Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Тиндаль изучал множество вещей, от магнетизма и звука до нагревания молока с целью сделать его безопасным для употребления в пищу. Но его лучшая работа касалась земной атмосферы и ее способности поглощать, излучать и удерживать теплоту, поступающую с солнца. По сути, Тиндаль хотел понять, какую роль атмосфера играет в поддержании земной температуры.

Для этого он предложил красивый и имеющий историческое значение эксперимент, который провел в начале 1860-х годов.

Тиндаль знал, что солнечная энергия в основном достигает нас в форме видимого света, который, в свою очередь, нагревает сушу и воду на поверхности земли. Затем суша и вода изучают часть этой энергии обратно в атмосферу, но энергия покидает землю не в форме видимого света. Она испускается в форме инфракрасного излучения, которое обладает более низкой, чем видимый свет, частотой и остается невидимым, но ощущается как тепло.

Однако Тиндаль хотел понять, как инфракрасное излучение ведет себя в земной атмосфере. Проходит ли оно по воздуху беспрепятственно, как и видимые формы излучения? Или же воздух в некоторой степени задерживает его? Это важный вопрос, поскольку если это инфракрасное излучение не могло вернуться в космос, то должно было нагревать земную атмосферу.

Чтобы узнать, так ли это, Тиндалю нужно было установить источник инфракрасного излучения в своей лаборатории. После многих проб и ошибок он остановился на медном кубе, наполненном кипящей водой. Он поместил его у одного конца лежащей горизонтально 120-сантиметровой трубки, которую можно было наполнить газом. У другого конца он расположил “термоэлектрический датчик”, который выполнял роль чувствительного термометра и показывал Тиндалю, поглощает ли заполненная газом трубка какую-либо часть теплоты, излучаемой медным кубом.

Тиндаль сделал довольно неожиданное открытие. Азот и кислород, составляющие 99 % атмосферы, почти не оказывали влияния на инфракрасное излучение. Однако, когда такое же излучение проходило сквозь воздух, содержащий водяной пар или углекислый газ, пусть даже в крошечных количествах, термометр показывал снижение температуры. По мнению Тиндаля, объяснить это можно было лишь тем, что присутствие этих газов примерно в 15 раз повышает способность воздуха поглощать инфракрасное излучение.

Так Тиндаль открыл то, что мы называем парниковым эффектом. Водяной пар и углекислый газ, содержащиеся в земной атмосфере, задерживают часть солнечной энергии. По сути, они укрывают планету теплым одеялом. Не будь в атмосфере этих газов, температура земли резко упала бы и даже на экваторе была бы значительно ниже нуля.

Но что случится, если уровень парниковых газов — водяного пара и углекислого газа — повысится? Очевидно, что в атмосфере будет задерживаться больше теплоты, излучаемой с поверхности земли, и температура планеты возрастет. Как сразу отметили Тиндаль и его современники, угольные заводы времен Промышленной революции выбрасывали углекислый газ прямо в атмосферу, что приводило к повышению концентрации этого парникового газа. Таким образом Тиндаль еще в 1860-х годах продемонстрировал, что промышленная деятельность человека может оказывать воздействие на климат. Именно поэтому уже в 1917 году Александр Грэхем Белл, великий инженер и изобретатель телефона, стал призывать к использованию солнечной энергии для уменьшения рисков от неконтролируемого сжигания ископаемого топлива.

Полагаю, такова суть этой истории. Изучая теплоту, мы научились использовать ее, что значительно улучшило условия жизни людей. Однако с самого начала нас предупреждали о потенциальных опасностях, и, что особенно важно, у нас было время подумать о том, как их смягчить. Сегодня, в немалой степени благодаря тому, что ученые постигли законы термодинамики, мы нашли несколько стратегий борьбы с изменением климата. Ветряные электростанции и другие возобновляемые источники энергии уже вырабатывают около трети британского электричества, и нам известно, как увеличить их вклад. Ученые с безупречной экологической репутацией, от Джеймса Лавлока до Марка Лайнаса, призывают существенно увеличить производство ядерной энергии, поскольку оно не сопряжено с выбросом углеводородов и гораздо безопаснее, чем полагает большинство людей. Перспективными также кажутся геотермальные и приливные источники энергии. Главная проблема при работе с изменением климата носит не научный, а политический и эмоциональный характер. Одни отказываются признавать, что проблема вообще существует, а другие не хотят соглашаться с ее решениями.

И здесь я возвращаюсь к тому, почему решил написать эту книгу. Теперь как никогда важно, чтобы все мы имели базовое представление о термодинамике, ведь нам нужно принимать разумные и информированные решения о том, как обеспечить прогресс, сохраняя или улучшая условия жизни людей и не разрушая окружающую среду. Стоит ли нам обратиться к ядерной энергетике? Стоит ли водить электромобили? Каким налогом облагать бензин и какие субсидии предоставлять ветряным электростанциям? Нам никак не ответить на эти жизненно важные вопросы, если мы хотя бы в общих чертах не понимаем начала термодинамики.

Я уверен, что ответы найдутся в ходе хорошо обоснованных дискуссий. Наука о теплоте может и должна улучшать условия жизни людей, не уничтожая планету.

Дело за нами.

Благодарности

Многие люди оказали мне неоценимую помощь, пока я работал над этой книгой.

Мне очень повезло, что мой агент Патрик Уолш поддерживал и подбадривал меня, а также давал мне прекрасные советы с момента составления синопсиса до сдачи готовой рукописи. Огромное спасибо также Джону Эшу из агентства Pew Literary. Я очень благодарен Майлзу Арчибальду из издательства HarperCollins и Дэниелу Леделу из издательства Scribner, они с самого начала разделяли мой интерес к этой истории. В Scribner я также хочу сказать большое спасибо за усердную работу и поддержку Саре Голдберг, литературному редактору Стиву Болдту и дизайнеру Эриху Хоббингу.

Спасибо Хокану Гири за создание чудесных иллюстраций, которые передают научные идеи, оставаясь при этом приятными глазу и забавными.

Разбираясь в исторических и научных аспектах этой истории, я обращался к опыту множества людей. Доктор Дэниел Митчелл, научный сотрудник и директор Центра исторических исследований в Филадельфии, оказал мне бесценную помощь, особенно при работе над первыми двумя третями книги. В моем стремлении найти интуитивные объяснения многим научным концепциям меня активно поддерживал профессор астрофизики Университета Глазго Грэм Уоан. Большое спасибо доктору Джиму Шейху, который помог мне объяснить эксперименты Джеймса Клерка Максвелла в области кинетической теории. Работая над главой об Алане Тьюринге и морфогенезе, я получал бесценные советы Джереми Грина, профессора биологии развития Королевского колледжа Лондона. Огромное спасибо профессору Даниэлле Джордж из Манчестерского университета и профессору Радже Сенгупте из Университета Калифорнии в Беркли, которые сделали замечания к главам о теории информации и демоне Максвелла. При работе над последней главой о черных дырах я обращался за советами к доктору Соунаку Бозе из Гарвард-Смитсо-новского центра астрофизики. Я также благодарен Ехонадаву Бекенштейну, который выделил время, чтобы поговорить со мной о своем отце Джейкобе, что помогло мне при создании этой главы.