Читать книгу - "Удивительная физика. Магия, из которой состоит мир - Феликс Фликер"

вас бросить в бассейн с жидкостью, температура которой близка к абсолютному нулю, как это случилось с одним из подручных Скараманги в конце фильма про Джеймса Бонда «Человек с золотым пистолетом», вы, несомненно, замерзнете. При этом вы будете терять тепло тремя способами. Теплопроводность: поскольку вы находитесь в физическом соприкосновении с жидкостью, вы можете непосредственно передавать ей тепло. Конвекция: вы нагреваете окружающую вас жидкость, она становится менее плотной и поднимается вверх, а ее место занимает более холодная жидкость, которая продолжает забирать ваше тепло. Излучение: вы постоянно обмениваетесь со средой инфракрасным излучением – светом, невидимым, потому что он имеет слишком большую длину волны. Если ваша температура выше температуры окружающей среды, вы отдаете через механизм излучения больше тепла, чем получаете. В горячей среде человек в основном отдает тепло четвертым способом, через испарение: из нашего тела выходят молекулы воды (пот), уносящие с собой энергию.

Космос – не бассейн с жидкостью; в нем нет ничего, что могло бы забирать у вас тепло по механизмам теплопроводности или конвекции. Поскольку ваше тело будет стараться сохранить тепло, оно сведет испарение к минимуму. Вы действительно будете терять много тепла по механизму излучения. Однажды, когда я гулял с другом по пустынным болотам Дартмура, у него возникло переохлаждение. Пока мы с ним ждали скорую помощь, переохлаждение возникло и у меня. Санитары завернули нас в металлические одеяла не толще бумажного листа, которые отражали излучаемое тепло обратно к нашим телам. Я почти сразу же ощутил приятное тепло. Быстрый расчет показывает, что находясь в космосе, вы будете терять на излучение около трех мегаджоулей энергии в час; на моей коробке с хлопьями для завтрака написано, что рекомендованная суточная норма энергии, получаемой из пищи, составляет 8,4 мегаджоуля. Таким образом, чтобы не замерзнуть в космосе, нужно есть приблизительно в девять раз больше, чем обычно. Если мы возьмем с собой на ковер-самолет какие-нибудь бутерброды, с нами все должно быть в порядке.

С точки зрения теплопроводности и конвекции ощущения в космосе должны быть приблизительно такими же, как в чуть теплой ванне. Однако баланс излучения со средой будет отличаться от привычного: в этом отношении вы действительно должны чувствовать, что вокруг 3 K. Таким образом, температура не так проста, как кажется на первый взгляд. Дело в том, что в космосе вы не находитесь в тепловом равновесии со средой: вы теряете энергию, которую приходится пополнять за счет бутербродов. Но в отсутствие теплового равновесия температура может не поддаваться столь же точному определению. Большинство систем достигают такого равновесия в лучшем случае лишь приблизительно: когда температура воздуха падает, соответствующие изменения состояния как термометра, так и озера занимают некоторое время. У термометра это получается быстро, у озера – медленнее. Температура воздуха в Англии выше всего в июле, но море теплее всего в августе и начале сентября. То есть термометры работают лишь приблизительно, да и то только тогда, когда существует приблизительное тепловое равновесие.

Концепции тепла, температуры и равновесия касаются явлений наших повседневных, макроскопических масштабов пространства и времени. Но макроскопический мир возникает из коллективного поведения большого числа атомов и молекул. Дисциплина, изучающая возникновение крупномасштабной термодинамики из мелкомасштабного мира, называется статистической механикой. Давайте посмотрим, как она работает в отношении нулевого начала.

Возникновение нулевого начала

В стимпанке действие разворачивается в разделенном мире. Есть чистый, богатый верхний мир. И есть грязное, злачное дно. Часто верх и низ бывают отделены друг от друга в самом буквальном смысле. Многие клише стимпанка появились в мультфильме «Небесный замок Лапута» студии «Гибли»: он начинается в городе при угольной шахте, а заканчивается на волшебном, утопическом летающем острове. Эстетика стимпанка сосредоточена именно на грязном нижнем мире. Как это было в эпоху промышленной революции, роскошное декадентское общество существует благодаря грязной работе, незримо происходящей внизу, в машинных отделениях. То же справедливо и в отношении нашей роскошной срединной области: вся работа происходит внизу, в микроскопическом мире, из которого эта область возникает.

В наши дни идея о том, что мир построен из атомов, настолько привычна, что кажется самоочевидной: у нас есть даже фотографии атомов, сделанные при помощи туннельных сканирующих микроскопов. Однако всеобщее признание атомов произошло сравнительно недавно. Работа, выполненная в 1905 году Эйнштейном, была в конце концов подтверждена экспериментально, в связи с чем Жан Батист Перрен получил в 1926 году Нобелевскую премию по физике «за работу по дискретной природе материи». Хотя концепция атомов появилась еще в древности, в конце XIX века она утратила популярность среди некоторых философов и физиков. В значительной степени это было связано с успехами термодинамики: казалось, что среди плавно изменяющихся температур и потоков тепла нет места дискретному микроскопическому миру. Физика конденсированного состояния едва не закончилась, так и не начавшись; человеком, которому мы обязаны возвращением на верный путь, был Людвиг Больцман.

Больцман родился в Вене; его предки были часовщиками. Он славился скрупулезным вниманием к деталям. Например, однажды, когда он решил, что в рационе его детей недостаточно молока, он купил на рынке корову. Я согласен, что сам по себе этот поступок не говорит о какой-нибудь особенной скрупулезности, но если бы простой смертный узнал, как доить корову, у крестьянина, Больцман вместо этого обратился за консультацией к профессору зоологии. Такая тщательность сопровождала всю его карьеру и помогла разрешить некоторые весьма сложные философские вопросы, возникшие в конце XIX века[50]. Идея Больцмана заключалась в следующем: возможно, окружающий нас непрерывный макроскопический мир возникает из мелкомасштабного поведения отдельных атомов, подчиняющихся знакомым нам законам ньютоновской механики. Хотя поведение индивидуальных атомов предсказать невозможно, можно ожидать, что коллективное поведение атомов будет точно соответствовать статистическим предсказаниям. Это связано с законом больших чисел: по мере увеличения числа опытов статистические средние значения приближаются к ожидаемым. Например, при одиночном броске игральной кости может выпасть любая грань, а при нескольких бросках вполне можно ожидать, что одно из чисел по случайности будет выпадать чаще, чем другие. Но чем дольше вы будете бросать кость, тем более равным образом будут представлены все грани – по существу, закон больших чисел сводится к утверждению, что речь идет не о свойствах игральной кости, а о свойствах вероятности. Знаменитый исторический пример (о котором я узнал из одного из представлений с фокусами Деррена Брауна) получил статистик Френсис Гальтон[51], рассмотревший распределение 787 оценок массы съедобной части вола, данных посетителями сельскохозяйственной выставки в Девоне. Хотя среди индивидуальных оценок наблюдался огромный разброс, как и следовало ожидать от многолюдной толпы, в которой было множество неспециалистов, средняя оценка – 1197 фунтов – оказалась совершенно правильной, с точностью до фунта[52].