Часть III. Невозможности III класса.

Вечный двигатель

Каждая теория проходит четыре стадии, прежде чем быть принятой:

1) это бесполезная чепуха;

2) это интересно, но неправильно;

3) это верно, но совершенно не важно;

4) да я всегда так говорил.

Дж. Холдейн (1963)

В классическое романе Айзека Азимова «Сами боги» никому не известный химик случайно наталкивается в 2070 г. на величайшее открытие всех времен — электронный насос, который позволяет даром получать неограниченное количество энергии. Его открытие оказывает на жизнь человечества немедленное и глубокое действие. Автора объявляют величайшим ученым всех времен — ведь он сумел утолить постоянную жажду энергии, которая владеет нашей цивилизацией. «Он стал в глазах всего мира Санта-Клаусом пополам с лампой Аладдина», — писал Азимов. Организованная им компания мгновенно вытесняет с рынка нефть, газ, уголь и ядерную энергетику и вскоре становится одной из богатейших корпораций планеты.

Мир купается в даровой энергии и пьянеет от новообретенного могущества. В общем праздничном гомоне тонет тревожный вопрос одинокого физика, обращенный к самому себе: «Откуда же берется вся эта бесплатная энергия?» Через некоторое время ему удается отыскать ответ и раскрыть тайну. Оказывается, цена бесплатной энергии ужасна. Энергия приходит к нам через дыру в пространстве, которая соединяет нашу Вселенную с параллельной вселенной, и неожиданный приток энергии в нашу Вселенную послужил спусковым механизмом для цепной реакции, которая со временем уничтожит звезды и галактики, обратит Солнце в сверхновую и погубит Землю,

С незапамятных времен священным Граалем всех изобретателей, ученых, а также шарлатанов и мошенников Земли был сказочный «вечный двигатель» — устройство, способное работать бесконечно без всякого расхода энергии. Еще лучше, разумеется, если это устройство способно производить больше энергии, чем потребляет, —как и делает у Азимова электронный насос, производя бесплатную энергию в неограниченных количествах.

В недалеком будущем, когда в нашем индустриализированном мире постепенно закончится дешевая нефть, возникнет настоятельная необходимость отыскать достаточное количество новых источников чистой энергии, Быстрый взлет цен на бензин, падение производства, загрязнение окружающей среды — эти и многие другие факторы подпитывают возродившийся в последнее время активный интерес к энергетике.

Сегодня кое-кто из изобретателей, оседлавших эту волну, снова обещает энергию бесплатно и в неограниченных количествах и предлагает продать свое изобретение сотням миллионов. Десятки инвесторов периодически становятся в очередь, привлеченные сенсационными заголовками финансовых СМИ, которые часто превозносят этих проходимцев и объявляют их новыми Эдисонами.

Идея вечного двигателя чрезвычайно популярна. В одном из эпизодов сериала «Симпсоны» Лайза во время забастовки учителей строит собственный вечный двигатель. Гомер, узнав об этом, строго одергивает ее: «Лайза, слушай сюда... в этом доме все подчиняются законам термодинамики!»

В сюжетах компьютерных игр, таких как Sims, Xenosaga I и II и Ultima IV, а также в мультсериале «Зим Завоеватель» вечному двигателю тоже отведена важная роль.

Но если энергия так ценна, то нельзя ли реально оценить наши шансы на создание вечного двигателя? Действительно ли подобные устройства невозможны или можно предположить, что для их создания потребуется пересмотреть законы физики?

История в зеркале энергии

Любой цивилизации жизненно необходима энергия. Более того, всю историю человечества в принципе можно рассматривать как историю энергетики. На протяжении 99,9% времени существования человечества примитивные сообщества вели кочевую жизнь, с трудом добывая пропитание охотой и собирательством. Жизнь человека была жестокой и короткой. Из энергии ему доступка была одна пятая лошадиной силы — сила его собственных мускулов. Исследование костных останков наших предков говорит о том, что человеку в те времена, чтобы выжить, приходилось выдерживать огромные нагрузки. Средняя ожидаемая продолжительность жизни составляла меньше 20 лет.

Но около 10 000 лет назад, после окончания последнего ледникового периода, люди открыли для себя земледелие и одомашнили животных, в первую очередь лошадь. Постепенно доступная человеку энергия выросла до одной или двух лошадиных сил. Это послужило толчком для первой великой революции в истории человечества. Упряжное животное—лошадь или бык — давало человеку достаточно энергии, чтобы в одиночку вспахать целое поле, проехать за день не один десяток миль, перевезти с места на место несколько сотен фунтов камней или зерна. Впервые в истории у людей появился избыток энергии — а в результате возникли первые города. Избыток энергии означал, что общество уже может прокормить целый класс специалистов: ремесленников, зодчих, строителей и писцов. Расцвели древние цивилизации. В джунглях и пустыне поднялись к небу великие пирамиды, возникли империи. Средняя ожидаемая продолжительность жизни достигла примерно 30 лет.

Около 300 лет назад произошла вторая великая революция в истории человечества — на помощь ему пришел пар. С появлением паровых машин уровень энергии, доступный одному человеку, подскочил до десятков лошадиных сил. Обуздав силу пара и заставив его вертеть колеса, человек теперь мог за несколько дней пересечь целый континент. Машины распахивали огромные поля и перевозили сотни пассажиров на тысячи километров; машины позволили нам построить громадные города из высотных зданий. К 1900 г. ожидаемая продолжительность жизни в Соединенных Штатах почти достигла 50 лет.

Сегодня мы можем наблюдать вокруг третью великую революцию в истории человечества — информационную. Взрывной рост населения, ненасытная жажда электричества и энергии привели к тому, что наша потребность в энергии подскочила до небес, а ее источники близки к истощению. Энергия, доступная отдельному человеку, теперь измеряется тысячами лошадиных сил. Нам кажется естественным, что один-единственный автомобиль может развивать мощность, соответствующую сотням лошадиных сил. Не удивительно, что растущая потребность в энергии подогревает интерес к нетрадиционным и неистощимым ее источникам, включая и вечный двигатель.

Вечный двигатель в истории

Поисками вечного двигателя люди занимались еще в глубокой древности. Первая документально подтвержденная попытка построить это чудо техники имела место в Баварии в VIII в. Изобретенная тогда машина стала на протяжении следующего тысячелетия прототипом для бесчисленных вариантов. Основой конструкции служило колесо с подвешенными на нем небольшими магнитами, напоминающими кабинки на колесе обозрения. Само это колесо помещали над лежащим на полу гораздо более мощным магнитом. Предполагалось, что при вращении колеса каждый магнит будет сначала притягиваться к неподвижному большому магниту, затем отталкиваться от него, заставляя колесо вращаться и создавая таким образом вечное движение.

Еще одна хитроумная схема была изобретена в 1150 г. в Индии. Философ Бхаскара предложил изготовить колесо, которое должно было вращаться вечно. Предполагалось, что подвешенные к ободу дополнительные несбалансированные грузы будут постоянно раскручивать колесо, Опускаясь, груз произведет работу и провернет колесо, а затем вернется на свое место. Бесконечно повторяя этот цикл, утверждал Бхаскара, можно заставить колесо работать неограниченное время.

Баварская схема и схема Бхаскары, как и другие проекты вечного двигателя, во многом схожи; во всех присутствует колесо, способное без приложения энергии совершить один оборот и произвести при этом некую полезную работу. (Тщательное изучение этих хитроумных машин, как правило, показывает, что на самом деле в каждом цикле наблюдается потеря энергии.)

Эпоха Возрождения подстегнула усилия изобретателей и умножила число предложенных проектов. В 1635 г. был выдан первый патент на вечный двигатель. В 1712 г. Иоганн Бесслер, изучив предварительно около 300 схем, предложил собственную модель. (По легенде, его служанка позже разоблачила его машину как хитрое мошенничество.) Вечным двигателем интересовался даже великий художник и ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи. На людях он разоблачал проекты вечного двигателя, сравнивая попытки его создания с поисками философского камня, а тайком рисовал в тетради сложные схемы самодвижущихся машин, таких как центробежный насос и самокрутящийся вертел.

К1775 г. было предложено столько всевозможных вариантов, что Королевская академия наук в Париже постановила «не принимать больше и не рассматривать заявки, имеющие отношение к вечному движению».

Историк Артур Орд-Хьюм, изучающий проекты вечного двигателя, писал о фанатичной преданности изобретателей своей идее, об их невероятном упорстве и сравнил их с древними алхимиками. Но, заметил он, «даже алхимик... понимал, когда надо признать поражение».

Розыгрыши и подделки

Стимулы к изобретению вечного двигателя были настолько сильны, что мошенничество и обман в этом вопросе стали обычным делом. В 1813 г. Чарльз Редхеффер продемонстрировал в Нью-Йорке машину, которая, к изумлению зрителей, производила даровую энергию в неограниченных количествах. (Но Роберт Фултон, тщательно обследовав машину, обнаружил скрытую ременную передачу, при помощи которой машина приводилась в движение. Передача шла на чердак, где спрятанный человек крутил ворот.)

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.

Людвиг Больцман и энтропия

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.