Что такое жизнь с точки зрения физики? Можно ли остановить тепловую смерть вселенной?
Начнём просто с интересных картинок.
Это наша Вселенная. Каждая яркая точка здесь — это целая галактика. Наша с вами галактика Млечный Путь огромна — в поперечнике приблизительно 30 000 парсеков, или 30 килопарсеков. Такое расстояние луч света будет преодолевать 100 тысяч лет. Но на иллюстрации в измерительном отрезочке (он белого цвета) — 2 мегапарсека, то есть 2 миллиона парсеков; этот отрезок примерно в 60 раз больше нашей галактики!
А здесь масштаб уже 31 мегапарсек, то есть измерительный отрезок почти в 1000 раз больше нашей галактики. В таком масштабе видно, что галактики не разбросаны по Вселенной «в случайном порядке», как раскиданные по полу игрушки. Они образуют целые скопления и сверхскопления, которые соединяются между собой «волокнами» из межзвёздного газа. Между «узлами» и «волокнами» можно увидеть гигантские пустоты — астрономы называют их войдами.
А на этой иллюстрации масштаб уже 125 мегапарсеков. Теперь видно, что наша Вселенная представляет собой волокнистую структуру, чем-то напоминающую… ткань живого организма под микроскопом! Сходство просто фантастическое!
Смотрите: слева – клетка головного мозга человека, справа – крупномасштабная структура Вселенной, в которой скопления галактик соединяются нитями из межзвёздного вещества…
Так может, Вселенная – это жизнь?
«Вселенная – это не гигантская машина, а гигантская мысль»
Физик-теоретик Джеймс Джинс
Ну, а теперь давайте отставим эмоции и разберёмся во всём по порядку. Поехали? Сначала давайте вспомним, что такое энергия. Выберем самый простой ответ:
Энергия – это способность тела выполнять работу
Механической работой в физике называется любое перемещение любого предмета под воздействием некоей силы.
Вот в парке гуляет шестиклассница Кошечкина. С обычной точки зрения, она бездельничает. А с научной – совершает работу: прикладывая силы, передвигает саму себя (масса 31 килограмм) на расстояние 300 метров (от входа в парк до центрального фонтана).
Работа может быть и невидимой человеческому глазу: скажем, выполняет работу электрон, движущийся по проводу (и в результате получается электрический ток). Ежесекундно выполняют работу красные кровяные клетки, переносящие кислород внутри нашего организма.Примеров работы можно привести бесконечно много!
Итак, повторим: энергия – это способность тела выполнять работу. Не будет энергии – не будет работы, не будет никакого движения или изменения, никакой жизни.
Почему надо бегать на перемене?
Энергия бывает разной – кинетической и потенциальной.
Кинетическая энергия – это энергия движения. Тут всё понятно – раз тело движется, значит, выполняет работу.
Потенциальная энергия – это энергия как бы спрятанная, «возможная». Когда яблоко висит на ветке, оно не движется (не падает), но на него действует потенциальная энергия – энергия гравитации. Черенок переломится – и Земля притянет яблоко. Яблоко упадёт, совершив работу. Потенциальная энергия «высвободится», превратившись в энергию кинетическую – в энергию движения.
Потенциальная энергия как бы «заперта» внутри предмета. Выполняет какую-то работу висящее яблоко, или баллончик со сжатым газом, или котёл с горячей водой? Нет. Но если потенциальную энергию высвободить, она начнёт работать! Вставим баллончик с газом в пневматический пистолет, нажмём на спуск – произойдёт выстрел. Подсоединим паровой котёл к паровой турбине – и паровая турбина начнёт крутить винты парохода.
А теперь откроем один секрет. Физическим телам «не нравится», когда в них прячется потенциальная энергия. Они стремятся от неё избавиться!
Когда вы долго сидите на одном месте – например, во время урока, вам хочется потянуться, «размяться», побегать не перемене. То есть высвободить скопившуюся энергию! Если человек не будет этого делать, ему будет плохо! Он даже может заболеть. (Вот ещё почему «дистанционное обучение» вредно для детских организмов – не с кем побегать на переменке!)
Вот точно так же и всем физическим телам «хочется» высвободить скопившуюся в них потенциальную энергию.
Впрочем, «пистолету хочется стрелять», а «паровому котлу хочется вертеть винт» как-то несерьёзно звучит. Скажем то же самое на языке физики:
Работа совершается только при снижении уровня потенциальной энергии
Если бы нам не хотелось «потянуться», мы бы и не шевелились. Родился – и лежи себе на спине всю жизнь! Но нам хочется двигаться – высвобождать потенциальную энергию. Поэтому мы вертимся, ползаем, бегаем, играем, рисуем, строим города и запускаем космические корабли. Всё это – работа. И всё это возможно только потому, что снижается уровень потенциальной энергии.
Почему стреляет пневматический пистолет?
Рассмотрим на понятном примере, как связаны работа и снижение уровня потенциальной энергии.
Почему пневматический пистолет стреляет? Потому что на поверхности Земли давление воздуха равно 1 атмосфере. А внутри газового баллончика – целых 50 атмосфер. Нажимая на спуск, мы открываем клапан, газ под давлением 50 атмосфер стремится расшириться – и с силой выталкивает из ствола мешающую ему пулю. Пуля летит, выполняется работа.
Теперь представим себе, что мы решили выстрелить из этого же пистолета под водой, на глубине в полкилометра. Там давление равно как раз тем самым 50 атмосферам (именно поэтому, кстати, без суперпрочного скафандра на такой глубине вас раздавит, как муху). Нажимаем на спуск, открываем клапан – и что? В баллончике 50 атмосфер, снаружи тоже 50 атмосфер… Пуля внутри ствола даже не шелохнётся.
В первом случае происходит понижение уровня потенциальной энергии с отметки «50» до отметки «1». А во втором случае уровню понижаться некуда, вот работа и не происходит.
Второе начало термодинамики
Так называется физический закон, действие которого мы только что описали. Во-первых: чтобы тело могло выполнить работу, обязательно нужны двауровня энергии – высокий и низкий. И во-вторых: состояние тела всегда будет стремиться к более низкому уровню энергии – и никогда наоборот!
То есть, во-первых, камню, лежащему на склоне горы, для того чтобы выполнить работу (скатиться), нужны два уровня, то есть разность высоты. А во-вторых, вверх по склону он ни за что не покатится!
Благодаря второму закону термодинамики падают вниз предметы, текут с гор реки и ручьи, остывает кастрюля с горячим супом, «садятся» батарейки. Уровень их потенциальной энергии понижается!
Из-за второго начала термодинамики вода не потечёт вверх, не нагреется сама по себе кастрюля с борщом, не зарядится сама по себе батарейка. Увеличение потенциальной энергии «само по себе» в нашей Вселенной невозможно. Не бывает так – и точка!
Как появилась Энтропия
В 1824 году французский физик Сади Карно задумался над таким вопрос: а всю ли энергию мы можем превратить в работу?
Ну, например: топливо, сгорая, выделяет тепло, а двигатель превращает это тепло в механическую работу. Но сколько именно теплоты мы можем превратить в полезную работу? Всю?
Ответ оказался отрицательным. Какое бы топливо мы ни использовали, из каких бы материалов ни делали двигатель, как бы ни старались – даже в самом идеальном случае в полезную работу нам удастся преобразовать не больше 35% тепловой энергии!
А куда же денется остальное? Попросту рассеется в пространстве – совершенно бесполезно…
В 1850 году немецкий физик Рудольф Клаузиус дополнил работу Карно и ввёл в науке новое понятие – «энтропия». Так он назвал ту самую бесполезную часть энергии, рассеивающуюся в пространстве.
Каждый раз, чтобы заварить чашку чая или какао, приходится кипятить целый чайник воды. Часть воды используется, а всё остальное остывает. Всякий раз, когда мы что-то делаем, помимо полезной энергии, совершающей работу, выделяется целая куча бесполезной энергии! Причём неумолимые математические формулы показывают: внутри замкнутой системы (скажем, нашей Вселенной) количество энтропии постоянно увеличивается, в то время как количество энергии остаётся неизменным…
Выяснив это, Клаузиус пришёл к очень грустному выводу: в будущем весь наш мир ожидает «тепловая смерть».
Вся существующая энергия рано или поздно будет «размазана» по Вселенной, как крохотный кусочек масла по огромному бутерброду – причём на том самом «одном уровне», из которого извлечь работу ни при каких обстоятельствах не выйдет! Прекратится всякая жизнь, любое движение, вся Вселенная окажется тёмной, мёртвой, скованной лютым холодом – безо всякой надежды на возрождение. Жутковатая картина, правда?
Откуда пришло спасение
Когда люди узнали об этом, они были потрясены. Ещё бы, «наука доказала, что мир обречён!» Раньше люди верили в Бога (или в разных богов), верили в бессмертие (в бессмертие души, например), верили в то, что жизнь бесконечна. И вот – эта вера рухнула! Во всяком случае, серьёзно пошатнулась…
В конце XIX века вошло в моду движение «декадентов» (от французского слова «décadence» – «падение», «разложение»). Декаденты считали, что, раз мир «заканчивается», то незачем думать о будущем, соблюдать приличия, стараться сделать жизнь лучше. В «декаденты» записывались поэты и писатели, философы и художники. Обычные люди тоже стали подражать декадентам. Возникла мода на мрачность и цинизм, «мода на смерть», мода на вызывающее и даже бесстыдное поведение…
Смысл этого явления великий русский писатель Ф.М. Достоевский выразил одной ёмкой фразой: «Если Бога нет – всё дозволено».
Это значит – если у человека нет смысла жизни, нет веры в то, что жизнь будет продолжаться всегда, человек теряется, раскисает и может совершить любую глупость или преступление.
Так что же, всё пропало?
Наберитесь терпения и читайте дальше.
Что такое тепло?
Еще до Клаузиуса идею о существовании «бесполезной потери теплоты» высказал французский физик и математик Сади Карно. Однако сами его представления о природе тепла были очень далеки от истины. Сади Карно представлял тепло как невидимую и невесомую жидкость – «теплород», – перетекающую от одного тела к другому. Рудольф Клаузиус стал одним из основоположников современной теории тепла – молекулярно-кинетической. В ней полностью отвергался теплород, а возникновение тепла объяснялось быстрым или медленным движением мельчайших частиц вещества, то есть молекул.молекула невообразимо мала и обладает крохотной массой. Тем не менее, как любое движущееся тело, она обладает кинетической энергией – помните, мы говорили об этом в самом начале?
Сталкиваясь в беспрестанном хаотическом движении с другими молекулами, наша молекула выполняет механическую работу – и именно эту работу мы уже воспринимаем в качестве температуры тела. Если молекулы движутся быстро – то температура выше, если молекулы движутся медленно – то температура ниже. Случай, когда молекулы вещества «остановятся совсем», физики назвали «абсолютным нулём». Это самая низкая температура, которая может существовать в нашей вселенной, и равняется она минус 273 градусам.
Чтобы понять, надо измерить
Но вот в чём дело. Молекул вещества очень много – не миллионы, не миллиарды, не триллионы – их триллионы триллионов даже в объёме чайной ложки! В стакане воды в секстиллион раз больше молекул, чем звёзд во всей нашей Галактике! Могут ли все они двигаться с одинаковой скоростью?
Нет, конечно же, не могут. Скорости и направления движения у всех молекул разные – а температура вещества определяется только «в среднем». Формулы для таких расчётов изучает особая наука – статистическая физика.
Почему эта наука особенная? Потому что математически описывает величины, связанные и не связанные между собой одновременно!
Бывает так, что связь существует только на очень большом, макроскопическом уровне. А на обыкновенном (то есть микроскопическом) – нет. Приведём простой пример.
В 1980 году в Москве проходили летние Олимпийские игры, а на торжественных церемониях открытия и закрытия зрители с восхищением наблюдали за огромными «живыми картинами» на центральной трибуне стадиона в Лужниках. Это был как бы экран размером 67х67 пикселей, только «пикселями» были люди – 4 с половиной тысячи человек. По сигналу режиссёра они поднимали разноцветные флажки.
Сможем ли мы, взяв отдельного человека из этой массовки, точно сказать – какая картинка показывается на трибуне в данный момент? Вот, скажем, волонтёр Петров поднял синий флажок. Какую он показывает картинку? Неизвестно. С другой стороны, глядя на общую картинку с олимпийским медвежонком Мишей, сможем мы точно сказать, какой флажок сейчас поднял волонтёр Петров? Тоже нет!
То же самое можно сказать о тепловых процессах. Мы можем взять стакан воды (макроскопический уровень) и измерить градусником его температуру – запросто! Но можем ли мы точно сказать, с какой скоростью движутся молекулы воды (микроскопический уровень) внутри этого стакана? Нет.
А если мы проследим за какой-то одной молекулой и измерим её скорость – сможем ли сказать, какая температура воды в нашем стакане? Опять нет. Вот и получается, что величины между собой связаны (температура зависит от скорости движения молекул), но… не связаны.
Что придумал Максвелл
Далеко не всем в середине XIX века были понятны революционные для того времени идеи о движении молекул. Горячим сторонником молекулярно-кинетической теории тепла был английский физик Джеймс Максвелл. Для того, чтобы интересно и образно проиллюстрировать студентам связь между теплом и движением молекул, Максвелл придумал вот какой красивый и любопытный пример.
Предположим, что у нас есть сосуд с газом одинаковой температуры. Этот газ состоит из огромнейшего числа молекул, которые движутся (в точности по формулам статистической физики!) с разными скоростями и в разных направлениях. Разделим этот сосуд напополам перегородкой, а в перегородке сделаем маленькую дверцу, возле которой посадим маленького, но разумного, очень юркого и наблюдательного демона.
Отдадим демону вот какой приказ: в правую половину сосуда пропускать только те молекулы газа, которые движутся быстро, а в левую – только те молекулы, которые движутся медленно. В результате работы «демона Максвелла» в правой половине соберутся только более быстрые молекулы, а в левой – более медленные; тогда в правой половине сосуда (снова в точности по формулам статистической физики!) температура «сама по себе» станет выше, а в левой – напротив, ниже. Правая половина нагреется, левая охладится…
Стоп-стоп-стоп! Как это температура сама по себе станет выше? Мы же в начале статьи говорили про второе начало термодинамики – ничто в мире не способно нагреваться само по себе?
Совершенно верно. Но разве в этом примере вода нагревается сама по себе? Её же демон Максвелла нагревает!
Если бы «демон Максвелла» на самом деле существовал и умел ловить и сортировать молекулы, он вполне смог бы поднять температуру в правой половине сосуда, не нарушив второе начало термодинамики. Вопрос лишь в том, может ли существовать такой демон!
Мы живём в XXI веке, вокруг всё больше и больше нанотехнологий, так что почему бы и не предположить, что в одной из лабораторий будет создан такой вот крохотный робот-демон, сортирующий молекулы?
Однако самое интересное здесь в другом. Дело в том, что… такой «демон» уже есть.
Как? Кто это?
Как остановить энтропию
Смотрите: сосуд с водой из примера Максвелла – это что? Замкнутая система!
Так вот, дело в том, что, поднимая температуру в одной половине сосуда и опуская в другой, разумный демон понижает его энтропию!
Значит, может быть такое, чтобы энтропия не росла, а снижалась? Значит, «тепловую смерть Вселенной» можно как минимум отсрочить, а то и вовсе перенести в неопределённо далёкое будущее?
Вопрос получается просто безумно интересный.
Одни исследователи совершенно справедливо указывали на то, что воображаемый «демон» не может сидеть возле дверцы и сортировать молекулы «просто так». Ведь ему для работы тоже нужна – что? – правильно, энергия! А она не берётся из ниоткуда – демона придётся «кормить» энергией. Без этого «демон» попросту выдохнется и погибнет – то есть за снижение энтропии в сосуде с газом расплатится необратимым повышением собственной энтропии (проще говоря, смертью).
Другие исследователи не менее справедливо возражали: главный секрет нашего демона заключается именно в том, что он живой. Живые организмы (в отличие от неживых физических тел) умеют продолжать сами себя в следующих поколениях, у них есть потомство! А это значит – другие демоны принесут нашему демону «обед»! И на место погибшего демона встанет другой – а энтропия газа в сосуде будет понижаться!
Жизнь – вот что способно противостоять энтропии!
Жизнь с точки зрения физики
Немецкий физик Эрвин Шрёдингер, внимательнейшим образом изучив этот вопрос, пришёл вот к какому выводу.
Рассуждения о незыблемости второго начала термодинамики и неизбежной «тепловой смерти Вселенной» не учитывают такое удивительное явление, как жизнь вообще, и разумная жизнь в частности.
Шрёдингер написал книгу, которая так и называется – «Что такое жизнь с точки зрения физики?». И в ней дал весьма примечательное определение: «Жизнь – это работа специальным образом организованной системы по понижению собственной энтропии за счёт повышения энтропии окружающей среды».
Получается, что живые организмы – даже примитивные, микроскопические! – способны «перераспределять» энтропию, предотвращать всеобщую деградацию, повышать сложность систем, перенаправлять потоки энергии.
Этой неожиданной теории существуют подтверждения – например, в геологии.
На сегодняшний день геологам известно около 5000 различных минералов (горных пород). Однако далеко не все горные породы, присутствующие на Земле, есть на безжизненных небесных телах – скажем, на Луне! Там нет и не может быть ни мела, ни мрамора, ни известняка, ни каменного угля… Почему?
Потому что эти минералы образовались из отложений живых организмов!
Если бы на Земле не существовало жизни, на ней смогло бы образоваться около 500 разных горных пород. Это означает, что 90% горных пород (!) на нашей планете возникли исключительно благодаря такому удивительному явлению, как жизнь!
Получается, жизнь действительно может многократно повышать сложность «системы в целом», уменьшая тем самым её энтропию, повышая «энергетический потенциал»!
Живая вселенная?
Одна из самых удивительных и спорных научных теорий на сегодняшний день – это теория о существовании «вселенского разума». У неё есть очень много сторонников – но и очень много противников.
Сторонники говорят, что наш мир, состоящий из огромнейшего количества взаимосвязанных между собой элементов – скажем, соединённых взаимным гравитационным притяжением звёзд или галактик – рано или поздно, подобно гигантскому мозгу, был должен обрести некую форму сознания – или хотя бы какое-то его подобие.
Это не значит, что вселенная разумна в человеческом понимании – в конце концов мы и сами ещё толком не понимаем, что же такое «разумность» или «сознание». Однако такой вот «супермозг» вселенского масштаба, должен рано или поздно осознать свою смертность – неизбежный конец из-за той самой энтропии и «тепловой смерти». А значит, у него обязательно должна была возникнуть мысль о том, как этому противостоять.
То есть – мысль о создании жизни.
То есть «мировой разум» вселенной специально создал жизнь как необходимый инструмент для защиты от энтропии…
Это больше похоже на фантастику? Конечно. Но всякое научное объяснение начинается с гипотезы, а гипотеза – это и есть фантастика, то есть предположение!
Когда учёные говорят о малоизученных и непростых вещах, они вынуждены «заступать» в область фантазии и воображения.
Почему структура нашей вселенной очень напоминает структуру нервной клетки? Что это, случайное совпадение? Или нет? Помните картинки в начале статьи? В конце концов, это просто очень красиво. А вы ведь помните, что сказал великий русский писатель и мыслитель Фёдор Михайлович Достоевский? «Мир спасёт красота».
"Когда ты родился, ты плакал, а мир улыбался. Так проживи жизнь так, чтобы умирая, ты улыбался, а мир плакал… Тупак Шакур"