было введено в физику в связи с проблемой повышения коэффициента полезного действия (кпд) тепловых машин, т. е. отношения между производимом работой и теплом, которое необходимо подвести к системе, чтобы осуществить два взаимно компенсирующих, процесса. Мы еще вернемся к вопросу о значении закона Фурье для этой проблемы, но сначала опишем ту существенную роль, которую играет закон сохранения энергии.

2. Принцип сохранения энергии

Мы уже отмечали, что в классической динамике энергия занимает центральное место. Гамильтониан (сумму кинетической и потенциальной энергий) можно представить в канонических переменных — координатах и импульсах. В процессе движения значения канонических переменных изменяются, значение же гамильтониана остается постоянным. Динамическое изменение лишь перераспределяет относительную значимость потенциальной и кинетической энергий, оставляя неизменной их сумму.

Начало XIX в. совпало с бурным периодом в истории экспериментальной физики[119]. Нескончаемая вереница открытий показала физикам, что движение способно порождать не только изменения в относительных положениях тел в пространстве. Новые процессы, открытые в лабораториях, постепенно создали сеть, связавшую воедино все новые области физики с другими более традиционными областями, например с механикой. Одну из таких связей неожиданно обнаружил Гальвани. До него были известны только статические электрические заряды. Производя опыты с препаратами лапок лягушек, Гальвани впервые экспериментально наблюдал действие электрического тока. А. Вольта вскоре понял, что «гальванические» сокращения лапок лягушки вызывает проходящий через них электрический ток. В 1800 г. Вольта построил химическую батарею: стало возможным получать электричество с помощью химических реакций. Затем был открыт электролиз: электрический ток позволял изменять химическое сродство и проводить химические реакции. Но электрический ток давал также свет и тепло, а в 1820 г. Эрстед обнаружил, что электрический ток оказывает действие и на магнитную стрелку. В 1822 г. Зеебек показал, что тепло может быть источником электричества, а в 1834 г. им был открыт способ охлаждения вещества с помощью электричества. В 1831 г. Фарадей индуцировал электрический ток с помощью магнитных эффектов. Так постепенно была открыта целая совокупность новых физических эффектов. Естественнонаучный горизонт расширялся с неслыханной быстротой.

Решающий шаг был сделан в 1847 г. Джоулем: он понял, что связи, обнаруженные между выделением или поглощением тепла, электричеством и магнетизмом, протеканием химических реакций, а также биологическими объектами, носят характер «превращения». Идея превращения, опирающаяся на постулат о количественном сохранении «чего-то» при его качественных изменениях, обобщает то, что происходит при механическом движении. Как мы уже знаем, полная энергия сохраняется, в то время как потенциальная энергия переходит, превращается в кинетическую, и наоборот. Джоуль определил общий эквивалент для физико-химических трансформаций, что позволило измерить сохраняющуюся величину. Впоследствии[120] эта величина стала известна как «энергия». Джоуль установил первую эквивалентность, измерив механическую работу, которую необходимо затратить, чтобы поднять температуру данного количества воды на один градус. Так среди ошеломляющего потока новых разнообразных открытий был обнаружен унифицирующий элемент. Сохранение энергии при самых различных преобразованиях, претерпеваемых физическими, химическими и биологическими системами, стало путеводным принципом в исследовании новых процессов.

Неудивительно, что закон сохранения энергии был столь важен для физиков XIX в. Для многих из них он был воплощением единства природы. Это убеждение отчетливо звучит в высказывании Джоуля, выдержанном в традициях английской науки:

«Явления природы, механические, химические или биологические, состоят почти полностью из непрерывного превращения тяготения на расстоянии живой силы [кинетической энергии] в тепло, и наоборот. Тем самым поддерживается порядок во Вселенной: ничто не расстрачивается, ничто не утрачивается, а весь механизм при всей своей сложности работает слаженно и гармонично. И хотя, как в ужасном видении пророка Иезекииля, «казалось, будто колесо находилось в колесе» (Иезек, 1, 16) и все кажется сложным и вовлеченным в хитросплетения почти неисчерпаемого многообразия причин, следствий, превращений и выстраивания в определенной последовательности, тем не менее сохраняется идеальнейший порядок и все бытие послушно непререкаемой воле бога»[121].

Еще более показателен случай немецких ученых Гельмгольца, Майера и Либиха. Все трое принадлежали к культурной традиции, которая отвергла бы взгляды Джоуля с позиций чисто позитивистской практики. В ту пору, когда они совершали свои открытия, ни один из них не был, строго говоря, физиком. Однако их всех интересовала физиология дыхания. Со времен Лавуазье это был своего рода эталон проблемы, в которой функционирование живого существа поддавалось описанию в точных физических и химических терминах, таких, как расход кислорода при горении, выделение тепла и мускульная работа. Эта проблема привлекала физиологов и химиков, чуждых чисто умозрительным построениям романтиков и жаждущих внести свой вклад в экспериментальную науку. Обстоятельства, при которых эти трое ученых пришли к заключению, что дыхание, да и природа в целом подчиняются универсальной «эквивалентности», лежащей в основе всех, больших и малых, явлений, позволяют утверждать, что именно немецкой философской традиции открыватели закона сохранения энергии обязаны своей концепцией, совершенно чуждой позитивисткой позиции: все трое без малейших колебаний пришли к выводу о всеобщем характере закона сохранения энергии, о том, что он пронизывает всю природу до мельчайших кирпичиков мироздания.

Особенно замечательным нам представляется случай Майера[122]. Работая в молодые годы врачом в голландских колониях на Яве, Майер обратил внимание на ярко красный цвет венозной крови у одного из своих пациентов. Это наблюдение привело его к заключению, что жителям жаркого тропического климата требуется меньше кислорода для поддержания нормальной температуры тела, чем в средних широтах, чем и объясняется яркий цвет их крови. Майер продолжил свои исследования и установил баланс между потреблением кислорода, являющимся источником энергии, и потреблением энергии, затрачиваемой на поддержание постоянной температуры тела, несмотря на тепловые потери и мышечную работу. Это была счастливая догадка, так как причиной яркого цвета крови пациента вполне могла быть, например, его «лень». Но Майер не остановился на достигнутом и, продолжив свои рассуждения, пришел к заключению, что баланс потребления кислорода и тепловых потерь — не более чем частное проявление существования какой-то неразрушимой «силы», лежащей в основе всех явлений.

Тенденция видеть в явлениях природы продукты лежащей в их основе реальности, сохраняющей постоянство при всех трансформациях, поразительно напоминает идеи Канта. Влияние Канта отчетливо ощущается и в другой идее, которую разделяли некоторые физиологи: в необходимости различать витализм как философскую спекуляцию и витализм как проблему научной методологии. Для тех физиологов, кто придерживался этой точки зрения, даже если бы существовала «жизненная» сила, лежащая в основе функционирования живых организмов, объект физиологии по своей природе оставался бы чисто физико-химическим. По двум названным выше причинам кантианство, узаконившее ту систематическую форму, которую приняла математическая физика в XVIII в., по праву может считаться одним из источников обновления физики в XIX в.[123]

Гельмгольц совершенно открыто признавал влияние Канта. Для Гельмгольца закон сохранения энергии был лишь воплощением в физике общего априорного требования, на котором зиждется вся наука, а именно постулата о фундаментальной инвариантности, которая кроется за всеми трансформациями, происходящими в природе:

«Цель указанных[124] наук заключается в отыскании законов, благодаря которым отдельные процессы в природе могут быть сведены к общим правилам и могут быть снова выведены из этих последних. Эти правила, к которым относятся, например, законы преломления или отражения света, закон Мариотта и Гей-Люссака для объема газов, являются, очевидно, не чем иным, как общим видовым понятием, которым охватываются все относящиеся сюда явления. Разыскание подобных законов является делом экспериментальной части наших наук; теоретическая часть старается в то же время определить неизвестные причины явлений из их видимых действий; она стремится понять их из закона причинности.

Мы вынуждены были так поступать и имеем на это право благодаря основному закону, по которому всякое изменение в природе должно иметь достаточное основание. Ближайшие причины, которым мы подчиняем естественные явления, могут быть в свою очередь неизменными или изменяющимися. В последнем случае тот же закон принуждает нас искать другие причины этого изменения и так далее до тех пор, пока мы не доходим до последних причин, которые действуют по неизменному закону и которые, следовательно, в каждое время при одинаковых условиях вызывают одно и то же действие. Конечной целью теоретического естествознания и является, таким образом, разыскание последних неизменных причин явлений в природе»[125].

С появлением закона сохранения энергии начала формироваться идея о новом золотом веке физики, который должен был бы в конечном счете привести к наиболее широкому обобщению механики.

Открытие закона сохранения энергии имело далеко идущие культурные последствия. В их число входило и представление об обществе и человеке как о машинах, преобразующих энергию. Но превращение энергии не может быть конечным звеном цепи. Оно отражает пассивные и управляемые аспекты природы, но за ними должен находиться еще один более «активный» уровень. Ницше был одним из тех, кто уловил эхо актов творения и разрушения, выходящих за рамки одного лишь сохранения или превращения. Результаты, являющиеся различиями, могут порождать только различие, например разность температур или уровней потенциальной энергии[126]. Превращение энергии есть всего лишь уничтожение одного различия с одновременным созданием другого. Сила природы оказывается, таким образом, скрытой использованием эквивалентностей. Но существует другой аспект природы, имеющий непосредственное отношение к котлам паровых двигателей, химическим превращениям, жизни и смерти и выходящий за рамки эквивалентностей и сохранения энергии[127]. Говоря об этом аспекте, мы подходим к самому важному вкладу термодинамики в естествознание — понятие необратимости.

3. Тепловые машины и стрела времени

Сравнивая механические устройства с тепловыми машинами, например с паровозными котлами с их раскаленными докрасна топками, мы наглядно видим брешь, отделяющую классический век от технологии XIX в. Тем не менее физики поначалу думали, что эту брешь можно игнорировать, что тепловые машины удастся описывать так же, как некогда механические, пренебрегая тем решающим фактом, что использованное тепловой машиной горючее исчезает навсегда. Но вскоре подобному благодушию пришел конец. Для классической механики символом природы были часы, для индустриального века таким символом стал резервуар энергии, запас которого всегда грозил иссякнуть. Мир горит как огромная печь; энергия, хотя она и сохраняется, непрерывно рассеивается.

Первоначальную формулировку второго начала термодинамики, которая позволила впервые количественно выразить необратимость, предложил в 1824 г. Сади Карно — до того, как Майер (1842) и Гельмгольц (1847) сформулировали в общем виде закон сохранения энергии. Карно, продолжая работу своего отца Лазара Карно, автора весьма авторитетного трактата по теории машин (механических устройств), занимался анализом работы тепловой машины.

При описании механических устройств движение предполагается заданным. На современном языке это соответствует сохранению энергии и импульса. Движение лишь претерпевает превращения и передается другим телам. Но аналогия между механическим устройством и тепловой машиной была естественной для Сади Карно, поскольку он, как и большинство ученых его времени, предполагал, что тепло сохраняется подобно тому, как сохраняется механическая энергия.

Вода, падающая с одного уровня на другой, способна приводить в движение мельничное колесо. Аналогичным образом Сади Карно предположил, что существуют два источника, один из которых отдает тепло системе двигателя, а второй, находящийся при другой температуре, поглощает тепло, отданное первым. Таким образом, работу тепловой машины Сади Карно представил как движение тепла через машину между двумя источниками, находящимися при различных температурах. Иначс говоря, работу, производимую машиной, по Карно, совершает движущая сила огня.

[117] Более подробно см. введение в кн.: Compte A. Philosophie Premiere. — Paris: Herman, 1975; а также «Auguste Compte autotraduit dans 1'encyclopedie». — In: La Traduction. — Paris: Minuit, 1974 и «Nuage».—In: La Distribution.—Paris: Minuit, 1977.

[118] Smith С. Natural Philosophy and Thermodynamics: William Thomson and the Dynamical Theory of Heat. The British Journal for the Philosophy of Science, 1976, v. 9, p. 293—319; Crosland M., Smith C. The Transmission of Physics from France to Britain, 1800— 1840. Historical Studies in the Physical Sciences, 1978. v. 9, p. 1—61.

[119] Излагая последующие вехи открытия закона сохранения энергии, мы придерживаемся работы: Elkana Y. The Discovery of the Conservation of Energy Principle, а также известной статьи Томаса Куна (Kuhn Т. Enerby Conservation as an Example of Simultaneous Discovery), первоначально опубликованной в сборнике Critical Problems in the History of Science и включенной впоследствии в книгу: Kuhn Т. The Essential Tension.—Chicago: University of Chicago Press, 1977.

[120] Элькана подробно проследил медленную кристаллизацию понятия «энергия». См. его книгу: (п. 5) и статью; Elkana Y. Helmholtz's Kraft: An Illustration of Concepts in Flux. Historical Studies in the Physical Sciences, 1970, v. 2, p. 263—298.

[121] Joule J. Matter, Living Force and Heat. — In: The Scientific Papers of James Prescott Joule. Vol. I.—L.: Taylor & Francis, 1884, p. 265—276 (цитата — на с. 273).

[122] Английский перевод двух основополагающих работ Майера «О силах неорганической природы» и «Движения организмов и их связь с метаболизмом» см. в сб.: Energy: Historical Development of a Concept. /Ed. R. B. Lindsay.—Stroudsburg, Pa.: Benchmarks Papers on Energy 1, Dowden, Hutchinson & Ross, 1975. [Русский перевод: Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии.—M.— Л.: ГТТИ, 1933.]

[123] Benton E. Vitalism in the Nineteenth Century Scientific Thought: A Typology and Reassessment. Studies in History and Philosophy of Science, 1974, 5, p. 17—48.

[124] Физических, естественных. — Прим. перев.

[125] Helmholtz H. Uber die Erhaltung der Kraft (1847). [Русский перевод: Гельмгольц Г. О сохранении силы. 2-е изд. -- M. —

[126] Deleuze G. Nietzsche et la philosophic.—Paris: PUF, 1973, pp. 48—55.

[127] В своем исследовании романа Э. Золя «Доктор Паскаль» (Serres M. Feux et signaux de brume.—Paris: Grassel, 1975, p. 109) Мишель Серр писал: «Век, практически успевщий к выходу романа подойти к концу, начинался с величественной незыблемости солнечной системы, а теперь был исполнен тревоги по поводу непрестанной деградации огня. Отсюда острая позитивная дилемма: идеальный цикл без потерь, вечный и позитивно-значный, т. е. космология Солнца, или цикл с потерями, утрачивающий свое тождество, необратимый, преходящий и презренный, т. е. космология, или термогония, огня, обреченного на затухание или исчезновение без какой-либо иной альтернативы. Кое-кто спит и видит Лапласа. Но Карно и другие навсегда разрушили уютную обитель, нишу, где можно было мирно почивать. Кое-кто спит—это несомненно, но тогда культурные архаизмы, вернувшись в другую дверь или даже в ту же самую дверь, едва та успеет закрыться, вновь пробуждаются со всей силой: негасимый огонь, очищающее пламя или огонь зла?»