Физика невозможного - Мичио Каку

Ученым и инженерам тоже случалось становиться жертвой всеобщего энтузиазма. В 1870 г. редакторы журнала Scientific American тоже были обмануты вечным двигателем, который построил некий Э. Уиллис. Журнал поместил статью под сенсационным заголовком «Величайшее открытие в истории человечества». Только позже удалось обнаружить, что у машины Уиллиса тоже был скрытый источник энергии.

В 1872 г. некий Джон Эрнст Уоррел Келли провернул самую сенсационную и самую выгодную аферу своего времени; он обобрал инвесторов на 5 млн долл. — громадную по тем временам сумму. Его вечный двигатель состоял из камертонов, которые резонировали и, по утверждению автора, поддерживали связь с «эфиром». Оттуда машина и черпала будто бы свою энергию. Келли не имел никакого научного опыта; обыкновенно он приглашал потенциальных инвесторов к себе домой и поражал их своим гидропневмовакуумно-пульсационным двигателем, который при этом жужжал и крутился без всяких внешних источников энергии. Инвесторы, изумленные видом самодвижущейся машины, спешили пополнить своими деньгами казну изобретателя.

Позже кое-кто из разочарованных инвесторов обвинял Келли в мошенничестве; он даже провел некоторое время в тюрьме, что не помешало ему умереть богатым человеком. После смерти изобретателя инвесторы открыли хитроумный секрет его машины. Когда дом Келли разобрали по кирпичику, в стенах и полах обнаружились трубы, при помощи которых к машине из подвала тайком подавался сжатый воздух.

Даже ВМФ и президент США пали однажды жертвой подобного обмана. В 1881 г. Джон Гэмджи изобрел машину на жидком аммиаке. Испарение холодного аммиака должно было вызывать расширение газов и движение поршня, а значит, и работу машины за счет — ни много ни мало — тепла земных океанов. Военных моряков так захватила идея добывать неограниченное количество энергии прямо из океана, что они одобрили конструкцию машины и показали образец президенту Джеймсу Гарфилду. Единственная проблема состояла в том, что аммиак не хотел должным образом конденсироваться и превращаться обратно в жидкость — поэтому цикл никак не удавалось замкнуть.

Бюро патентов и торговых марок США, всегда получавшее очень много проектов вечного двигателя, отказалось выдавать патенты, пока не будет представлена действующая модель машины. Иногда — в очень редких случаях, когда эксперты не в состоянии обнаружить в представленной машине никаких дефектов, — патент все-таки выдается. В правилах Бюро сказано: «За исключением тех случаев, когда речь идет о вечном движении, Бюро не требует обязательного представления модели для демонстрации работоспособности устройства». (Недобросовестные изобретатели иногда пользуются этой лазейкой, чтобы показать наивным инвесторам, что Патентное бюро официально признает вечные двигатели; в этом случае инвесторы охотнее финансируют подобные изобретения.)

Тем не менее с научной точки зрения поиски вечного движения не были совсем уж бесплодными. Напротив, хотя ни одному изобретателю не удалось представить миру вечный двигатель, неустанная погоня за этим сказочным устройством — трудно представить, сколько времени и энергии было на это потрачено, — помогла физикам тщательно изучить природу тепловых двигателей. (Точно так же, как бесплодные поиски философского камня, способного превращать свинец в золото, помогли открыть некоторые фундаментальные законы химии.)

К примеру, в 1760-х гг. Джон Кокс изобрел часы, которые на самом деле способны работать вечно, получая энергию от изменений атмосферного давления. Эти изменения улавливает барометр, который затем передают энергию на вращение часовых стрелок. Эти часы вполне работоспособны; такие модели существуют и сегодня. Они могут идти вечно, так как получают энергию извне в форме изменений атмосферного давления.

Вечные двигатели, подобные часам Кокса, со временем привели ученых к мысли о том, что машина—любая машина — может работать вечно только в том случае, если получает энергию извне; а это означит, что суммарная энергия сохраняется. Из этой теории берет начало первый закон термодинамики; он состоит в том, что совокупность вещества и энергии невозможно ни создать, ни уничтожить. Позже были установлены три закона термодинамики. Второй закон утверждает, что суммарная энтропия (количество беспорядка) всегда возрастает. (Грубо говоря, этот закон говорит, что тепло может спонтанно передаваться только от более горячих объектов к более холодным.) Третий закон утверждает, что достичь абсолютного нуля невозможно.

Если сравнить Вселенную с игрой, а целью игры объявить извлечение энергии, то три закона термодинамики можно сформулировать следующим образом:

«Невозможно получить что-то из ничего» (первый закон).

«Невозможно поделить поровну» (второй закон).

«Невозможно выйти из игры» (третий закон).

(Физики очень осторожны; они заявляют, что эти законы не обязательно абсолютно верны при любых обстоятельствах. Тем не менее никаких отклонений от них до сих пор не обнаружено. Любому, кто захочет опровергнуть эти законы, придется выступить против нескольких веков тщательных научных наблюдений и экспериментов. Мы еще обсудим возможные отклонения от этих законов.)

Три закона термодинамики, как и многие высшие достижения науки XIX в., отмечены не только триумфом побед, но и человеческой трагедией. Великий немецкий физик Людвиг Больцман, сыгравший значительную роль в формулировании этих законов, покончил с собой — отчасти из-за противоречий, возникших в связи с их появлением.

Больцман был невысоким здоровяком с бочкообразной грудью и громадной спутанной бородой. Однако за внушительной и даже пугающей внешностью скрывалась ранимая душа; а ран, защищая научные идеи, ему приходилось получать много. Хотя к XIX в. принципы ньютоновской физики уже прочно утвердились в науке, Больцман понимал, что никто еще не пытался применить известные законы к противоречивой концепции атомного строения вещества — концепции, которую тогда принимали далеко не все ведущие ученые. (Мы иногда забываем, что всего сто лет назад многие ученые упрямо верили, что атом вовсе не реальный объект, а всего лишь хитроумная уловка. Атомы настолько малы, утверждали они, что, скорее всего, их вовсе не существует.)

Ньютон показал, что движение любых объектов определяют механические силы, а не духи и не желания людей. Больцман воспользовался этим и элегантно вывел многие законы для газов при помощи простого предположения: он считал, что газы состоят из крошечных атомов, которые движутся подобно бильярдным шарам и подчиняются ньютоновым законам сил. Для Больцмана комната, наполненная газом, была подобна коробке с триллионами крошечных стальных шариков, каждый из которых отскакивал от стенок коробки и от других шариков согласно ньютоновым законам движения. Больцман (и независимо от него Джеймс Клерк Максвелл) сделал величайший научный прорыв, когда математически показал, как из этого простого предположения можно вывести поразительные новые законы. Тем самым он положил начало новому направлению в физике — статистической механике.

Внезапно оказалось, что при помощи нескольких базовых принципов можно объяснить многие свойства вещества. Поскольку законы Ньютона требовали, чтобы энергия сохранялась даже в приложении к атомам, каждое столкновение между атомами должно было проходить с сохранением общей энергии; это, в свою очередь, означало, что для газа в комнате, со всеми все его триллионами атомов, энергия также сохранялась. Получалось, что закон сохранения энергии теперь можно не только получить экспериментальным путем, но и теоретически вывести из базовых принципов а именно из ньютоновского движения атомов.

Но в XIX в. само существование атомов все еще было под сомнением; даже видные ученые (к примеру, философ Эрнст Мах) не считали зазорным оспаривать и нередко даже высмеивать теорию атомного строения вещества. Больцман, человек ранимый и склонный к депрессии, вдруг обнаружил себя этаким общим громоотводом, главной мишенью для атак, нередко очень злых, всех противников атомной теории. Для них все, что нельзя измерить, — в том числе и атомы — просто не существовало. К унижению Больцмана добавлялось еще и то, что редактор видного немецкого физического журнала отвергал многие его статьи; редактор этот настаивал, что атомы и молекулы представляют собой скорее чрезвычайно удобный теоретический инструмент, чем реальные существующие в природе объекты.

Не выдержав всех этих нападок, в том числе и сугубо личных, в 1906 г. Больцман повесился, выбрав время, когда его жена с ребенком были на море. Очень печально, что этот выдающийся человек так и не понял, что год назад дерзкий молодой физик по имени Альберт Эйнштейн совершил невозможное: он написал первую статью, наглядно доказывающую существование атомов.