Физика и жизнь. Законы природы: от кухни до космоса - Элен Черски

Вывод из вышесказанного заключается в том, что управление позицией равновесия позволяет решать очень многие задачи в нашем мире. Вещи, предоставленные сами себе, меняются до тех пор, пока в них все не сбалансируется, а достигнув этого состояния, остаются в нем до тех пор, пока те или иные внешние силы не выведут их из него. Иными словами, целенаправленное изменение состояния равновесия – путь к успеху. То есть, имея возможность менять правила в ходе игры, вы сможете изменять ход тех или иных процессов в нужном для вас направлении и запускать их именно тогда, когда считаете нужным.

Представление о том, что физический мир всегда будет двигаться в направлении равновесия – то есть горячая и холодная жидкости будут смешиваться, пока не достигнут единой температуры, или воздушный шарик будет расширяться, пока давление внутри него и снаружи не станет одинаковым[43], – связано с убеждением, что время течет только в строго определенном направлении. Мир не может двигаться вспять. Вода никогда не будет сама по себе течь через шлюз от более низкого уровня к более высокому. Это означает, что вы всегда можете сказать, какое именно направление имеется в виду, когда речь идет о движении той или иной системы вперед: для этого достаточно понять, какое ее состояние будет состоянием равновесия. В то время как для осуществления изменений за счет применения грубой силы необходимы значительные затраты энергии, для воздействия на скорость «соскальзывания» системы в состояние равновесия обычно хватает минимальных усилий. К тому же часто это чрезвычайно полезно.

Гувер-Дам (плотина Гувера) на реке Колорадо в США – одно из крупнейших достижений гражданского строительства прошлого века. Подъезжая к нему со стороны Лас-Вегаса на автомобиле, вы движетесь по довольно пустынной скалистой местности, где кажется почти невероятным встретить большое сооружение. Единственные подсказки о том, что где-то поблизости есть нечто необычное, исходят от отблесков солнца на голубой воде, время от времени возникающих где-то очень далеко посреди пустыни. А потом вы поворачиваете, и внезапно перед вами предстает исполинское бетонное сооружение (общим весом около 7,5 миллиона тонн), построенное посреди сурового американского ландшафта.

Примерно сто лет тому назад река Колорадо безмятежно несла свои воды по руслу узкого каньона. Она берет свое начало в Скалистых горах, продолжает путь через обширные равнины, двигаясь по каскаду долин в юго-западном направлении, и впадает в Калифорнийский залив. Проблема для фермеров и жителей городов, расположенных в нижнем течении реки, заключалась вовсе не в нехватке воды – она-то как раз была в изобилии, – а в распределении ее поступления во времени. Весной ужасные наводнения смывали буквально все на своем пути, тогда как осенью река превращалась в хилый ручеек, воды в котором было явно недостаточно для удовлетворения нужд постоянно увеличивающегося населения. Река всегда брала свое начало в одних и тех же горах, текла через одни и те же равнины и впадала в один и тот же Калифорнийский залив. Однако фермеров и городских жителей не устраивал «график поступления воды»: они хотели, чтобы он был управляемым[44] и, в частности, чтобы в какие-то моменты ее поступление можно было бы вообще прекращать. В итоге было решено строить плотину.

Капля воды, совершившая долгое путешествие со Скалистых гор вниз через Большой каньон, теперь попадает в озеро Мид – гигантское водохранилище, образовавшееся позади дамбы. Прежде чем добраться до Калифорнийского залива, капле придется немного задержаться в озере. Дело в том, что избыток воды теперь накапливается в водохранилище, расположенном на границе штатов Невада и Аризона, в среднем течении реки Колорадо – то есть до того как ее воды достигнут Калифорнии. До 1930 года капле воды, покинувшей Большой каньон, приходилось опускаться примерно на 150 метров, прежде чем она достигнет того места, где сейчас находится дно озера Мид. Но после 1935 года, когда дамба была построена, такая же капля воды, достигшая озера Мид, теперь оказывается на 150 метров выше дна долины в этом месте. Самое удивительное, что для удержания воды на этом уровне не нужно затрачивать энергию – достаточно было лишь воздвигнуть надежное препятствие, которое не позволяло бы воде бесконтрольно продолжать течение. В данном случае мы имеем дело не с чем иным, как с рукотворным состоянием равновесия.

Разумеется, прежде всего люди должны были решить, что река Колорадо больше не будет самовольно распоряжаться своими водами, и поставить их под контроль человека путем создания дамбы, регулируя с ее помощью количество воды, попадающей в нижнее течение реки. После возведения плотины Гувера наводнения уже не угрожают населению Калифорнии, как не угрожает и полное высыхание реки Колорадо: теперь вода течет по ее руслу непрерывно. У такого решения проблемы есть еще одно важное преимущество: вода, пропускаемая через плотину, вращает турбины электрогенераторов, установленных на гидроэлектростанции. В результате плотина, помимо всего прочего, становится источником достаточно дешевой электроэнергии, что позволяет сотням тысяч людей полноценно жить и работать в безводных пустынях американского юго-запада.

Плотина Гувера строилась для того, чтобы человек мог эффективно регулировать поток воды, однако использованный при этом принцип распространяется не только на воду. Каждый раз, когда нужно запастись энергией, от нас требуется создать пару-тройку препятствий на ее пути «из пункта A в пункт B». Физический мир всегда стремится к состоянию равновесия, но иногда нам удается искусственно создать ближайшую точку равновесия для использования в собственных целях. Контролируя такой поток, мы можем также контролировать моменты высвобождения энергии. А затем добиваемся, чтобы она совершала какое-то полезное для нас действие. Мы не создаем энергию и не уничтожаем ее, а всего лишь направляем в нужное русло и регулируем заслонки на ее пути.

Подобно многим цивилизациям до нас мы сталкиваемся с проблемой ограниченных ресурсов. Ископаемые виды топлива, такие как нефть и (в определенной степени) уголь, сформировались из растений, которые существовали благодаря использованию энергии Солнца. Эти ископаемые энергоресурсы – энергетический эквивалент плотин, форма, которая запасает энергию в состоянии временного равновесия. Когда мы добываем их из земных недр и приступаем к использованию запасенной в них энергии, мы, по сути, самостоятельно выбираем момент ее высвобождения, создавая маршрут к другому возможному состоянию равновесия посредством сжигания и химического разложения на двуокись углерода и воду. Проблема, стоящая перед нами, заключается в том, что у нас есть лишь весьма ограниченное количество ресурсов «в верхнем течении» (то есть «вверх по потоку») в форме ископаемых видов топлива и за время жизни буквально нескольких поколений мы высвободили энергию, на накопление которой ушли миллионы лет. Запасы ископаемых энергоресурсов на планете подходят к концу, и у нас нет нескольких миллионов лет, чтобы их восполнить. Возобновляемая энергия, как и гидроэлектроэнергия, вырабатываемая на плотине Гувера, является производной энергии Солнца, пронизывающей сегодня наш мир. Проблема, с которой сталкивается наша цивилизация, неизменна: научиться эффективно останавливать и запускать поток энергии, чтобы использовать нужное ее количество, не нанося при этом заметного ущерба окружающему миру.