Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Таков знаменитый цикл жизни. Углекислый газ, выдыхаемый животными, поглощается растениями, которые производят пищу и кислород, и так далее. Чтобы цикл продолжался, ему нужен постоянный приток свободной энергии Гиббса. Очень важно, что на каждом этапе цикла небольшое количество свободной энергии теряется в форме теплоты. Это значит, что на каждом этапе энтропия Вселенной увеличивается. Цикл жизни — каким бы великолепным и удивительным он ни был — связывает солнечный свет с клоакой. В целом жизнь служит эффективным способом увеличения энтропии Вселенной.

Сам Гиббс не изучал роль свободной энергии в биологии. Однако за пятьдесят лет, прошедших с публикации его статьи, загадки фотосинтеза и происходящего в животных обратного процесса, называемого клеточным дыханием, были раскрыты. Узнав из трудов Гиббса и его последователей, что переносы свободной энергии выступают движущей силой жизни, биохимики получили руководящий принцип для анализа чертовски сложных тонкостей клеточной химии.

Идеи Гиббса также оказались весьма значимыми для длительной дискуссии о витализме — теории, гласящей, что живые организмы и неживые предметы подчиняются разным физическим законам. Труды Германа Гельмгольца и других ученых серьезно ослабили поддержку витализма, но работа Гиббса нанесла теории сокрушительный удар. Концепция свободной энергии показала, что каждый химический процесс в каждой клетке каждого живого существа подчиняется законам физики. Никакой нужды в сверхъестественном или духовном не было. В лучах солнца содержалось достаточно энергии, чтобы питать прекрасные хитросплетения жизни на земле.

* * *

На протяжении нескольких лет после публикации главной работы Гиббса в 1878 году научное сообщество постепенно принимало его идеи. Он воздержался от предположений о строении вещества и молекул — и потому не спровоцировал споры. К несчастью, о Больцмане такого не скажешь. В последние десятилетия XIX века его научные воззрения втянули его в конфликт, который повредил его и без того хрупкой психике. Работа Гиббса невольно сыграла в этом свою роль.

Истоки спора лежали в философии феноменализма, которая укоренилась в немецкоязычном мире. Ее главным поборником был Эрнст Мах, профессор истории и философии естественных наук в Венском университете.

В молодости Мах был талантливым физиком-экспериментатором и сделал первые фотографии ударных волн, создаваемых телами, движущимися быстрее скорости звука, в связи с чем скорость звука теперь приравнивается к одному маху. К 1890-м годам он увлекся феноменализмом. Если не вдаваться в детали, феноменализм утверждает, что реальны лишь вещи, которые поддаются непосредственному чувственному восприятию. Приписывая физическую реальность тому, что подтверждается лишь косвенными свидетельствами, ученые, напротив, отступают от принципов науки. По мнению Маха, проблема работы Больцмана заключалась в том, что автор исходил из реальности молекул и атомов. Учитывая, что ни атомы, ни молекулы не поддаются чувственному восприятию, феноменалисты полагали, что говорить об их существовании нельзя. Это, в свою очередь, значило, что вся доктрина статистической механики, сформулированная Больцманом, вызывала сомнения. Предложенное им вероятностное объяснение увеличения энтропии ничего не стоило, если задействованные в нем объекты, а именно атомы и молекулы, не поддавались непосредственному наблюдению.

В то время к феноменализму склонялись многие ученые немецкоязычного мира, включая молодого Альберта Эйнштейна. В последующие годы он вспоминал, как идеи Маха натолкнули его на мысль, что пространство и время не имеют смысла в отсутствие линеек и часов для их измерения, а это, в свою очередь, послужило вдохновением для создания теорий относительности. Но Больцману пришлось заплатить высокую цену. Он оказался втянутым в утомительные споры о существовании атомов и молекул, которые, как он утверждал, пребывали в постоянном беспорядочном движении.

Применение феноменализма к термодинамике также предполагало обсуждение вопроса лишь с позиций наблюдаемых и измеряемых явлений — тепловых потоков, давления, объемов, температур и т. д. Это учение получило название “энергетизм”. Его сторонники полагали, что, хотя понятия атомов и молекул допускали некоторые математические фантазии, это все-таки не делало их реальными. И здесь ученые обращались к работе Джозайи Уилларда Гиббса.

Дело в том, что идеи Больцмана ставили условием существование молекул и атомов, в то время как Гиббс не делал подобных допущений. Вместо этого Гиббс исчерпывающе и точно описывал термодинамику исключительно на основе двух ее общепринятых начал. Столь чистый подход привлекал сторонников энергетизма. Один из них, молодой немецкий химик Вильгельм Оствальд, даже перевел статью Гиббса на немецкий. Для науки это было прекрасно, ведь Оствальд помог привлечь внимание европейцев к работе Гиббса, но для Больцмана — не так хорошо, поскольку сторонники энергетизма нашли аргументы в пользу того, что термодинамика не нуждается в гипотезе о существовании молекул и атомов.

Среди критиков Больцмана был молодой Макс Планк, преподававший физику в Мюнхене. Он родился в городе Киль на балтийском побережье Германии в 1858 году и получил докторскую степень за анализ второго начала термодинамики. Как и Мах и Оствальд, он осуждал настойчивую веру Больцмана в существование молекул и атомов, поведением которых объясняется второе начало. В 1882 году он прямо заявил, что Больцман ошибается, написав: “Второе начало механической теории теплоты несовместимо с предположением о конечном числе атомов. Ряд текущих наблюдений, как я полагаю, свидетельствует, что от атомной теории в конце концов придется отказаться, хотя она и делает большие успехи”.

Битва Больцмана со сторонниками энергетизма шла на страницах журналов и на научных конференциях. Свидетели вспоминали утомительные дебаты Больцмана и Оствальда, в которых каждый упорно стоял на своем. Однажды после лекции, прочитанной Больцманом в престижной Императорской академии наук в Вене, Мах поднялся и заявил: “Я не верю в существование атомов!”

Слова Маха, как впоследствии признался Больцман, “не выходили у [него] из головы”. К тому времени он посвятил более двадцати лет жизни размышлениям о научных следствиях атомно-молекулярного строения Вселенной. Он готов был поклясться своей карьерой, что молекулы и атомы существуют. Но его карьера приближалась к концу, а новое поколение ученых от него отдалялось. В письме редактору научного журнала, написанном в 1890-х годах, он отметил: “Не знаю, не случится ли так, что вскоре я один буду противостоять текущему направлению немецкой науки”.

Ситуация усугублялась тем, что отход от его идей был обоснован не математическими аргументами и не физическими фактами, а философскими суждениями, которые казались Больцману совершенно бессмысленными. “Не следует ли сравнить непреодолимое желание философствовать с вызываемой мигренями рвотой?” — спрашивал он в письме итальянскому философу Францу Брентано.

Здоровье Больцмана также пошатнулось. Страдая от сильнейшей близорукости, он с трудом продолжал лабораторную работу, и друзья заметили, что радость жизни у него прерывалась периодами молчаливого уединения, которые продолжались дольше обычного. Когда в 1889 году случилась трагедия и его старший сын скоропостижно скончался от аппендицита, Больцман стал винить себя за то, что не заметил симптомов раньше. Университетская жизнь тоже осложнилась. Национализм был на подъеме, и австрийские студенты, казалось, никак не могли определиться, поддерживать им Германию или нет, а Больцману эти дебаты казались не только утомительными, но и обескураживающими. Периодически споры перерастали в пьяные дебоши. В последующие годы, описывая это, Больцман говорил, что в те дни свиньи, у которых хвосты закручивались влево, дрались со свиньями, у которых хвосты закручивались вправо.