Энтропия: предел использованию энергии

Не так давно многие авторы описывали накопление отработанного тепла и хаос как то, к чему ведёт человеческая деятельность. В книге "Годы бедности – политика в век скудных ресурсов", Ричард Барнет пишет:

В этом есть ирония, что повторное открытие границ совпадает с двумя самыми дерзкими технологическими подвигами в человеческой истории. Один из них – генетическая инженерия, неожиданный проблеск способности изменять форму самого вещества жизни. Другой – выход в космос. Эти прорывы подтолкнули фантазии на тему возможностей, но они не сломали экологическую смирительную рубашку, известную как второй закон термодинамики: большее потребление энергии производит большее количество тепла, которое никогда не исчезает, а должно считаться необратимыми затратами энергии. Так как накопление тепла может вызвать экологическую катастрофу, эти издержки ограничивают продвижение человека в космосе, равно как и на земле."

Джереми Ривкин (с Тедом Ховардом) написали целую книгу по организациям термодинамики и будущего человечества, озаглавленную "Энтропия: новый взгляд на мир".

Энтропия – стандартная научная мера расхода тепла и беспорядка. Везде, где деятельность потребляет полезную энергию, она производит энтропию; энтропия мира следовательно увеличивается постоянно и необратимо. В конце концов рассеяние полезной энергии разрушит основу жизни. Как сказал Ривкин, эта идея может казаться слишком угнетающей, чтобы о ней думать, но он доказывает, что мы должны встретить лицом к лицу ужасные факты относительно энтропии, человечества и Земли. Но так ли ужасны эти факты?

Барнет пишет, что аккумулирующееся тепло – необратимый расход энергии, ограничивающий человеческое действие. Ривкин утверждает, что "загрязнение – это суммарный итог всей доступной энергии в мире, которая превращена в недоступную энергию." Эта недоступная энергия – главным образом низкотемпературный расход тепла, что-то вроде того, который заставляет нагреваться телевизор. Но действительно ли тепло аккумулируется, как этого боится Барнет? Если так, тогда Земля должна становиться всё более горячей, минута за минутой, год за годом. Мы сейчас должны изжариться, если бы наши предки не были заморожены. Однако каким-то образом материки умудряются сохраняться холодными ночью и ещё более холодными в течение зимы. Во время ледникового периода, охладилась вся Земля.

Ривкин делает другой ход. Он заявляет, что "фиксированный запас земной материи, который составляет земную кору, постоянно рассеивается. Горы разрушаются и верхний слой почвы выдувается с каждой проходящей секундой." Но под «выдуванием» Ривкин не имеет в виду выдувание в космос или выдувание в небытие; он просто имеет в виду, что атомы гор смешиваются вместе с другими. Однако этот процесс, он доказывает, означает нашу обречённость. Смешивающиеся атомы делают их "недоступной материей", как следствие "четвёртого закона термодинамики", предложенным экономистом Николасом Джорджску-Роугеном: "В закрытой системе, материальная энтропия должна в конце концов достичь максимума", или, что то же самое: "недоступная материя не может быть утилизирована". Ривкин провозглашает, что Земля – закрытая система, обменивающаяся энергией, но не материей с её окружением, и следовательно "здесь на земле материальная энтропия постоянно увеличивается и должна в конце концов достичь максимума", заставляя земную жизнь захиреть и погибнуть.

Действительно страшная ситуация – Земля дегенерировала в течение миллиардов лет. Конечно же, конец должен быть близко!

Но может ли это действительно быть правдой? По мере того, как жизнь развивалась, она вносила больше порядка на Землю, а не меньше; формирование залежей руды делало то же самое. Идея, что Земля дегенерировала, кажется в лучшем случае странной (но тогда Ривкин думает, что эволюция исчезла). Кроме того поскольку материя и энергия по сути одно и то же, как может реально действующий закон выделить что-то, называемое "материальной энтропией" на первое место?

Ривкин предлагает распространение духов из бутылки в воздух в комнате как пример "рассеивающейся материи", возрастания материальной энтропии, того, что материя становится «недоступной». Распространение соли в воде в бутылке будет служить таким же хорошим примером. Далее рассмотрите испытание "четвёртого закона термодинамики" в эксперименте с солёной водой в бутылке:

Представьте бутылку, имеющую дно с перегородкой, разделяющей его на две чашечки. В одной находится соль, в другой – вода. Горлышко бутылки заткнуто пробкой: она закрывает систему и делает так называемый четвёртый закон термодинамики применимым. Содержимое бутылки находится в организованном состояние: их материальная энтропия не находится в максимуме, пока.

Теперь возьмите бутылку и потрясите её. Слейте воду в соседнее отделение, покрутите её, растворите соль – энтропия увеличилась жутко! В такой закрытой системе "четвёртый закон термодинамики" говорит, что это увеличение материальной энтропии должно быть перманентным. Все страхи Ривкина относительно устойчивого, неизбежного увеличения энтропии Земли основываются на этом принципе.

Посмотреть, есть ли какое-нибудь основание для нового взгляда на мир Ривкина, возьмём бутылку и наклоним её, перелив солёную воду в одно из отделений на дне. Это не должно иметь никакого значения, так как система остаётся закрытой. Теперь установим бутылку вертикально, располагая солёную воду на солнечном свете, а пустую сторону – в тени. Свет входит внутрь и тепло вытекает, но система остаётся такой же закрытой, как сама Земля. Но посмотрите – лучи солнца испаряют воду, которая конденсируется на теневой стороне! Свежая вода медленно заполняет пустое отделение, оставляя за собой соль.

Сам Ривкин утверждает, что "в науке только одно не подходящее под закон исключение достаточно, чтобы доказать ложность закона" Этот мысленный эксперимент, который подражает тому, как образовались естественные залежи соли на Земле, доказывает ложность закона, на котором он основал всю свою книгу. Это же делают растения. Солнечный свет приносит энергию из космоса; тепло, излучаемое обратно в пространство уносит энтропию (которой существует только один вид). Следовательно, энтропия может уменьшаться в замкнутой системе и цветы могут цвести на Земле век за веком.

Ривкин прав, говоря что "возможно обратить энтропийный процесс в отдельно взятом месте и времени, но только использовав энергию в этом процессе и таким образом увеличивая общую энтропию окружающей среды." Но и Ривкин, и Барнет делают ту же самую ошибку: когда они пишут об окружающей среде, они подразумевают Землю – но закон применяется к окружающей среде как целому, а это целое – это вселенная. В результате Ривкин и Барнет игнорируют и свет Солнца и холодную сторону ночного неба.

По Ривкину, его идея разрушает понятие истории как прогресса, преступая пределы современного мировоззрения. Он требует жертвы, утверждая, что "ни одна нация третьего мира не должна питать надежд, что она когда-нибудь сможет достичь материального изобилия, которое существует в Америке." Он боится паники и кровопролития. Ривкин заканчивает, информируя нас, что "закон энтропии отвечает на центральный вопрос, с которым сталкивалась каждая культура на протяжении истории: как должен себя вести в мире человек?" Его ответ? "Последний моральный императив, следовательно, расходовать как можно меньше энергии."

Это бы по-видимому значило, что мы должны сберегать как можно больше энергии, пытаясь исключить её излишнюю трату. Но что есть величайший близкий к нам расточитель энергии? Ну, конечно же Солнце – оно расточает энергию в триллионы раз быстрее, чем это делают люди. Следовательно, если принимать его серьёзно, по-видимому, главный моральный императив Ривкина призывает: "Уберите Солнце!"

Это глупое следствие должно было бы опровергнуть Ривкина. Он и многие другие сохраняют взгляды, которые попахивают докоперниковским невежеством: они предполагают, что Земля – это весь мир, и что то, что делают люди – обязательно космической важности.

Конечно существует настоящий закон энтропии: второй закон термодинамики. В отличие от поддельного "четвёртого закона", он описан в учебниках и используется инженерами. Он действительно будет ограничивать то, что мы будем делать. Человеческая деятельность выделяет тепло, и ограниченная способность Земли излучать тепло будет устанавливать жесткую границу количеству промышленной активности, основанной на Земле. Подобным образом, мы будем, подобно плоскостям крыла самолёта, излучать отработанное тепло из наших звёздных кораблей. В конце концов, но это произойдёт в конце огромного промежутка времени, закон энтропии вызовет гибель вселенной, как мы её знаем, ограничивая продолжительность жизни и саму жизнь.

Почему я так набросился на суть энтропии Ривкина? Просто потому что сегодняшние информационные системы представляют мёртворождённые идеи как если бы они были живыми. Поощряя эти фальшивые надежды, ложные страхи и ошибочные действия, эти идеи могут растратить попусту усилия людей, которые активно озабочены долгосрочными мировыми проблемами.

Среди тех, кто восхваляется на обложке книги Ривкина ("вдохновенная работа", "блестящая работа", "переворачивающая мир", "нужно выучить наизусть") – профессор Принсетона, ведущий ток-шоу, и два сенатора США. Семинар в MIT ("Земля, какой ей быть – мировоззрение для устойчивого будущего") отвёл важное место книге Ривкина.

Все устроители семинара были из нетехнических отделений. Меньшая часть сенаторов в нашем технологическом обществе не образованы в технологии, также как и профессора и ведущие ток-шоу. Сам Джоржеску-Роуген, изобретатель "четвёртого закона термодинамики" имеет широкие заслуги – как учёный по общественным наукам.

Энтропийная угроза – пример явного абсурда, однако её изобретатели и люди, её распространяющие, не изгоняются со смехом с общественной трибуны. Вообразите тысячу, миллион подобных искажений – которые тонкие, некоторые бесстыдные, но все искажающие понимание мира обществом. Теперь представьте группу демократических наций, страдающих от заражения такими мимами, пытаясь иметь дело с эрой ускоряющейся технологической революции. Мы имеем реальную проблему. Чтобы сделать наше выживание более вероятным. Нам нужны лучшие способы, чтобы пропалывать свои мимы, чтобы дать место здоровому пониманию роста. В главе 13 и 14 я расскажу о двух предложениях, как это мы могли бы сделать.

Пределы ресурсов

Естественные законы ограничивают качество технологии, но в пределах этих границ мы будем использовать воспроизводящиеся ассемблеры, чтобы делать более совершенные космические корабли. С помощью них мы откроем космос в ширину и глубину.

Сегодня земля начала казаться маленькой, порождая опасения, что мы можем истощить её ресурсы. Однако энергия, которую мы использованием, равняется меньше, чем 1/10 000 солнечной энергии, падающей на Землю; мы беспокоимся не об обеспечении энергией как таковой, а о поставке газа и нефти подходящего качества. Наши шахты просто изрыли поверхность земного шара; мы заботимся не о самом количестве ресурсов, а о их пригодности и стоимости. Когда мы разработаем не создающие загрязнения наномашины для сбора солнечной энергии и ресурсов, Земля станет способной поддерживать цивилизацию, намного большую и более богатую, чем когда-либо кто-либо видел до этого, однако причиняя меньше вреда, чем мы делаем сегодня. Потенциал Земли делает ресурсы, которые мы сейчас используем, в сравнении кажущимися незначительными.

Однако Земля – не более чем маленькое пятнышко. Осколки астероидов, оставшиеся со времён образования планет, обеспечат достаточно материалов, чтобы построить тысячу раз площадь земной поверхности. Солнце заливает Солнечную систему в миллиард раз большей энергией, чем доходит до Земли. Ресурсы Солнечной системы действительно обширны, делая ресурсы Земли кажущимися незначительными в сравнении.

Однако солнечная система – не более, чем маленькое пятнышко. Звёзды, которых толпы на ночном небе, – это солнца, и человеческий глаз может видеть только ближайшие. Наша галактика содержит сотни миллиардов солнц, и многие, вне сомнения, изливают свой свет на мёртвые планеты и астероиды, ожидающие прикосновения жизни. Ресурсы галактики делают даже нашу солнечную систему кажущейся незначительной в сравнении.

Однако наша галактика – не более чем пятнышко. Свет, возраст которого старше, чем человеческий род, показывает галактики вне нашей. Видимая вселенная содержит сотни миллиардов галактик, и каждая – рой из миллиардов солнц. Ресурсы видимой вселенной делают даже нашу галактику кажущейся незначительной в сравнении.

На этом мы достигаем границ знания, если не ресурсов. Солнечная система кажется ответом достаточным для земных пределов – и если остальная часть вселенной останется невостребованной другими, то наши шансы на экспансию готовы перепугать разум несколько раз подряд. Значит ли это, что воспроизводящиеся ассемблеры и дешёвые космические корабли положат конец нашему беспокойству о ресурсах?

В каком-то смысле открытие космоса взорвёт наши пределы росту, так как мы не знаем конца вселенной. Тем не менее Мальтус был по сути прав.

Мальтус

В своём "Сочинении об законе народонаселения" 1798 года Томас Роберт Мальтус, как английский священник, представил предшественника всех современных аргументов на тему пределов росту. Он заметил, что свободно растущее население имеет тенденцию удваиваться периодически, таким образом увеличиваясь экспоненциально. В этом есть смысл: поскольку все организмы происходят от удачных репликаторов, они имеют тенденцию размножаться, когда у них есть возможность. В целях доказательства Мальтус предположил, что ресурсы – обеспечение пищей – могли бы увеличиваться как фиксированное количество за год (процесс, называемый линейным ростом, так как его точки выстроены в линию на графике). Поскольку математика показывает, что любая фиксированная скорость экспоненциального роста в конце концов обгонит любую фиксированную скорость линейного роста, Мальтус утверждал, что рост населения, если не контролируется, в конце концов обогнал бы производство пищи.

С тех пор авторы повторяли не раз вариации этой идеи, в книге, такой как "Бомба народонаселения и голод", 1975(!) год, однако производство пищи шло в ногу с населением. Вне Африки оно даже вырвалось вперёд. Ошибался ли Мальтус?

По сути – нет: он был не прав главным образом насчёт времени и деталей. Рост на Земле встречает пределы, так как Земля имеет ограниченное место, будь то для возделывания, или чего-то ещё. Мальтус не мог предсказать, когда пределы схватят нас за горло главным образом потому, что он не мог ожидать прорывов в сельскохозяйственном оборудовании, сельскохозяйственной генетике и удобрениях.

Некоторые люди сейчас замечают, что экспоненциальный рост обгонит фиксированные запасы ресурсов Земли, т. е. более простой аргумент, чем предлагал Мальтус. Хотя космическая технология эту границу перейдёт, она не перейдёт все границы. Даже если вселенная была бы бесконечно большой, мы бы всё равно не могли бы передвигаться бесконечно быстро. Закон природы ограничит скорость роста: земная жизнь будет распространяться не быстрее, чем свет.

Устойчивое расширение будет открывать новые ресурсы со скоростью, которая будет увеличиваться по мере того, как границы уходят в глубь и ширь космоса. Результатом этого будет не линейный рост, а кубический. Однако по сути Мальтус был прав: экспоненциальный рос обгонит кубический рост также легко как линейный. Вычисления показывают, что неконтролируемый рост населения, будь то с долгой жизнь или без, обогнал бы доступные ресурсы примерно за одну или две тысячи лет максимум. Неограниченный экспоненциальный рост остаётся фантазией, даже в космосе.