BBC IN OUR TIME – транскрипция и превод на подкаста „Вторият закон на термодинамиката“ (предаването е излъчено по БиБиСи на 16 декември 2004 г.). Текстът е редактиран за яснота. Превод от английски Олга Николова. Илюстрация: снимка на Бернар Фокон, „Мехурчето“, 2005.
*
Мелвин Браг (водещ): Вторият закон на термодинамиката може да се формулира по следния начин: енергията естествено се стреми да преминава от по-концентрирано към по-разпръснато състояние. За първи път този закон е формулиран с цел да обясни функционирането на парната машина. Чрез него можем да разберем защо чашата с чай постепенно изстива, ако не я изпием, и защо можем да затоплим вода, за да си сварим яйце. Но приложенията на този закон имат много по-величествени измерения. Вторият закон на термодинамиката ни помага да разберем Големия взрив и Разширението на Вселената. Той предполага също така, че нашата Вселена върви към своята неминуема топлинна смърт.
Вторият закон на термодинамиката се смята за най-фундаменталният закон в науката. В своята книга „Двете култури“ Чарлс Пърси Сноу пише: „Да не познаваш втория закон на термодинамиката е като да не си чел нито един ред от Шекспир.“
И така, какъв точно е този закон? Какво предполага той за връзката между време и енергия в нашата Вселена? Хвърлят ли съмнение върху него съществуването на живота и теорията на еволюцията?
За да обсъдим тези и други въпроси, тук с мен в студиото са Джон Грибън, гост-лектор по астрономия в университета на Съсекс и автор на „Дълбоката простота“; Питър Аткинс, професор по химия в Оксфордския университет и автор на „Пръстът на Галилео“; и Моника Грейди, куратор на колекцията от метеорити в Природоисторическия музей в Лондон.
Джон Грибън, преди да навлезем в детайлите, можеш ли да ни разкажеш накратко как този закон, формулиран навремето, за да обясни работата на парните локомотиви, добива в последствие толкова широка приложимост? Можеш ли да ни дадеш по-общата картина?
Джон Грибън (ДГ): Както посочи и ти, този закон се занимава с топлината, с нейното преминаване от едно място на друго. Обмяната на топлина е едно от проявленията на втория закон на термодинамиката. Разбирането на топлината е много важно през XIX век, особено във Великобритания, която се индустриализира в този момент, както скоро прави и целият свят. Най-просто казано, ако разбираш как работи топлината, можеш да построиш по-ефективни парни машини и да подобриш целия индустриален процес. Едното върви ръка за ръка с другото. Като се стремиш да развиеш по-добра технология и по-ефективни парни двигатели, научаваш повече и за самия втори закон. Можем обаче да се върнем още по-назад, към началото на XIX век. Един човек, граф Ръмфорд – името му по рождение е Бенджамин Томпсън – се занимава по това време с изработването на военни топове от желязо. Той си дава сметка, че при издълбаването на дулото на топа се отделя топлина – и то постоянно, което е много важно. Дотогава хората вярват, че топлината е един вид флуид, наречен „калорик“, който се намира вътре в нещата. Ако затопляш нещо чрез триене, в един момент топлината, флуидът, ще се изчерпи. Ръмфорд открива, че докато дълбаеш желязото за топа, винаги се отделя топлина.
Значи, на първо място идва това откритие, че топлината е вид енергия. Хората започват да я разбират като вид енергия. А енергията, разбира се, е онова, което движи цялата Вселена. Тъй че това откритие е абсолютно фундаментално.
МБ: Две неща да вметна, преди да продължим. Имаме тук една удивителна връзка, във Великобритания специално, между развитието на индустриалната революция – тази практична технологична изобретателност, от една страна, и теорията, от друга страна. Двете рядко, или поне невинаги, вървят заедно. На второ място, важно е да отбележим, че става дума за нещо, което не просто подобрява парната машина, а променя всичко.
ДГ: Това е най-важното, да. Нещо много любопитно в тази връзка: въпреки че се нарича втори закон на термодинамиката, тоест в самото име се включва идеята за „динамика“, до този закон се стига, като се изследват системи, които не се променят, а са „в равновесие“, както казваме. Системи, в които протичат много неща – в една част се генерира енергия, а в друга тя се хаби, превръща се в работа или нещо друго – са трудни за наблюдение. Трябва да си представяме, че системата е в равновесие във всеки един момент. Разглеждаш например котел, пълен с пара, и се опитваш да разбереш как се променя налягането на парата и т. н. Взимаш едно състояние, а после различно състояние – с по-ниска температура и различно налягане. Но в действителност не разбираш как се преминава от едното състояние на системата в другото. Това всъщност ще се окаже много важно след 100 години. Сега то е в основата на един нов интерес към термодинамиката въобще.
МБ: Можеш ли да ни кажеш, понеже слушателите несъмнено изгарят от желание да чуят, какво гласи първият закон на термодинамиката?
ДГ: Първият закон е много прост. Той гласи, че количеството енергия във Вселената не се променя, то е винаги едно и също. Може да се изрази и така: не можеш да получиш от нищо нещо. По същия начин вторият закон може да се перифразира така: нещата се изхабяват с времето. Постоянно губиш полезна енергия. Важното е, че макар и цялото количество енергия във Вселената да не се променя, работа може да се извършва само при преминаването на енергията от едно място на друго, както при парната машина, където местиш енергията от по-топло на по-студено място. Докато това става, част от топлината се губи – това е вторият закон в действие.
Така при този непрекъснат обмен, с течение на времето температурата ще стане една и съща в цялата Вселена. А ако всичко е с една и съща температура, никаква полезна работа не може да се върши. Една парна машина не може да работи, ако всичките ѝ части са с една и съща температура. Това е в същината си идеята, че нещата в края на краищата ще се изхабят, и тя се свързва със „стрелата на времето“. В миналото нещата са живи и интересни и топлината тече от едно място към друго, а в бъдещето всичко е студено и изхабено.
МБ: В първата част на предаването ще използваме парната машина като метафора за Големия взрив. Питър Аткинс, може ли да задълбочим малко разговора за парната машина? Можеш ли да ни кажеш как теорията се развива от практиката в случая? Защото това е едно от удивителните неща: полагат се усилия да се подобри тази машина, която препуска по релсите, а заедно с нея или около нея се развива и теорията. Можеш ли да ни кажеш каква роля например играе френският физик Сади Карно?
ПА: Всъщност четирима души допринасят за разбирането на втория закон. Най-напред това е Сади Карно. После имаме Уилям Томсън, по-късно наричан лорд Келвин. После идва Рудолф Клаузиус. А най-накрая се появява и Лудвиг Болцман. Всеки от тях дава своя индивидуален принос за разбирането на втория закон на термодинамиката. Карно разглежда парната машина, като се опитва да разбере какво определя нейната ефективност. По това време Англия произвежда своите оръжия, помпа кладенци, копае в мините с помощта на парни машини. И французите са уплашени, тъй че във Франция има голям интерес да подобрят собствените си машини.
Карно разглежда устройството на парната машина и се опитва да установи какво определя нейната максимална ефективност. Повечето хора по това време смятат, че ефективността на машината зависи от налягането: ако променим налягането, ще повишим ефективността. Можем, например, вместо с пара, да я задвижваме с въздух. Но на Карно му хрумва напълно абсурдната според съвременниците му идея, че всичко зависи от температурата, че – както и Джон спомена току-що – парната машина се състои от три части: горещ резервоар, студено тяло, където изхвърляш топлината, а по средата – цилиндър с бутало, което превръща топлината в полезна работа. Докато размишлява върху машината, Карно решава, че ефективността зависи само от температурата на горещата пара и на студеното тяло. Това е истинско проникновение, което ни разкрива начина, по който топлината се превръща в полезна работа. За да подобриш ефективността на една парна машина, трябва да използваш горещо тяло, което е с възможно най-висока температура, и студено тяло, което е с възможно най-ниска температура.
МБ: Какви са най-важните модификации, които той добавя към трите компонента на машината?
ПА: Идеите на Карно изглеждат толкова абсурдни за неговите съвременници, че те ги пренебрегват, което, предполагам, е било добре дошло за Англия. Но книгата му остава и лорд Келвин попада на нея. Келвин също започва да мисли по-задълбочено по въпроса и стига до идеята, че най-важната част на парната машина не е горещото тяло. Не е и буталото. А е студеното тяло. И той казва нещо, което е друг начин да се формулира втория закон на термодинамиката. Казва, че парната машина не може да работи, ако няма студено тяло. После идва и Рудолф Клаузиус и той посочва нещо съвсем очевидно: че топлината не преминава от студено към топло тяло. Едно от любимите ми изказвания в науката е на унгарския химик (Алберт фон) Сент-Дьорди (де Надраполт): „Науката е да виждаш това, което вижда и всеки друг, но да ти хрумне онова, което не е хрумнало на никого другиго.“ Всеки вижда, че топлината не преминава от по-студено към по-топло, но преди Клаузиус никой не се замисля над този факт. Клаузиус формулира идеите си количествено чрез понятието за ентропия, което, предполагам, ще обсъдим по-нататък.
МБ: Четвъртият беше Болцман, нали така? Неговите идеи също се смятат за абсурдни по онова време, нали?
ПА: Болцман е силно късоглед, зрението му е дефектно, физически, но той вижда по-надълбоко от всички в естеството на нещата. Болцман идентифицира молекулярната основа на втория закон: защо това, което казваме за топлината, е вярно на ниво отделна молекула или атом? Неговото голямо откритие ни разкрива много за причините нашият свят да се държи, както се държи.
МБ: Моника Грейди, лорд Келвин открива, че трябва да изпускаш малко пара, за да може да се задвижва турбината. С други думи, малко пара трябва да бъде хвърлена на вятъра. Къде се вписва това? Имаме тези чудесни уводни думи от Джон и Питър. Къде ще ни заведеш ти сега?
МГ: Трябва да проследим къде отива топлината и каква е тази система, в която става всичко. Джон спомена равновесието, а равновесие има само в затворена система. Разбира се, в затворена система, работа не може да се извършва.
МБ: Би ли казала на слушателите какво имаш предвид под „затворена система“?
МГ: Това е система, от която нищо не се губи, нищо не излиза, като от запечатана кутия. Запечатаната кутия е затворена система. Не допускаш нито да влиза, нито да излиза топлина. В такава затворена система не може да се извършва полезна работа, защото нищо не се мени. Не допускаш топлината да преминава. Затова и най-важният елемент в парната машина, както обясни Питър Аткинс, е студеното тяло. В парната машина няма голям абсорбатор на топлина. А студеното тяло съответства на въшния свят, Вселената. Викторианците виждат нещата в по-малък мащаб. Те все още нямат идея колко огромна е Вселената. Но ние сега знаем колко свързани са нещата. Да вземем една проста парна машина, железопътен влак в Англия по онова време – машината изпуска топлина в атмосферата, тази топлина пътува, обикаля планетата, което има ефект върху Слънчевата система, галактиката и така нататък. Системата в своята цялост е Вселената. В нея именно топлината постепенно се разсейва.
МБ: Тук можем да въведем вече и думата „безпорядък“. Нещата преминават от порядък в безпорядък. Една течност е в по-голям безпорядък от едно твърдо тяло. Пътят е от порядък към безпорядък. И ето че се появява и думата „ентропия.“ Можеш ли да обясниш защо се появява тази дума и за какво служи?
МГ: Ентропията е мярка за количеството безпорядък в системата. Представи си един кристал. Кристалът е много подредена система. В нея има атоми, йони може би, които вибрират в решетъчна структура, която е стабилна. Ако стопим или разтворим това твърдо тяло, се получава течност, в която има молекули. Атомите могат да се движат много повече и много по-бързо по един безразборен начин. А после нека си представим, че превръщаме тази течност в газ, който заема цялата стая. Представи си кубче лед, което става на локвичка вода, а после се изпарява и запълва цялата стая. Тогава не можем да предскажем къде се намира отделната молекула, коя ще се удари в стената. Колкото повече затопляме цялото, толкова по-хаотично става то. Освен това, не можем да се върнем по стъпките си към предсказуемото. Не можем да си кажем: ще взема тази молекула и ще я поставя на това място. Джон вече спомена „стрелата на времето.“ Стрелата се появява, когато имаме увеличаване на безпорядъка, на ентропията във Вселената. Тя сякаш сочи само в една посока. Ентропията е необратима. Не можем да я намалим като цяло във Вселената.
МБ: Значи, според това обяснение, ние постоянно губим енергия и се движим винаги към безпорядък? Движим се винаги към повече топлина?
МГ: Не. Не губим енергия. Просто сменяме формата на енергията, така да се каже. Разпръскваме енергията, като я разпределяме по-наравно. Ако използваме примера с водата – от водопад, при който водата пада отвисоко, отиваме към водата в ниското, към океана, където водата е равна.
МБ: Да обобщим, преди да преминем нататък. Джон Грибън, към теб се обръщам отново. Имаме парната машина и – съвсем накратко – каква теория се поражда от парната машина, която задвижва XX век и движи сега XXI век?
ДГ: Може да се обобщи с тази идея: нещата се изчерпват и дори Вселената не е неизчерпаем резервоар на енергия, Вселената също ще се изхаби. По онова време много се обсъжда тъй наречената топлинна смърт на Вселената. Това ни връща към „стрелата на времето“. Хората се питат защо в нашата Вселена времето има посока. Има ли начало и ще има ли край, и как се придвижваме от едното към другото? По-късно през XX век се поставя и въпросът как съществуваме ние – едни доста сложни същества, живеещи на повърхността на една планета, където се случват много интересни процеси. Защо съществуваме именно в този момент, в който можем да наблюдаваме всичко това? Тъй че опираме до много фундаментални въпроси относно значението на живота.
МБ: От едно индустриално изобретение – парната машина – произлизат теории, които застават в основата на разбирането ни за това как функционира всичко. Питър Аткинс, какво се случва с Вселената като цяло, когато нагряваме парната машина?
ПА: Най-кратката формулировка на втория закон, върху който трябва да се съсредоточим, е следната: „нещата стават все по-зле“. Енергията има както количество, така и качество, и ентропията измерва качеството на енергията. Така с увеличаването на ентропията, тоест, с увеличаването на безпорядъка в света, качеството на енергията намалява. Но важното е, че дори и да се разпръсква енергията, ние можем да използваме процеса по конструктивен начин. Да си представим двигател на кола, например. Горивото изгаря и енергията от горенето се разпръсква. Същото става и с въглеродния диоксид и водата, отделени при горенето. Но самият двигател на колата използва разпръскването, за да задвижва буталата и т.н.. А после чрез други елементи можем да свържем буталата, да кажем, с тухли, с които построяваме катедрала. Тъй че можем да използваме разпръскването на енергията по съзидателен начин, това е важното. Същото е, например, със закуската сутрин – храната, която поемаш, се разгражда чрез метаболизма. Отделя се енергия. Можем да си я представим отново като гориво. Вместо да задвижва механична поредица от бутала и колела, като при колата, тук горивото задвижва биохимични процеси, които местят не тухли за строежа на катедрала, ами аминокиселини за строежа на белтъци. И така, като ядем и разпръскваме енергията, ние съществуваме, така растем и поддържаме процесите на живота. Можем да отидем и още по-далеч и да си представим най-различни електрически потоци в мозъка, които се организират чрез същия процес. Човек яде, и чрез биохимичните процеси, които се задвижват, се структурират неврофизични процеси в мозъка – човекът мисли. Едно творческо действие – написването на едно стихотворение, този разговор, всеки жест на галантност и пр. – се задвижва от разпръскването на енергията. Така е и с всичко във Вселената.
ДГ: И при двата примера, разбира се, всичко зависи от енергията на Слънцето. Горивото, което използваме в колата, идва от складираната във фосилизирали растения слънчева светлина, нашата храна е съхранената в растенията слънчева светлина. Оказва се, че локално имаме отрицателна ентропия, а Слънцето създава положителна ентропия в много по-голям мащаб.
МБ: Бих искал Моника да разясни това: отрицателната ентропия локално. Моника, можеш ли да опишеш как Слънцето работи в нашата система и как прави така, че системата на Земята да не бъде затворена? Да останем при нашата планета и Слънцето за момента. Какво е въздействието на Слънцето върху ентропията тук?
МГ: Ако погледнем това построение, което е животът, можем да си помислим: „е, това е нещо все пак – ето, тук нещата стават по-сложни“. Но когато погледнем системата в по-широк мащаб, системата, която включва и Слънцето, например, виждаме, че всъщност се случва нещо друго. Слънцето е една огромна топка водород, а водородните атоми се сливат и се превръщат в хелиеви атоми. Докато се случва това, Слънцето излъчва топлина и светлина, които обливат Земята. Топлината и светлината захранват нашата атмосфера и климат, захранват въглеродния цикъл, водния цикъл – те предоставят енергията за всичкия живот на Земята. Тъй че Слънцето предоставя енергията за всичкия живот на Земята, започвайки от най-малките организми по хранителната верига, от тревата и фотосинтезиращите организми, които зависят от светлината на Слънцето. Слънцето е необходимият двигател на цялото. То е едно много горещо тяло, което произвежда топлина, а ние сме, така да се каже, студеното тяло в тази система на Слънце-Земя – имаме горещо тяло и студено тяло, а помежду им се ситуира огромна биосфера, която извършва полезната работа, трансфера на енергия. В същото време част от топлината се губи, част от енергията се губи, защото не всичката стига до Земята.
МБ: Нека да продължим малко по-нататък, Джон Грибън, и да преминем към Големия взрив. Ако приемем, че безпорядъкът идва от порядъка, то значи, можем да предположим, че има точка, в която е имало само порядък. Така стигаме до Големия взрив. Или?
ДГ: Не. Не стоят така нещата. Това е голяма загадка. Беше голяма загадка до съвсем скоро. Големият взрив, раждането на Вселената, изглежда представлява едно състояние на голям безпорядък. Сега знаем от наблюдението на прословутото фоново лъчение, на космическото свръхвисокочестотно фоново излъчване, което ни дава информация каква е била Вселената, когато е била само на 100 000 години или няколкостотин хиляди години след Големия взрив преди 13 милиарда години. Вселената е била гладка и равна, едно хомогенно море от горещ газ.
Това, което се случва с топлината, е, че тя изстива и се превръща в това хладно лъчение. Но материята, от друга страна, се превръща в звезди и галактики благодарение на гравитацията. Благодарение на нея се получава една много по-структурирана система, произлизаща от система на голям безпорядък. А гравитацията има удивително свойство, което до неотдавна не беше много добре разбрано: тя създава целия този процес наобратно. Тя може да накара ентропията да тръгне в обратна посока и да създаде ред, където е нямало ред преди.
МБ: Чакай, че прекалено бързо се движиш. Това се очаква от теб, от мен се очаква да следвам нишката и да те достигна. Значи, в моите бележки пише, че Големият взрив е тази точка. Ти казваш, че е след няколко стотин хиляди години. Големият взрив, казваш ти, идва от състояние на безпорядък. Добре, как от безпорядък отиваме към порядък и защо сега основният принцип във Вселената е от порядък към безпорядък?
ДГ: Гравитацията складира отрицателна енергия, най-буквално отрицателна енергия. Ако имаш нещо, което се простира равномерно на възможно най-големи разстояния – купчина тухли, да речем, и всяка нагорещена тухла е на безкрайно голямо разстояние от всяка друга, тогава в тази система няма енергия, защото силата между тухлите е 1 делено на разстоянието на квадрат – според известния закон за гравитацията на Нютон, а 1 делено на безкрайност на квадрат е нула. Няма сила, няма енергия в тази система. Ако разпръснеш всичките атоми на Слънцето на безкрайно разстояние един от друг и ако след това те се съберат отново, ще отделят енергия. Всички знаем, че когато нещо пада, то отделя енергия. Когато водата пада отвисоко, тя отделя енергия. Ако пуснеш нещо от покрива на висока сграда, то се удря в земята и я затопля, макар и съвсем мъничко. Тази топлина, тази енергия идва от гравитацията. Когато една система създава звезда, звездата отделя енергия, генерира енергия и е гореща. Това идва от гравитацията. Буквално, гравитационното поле съдържа отрицателна енергия и е съвсем възможно, цялата енергия на Вселената да е равна на нула, сумата на всичката енергия и материя да е нула, заради цялата тази отрицателна енергия на гравитацията. Това ни дава едно възможно обяснение защо или как Вселената се появява въобще. Какво точно стои в самото начало – не знаем. Хората имат различни идеи, но не знаем какво се е случило в самото начало. Може Вселената да се е появила от нищото, защото съдържа нула енергия.
МГ: Много от енергията е скрита. Наричат я тъмна енергия.
МБ: Питър Аткинс, да се върнем към втория закон на термодинамиката. Джон каза, че първо имаме безпорядък и от него се създава порядък, а сега, според втория закон на термодинамиката, вървим винаги от порядък към безпорядък. Малко съм объркан. Можеш ли да ми разясниш как става това?
ПА: Ще ми се да можех! Това е една от големите загадки – връзката между гравитацията и ентропията. Ние все още не я разбираме добре. Но мисля, че трябва да се съсредоточим върху по-ясните положения: имаме една Вселена, която в началото е била компактна. И имаме енергия, която е концентрирана, включително като материя, защото материята е в действителност форма на енергията. Когато се формират планети, или се формират атоми, имаме локализирана енергия. Ако Вселената просто висеше в пространството, а не се разширяваше, бихме могли да си представим цялата тази енергия, тази материя, как просто се разпръсква постепенно в съществуващия обем. Но Вселената се разширява, има все повече място, в което да се простира енергията, и ако приемем, че Вселената ще продължи да се разширява завинаги, ще има все повече място и нещата ще продължават завинаги да се случват. Това радио предаване може да продължи завинаги – до края на самото време. Ключовата идея според мен е, първо, че ако Вселената не се разширяваше, все пак енергията и материята можеха да се разсейват, макар и в същия обем, като задвижват по този начин двигателите на живота и пораждат всички събития. Но понеже Вселената също така се разширява, този процес е безкраен.
МБ: Моника Грейди, можеш ли да развиеш идеята за топлинната смърт на Вселената? Вселената върви неизбежно към топлинната си смърт поради действието на втория закон на термодинамиката.
МГ: Това следва именно от казаното току-що от Питър за постоянното разширяване и постоянния поток на енергията. Да се върнем на нашата звезда, Слънцето, което превръща водорода в хелий и излъчва топлина. Този хелий, този водород в един момент ще свърши. Хелият ще бъде преобразуван на въглерод, отделяйки още повече топлина. Това се случва при всякакви звезди. Някои звезди избухват и се превръщат в супернови, като отново отделят огромно количество енергия. Всички тези процеси във всяка една галактика водят към едно постепенно изравняване на енергията във всяка отделна система, а после и между различните галактики. Никоя галактика не е изолирана. Тя е заобиколена от ореол от материя, която не виждаме. Тя един вид плува в тъмна материя.
Така в нашата Вселена звездите постепенно ще създадат елементи, ще избухнат в супернови и ще преобразят тези елементи обратно в междузвездната среда, от която ще се формират нови звезди. Този цикъл е постоянен, но накрая ще изчерпи водорода – водородът ще се е преобразувал изцяло в други елементи. Всичкият този водород е образуван при Големия взрив. И постепенно този процес ще обеме цялата Вселена, температурата постепенно ще спадне и ще стане еднаква навсякъде. В този момент вече е настъпила топлинната смърт на Вселената. Всичко е с еднаква температура навсякъде и никаква полезна работа не може да бъде извършена.
МБ: Джон Грибън, можеш ли да доразвиеш тази картина?
ДГ: Не мога да направя картината по-ясна. Но бих искал да се върна към началото: какво е онова, което ще умре? Ако се върнем към затворената система, за която говорихме по-рано, например, една кутия голяма, колкото това студио. Ако е кутия с големината на това студио, пълна с газ, то тя ще остане в равновесие, молекулите ще се блъскат една о друга наоколо и нищо няма да се промени, просто ще стои така завинаги в равновесие. Ако тази кутия е голяма колкото нашата галактика, Млечният път, тогава гравитацията започва да играе важна роля. В момента, в който имаме неравномерно разпределение на газа в кутията, нещата започват да гравитират едно към друго. Тогава гравитацията създава ред от безпорядъка, появяват се звезди, като гравитацията привлича нещата едно към друго. Затова аз лично мисля, че топлинната смърт вече се е случила веднъж и Вселената след това се е възродила. Раждането на Вселената в горещия Голям взрив – това е топлината, която вече е разпръсната, това е фоновото излъчване, минус 270 градуса по Целзий. Първоначалната Вселена е умряла, но защо умира и се възражда като феникс? Ами заради този гравитационен процес, който започва да превръща водорода в енергия и да създава звезди. Сега сме във втората фаза на живота на Вселената и тя пак ще умре.
МБ: Това е изцяло хипотетично или има научни доказателства?
ДГ: Ами не е изцяло хипотетично, защото доказателството е, че ние сме тук. А ние сме тук, защото големи облаци от газ са колабирали, за да създадат звезди, планети и хора.
МБ: А доказателства за вече настъпилата топлинна смърт?
ДГ: Фоновото излъчване. Вселената се ражда в много, много горещо състояние. Около 300 000 години след раждането си тя е с температура около 6000 градуса, колкото е и понастоящем температурата на Слънцето. А сега температурата е минус 270 градуса.
МБ: Бих искал пак да се върна на идеята за прехода от порядък към безпорядък и втория закон на термодинамиката. Питър Аткинс, в твоята книга „Пръстът на Галилео“ ти използваш за пример астрономическия часовник в Прага, за да разграничиш илюзиите, както ти ги наричаш, за (растяща) сложност от действителността на увеличаващия се безпорядък. Много добър, много изчистен образ. Отдалечава ни от парната машина. От парен локомотив стигнахме до часовник. Можеш ли само да ни кажеш, все пак, защо според теб този пример е важен?
ПА: Защото имаме процес, който задвижва сложна схема от взаимодействащи си елементи, който поражда, ако щете, както казвам в книгата, деянията на апостолите, чиито образи се въртят на онзи часовник. Тази метафора наистина резюмира всичко казано досега: имаме в същината си движеща сила, която е просто естествената склонност на енергията и материята да се разпръскват. В този случай, става дума за спускането на тежест, която разпръсква енергията си чрез търкане и т.н. Необратимо е в смисъл, че тежестта пада, енергията се разпределя през останалата част на Вселената. Но всички тези зъбчати колелца се задвижват от падането на тежестта, а те задвижват появата на един апостол през вратичката, после друг през другата вратичка, и тези фигури правят тези смешни неща и т.н. И това наистина ни дава образа на това, което сме всъщност ние – това е образ на самата биосфера. В нашия случай, както Моника посочи, движещата сила е Слънцето. То е горещият източник на тази соларна парна машина, поражда и разпръсква енергията ѝ. Растителността на Земята, така да се каже, съответства на буталата и зъбчатите колела на парната машина, и движи процесите на растеж на Земята. После ние използваме задвижената от Слънцето растителност, за да движим себе си. Тъй че имаме последователност на процеси – едно нещо използва определено гориво, за да създаде гориво за друго нещо.
МБ: Моника, искаш ли да добавиш нещо тук?
МГ: Исках само да попитам Джон за тази втора, или по-скоро първа топлинна смърт на Вселената. Защото, разбира се, фоновото излъчване не е напълно хомогенно – не е еднакво навсякъде. А тези разлики всъщност са причина да се формират галактики, тези малки, мънички вълнички на фоновото излъчване. Може би ако топлинната смърт е съвършена еднородност, пълна изотропия, тогава не бихме могли да кажем, че вече сме преминали през топлинна смърт на Вселената.
ДГ: Почти смърт тогава.
МГ: Почти, да. Били сме близко!
МБ: Добре! Може ли сега да се върнем на цялата тази работа с прехода от порядък към безпорядък. Еволюцията сякаш противоречи на тази идея. Едно от нещата, които се случват с еволюцията – много неща се случват – но едно от нещата е, че животът става все по-сложен. Човешкият мозък е най-добрият пример, нали така, за това усложняване. Какво правим с втория закон на термодинамиката, който твърди, че нещата стават все по-зле, че се изхабяват и губят? Моника, искаш ли да отговориш първа?
МГ: В този случай ние наблюдаваме само една много малка система.
МБ: Да, но тя е част от цялото, нали?
МГ: Да, ние сме част от цялостната система. Ако наблюдаваме нещо, което става все по-сложно в тази част на системата тук, това не означава задължително, че другаде същото не се отразява като увеличаване на безпорядъка.
МБ: Но как?
МГ: Всичко се захранва от енергията на Слънцето, цялото това увеличаване на сложността.
МБ: Но как се връзва това с идеята, че нещата стават все по-хаотични и следователно все по-неорганизирани, когато с еволюцията ние виждаме как нещата стават по-сложни и по-организирани. С твоето обяснение ти казваш „А! Безпорядъкът се случва другаде!“ – заради някаква магична неизбежност на равновесието. Безпорядъкът е там някъде, далеч-далеч, и с едно махване на ръката той компенсира увеличаващата се сложност тук. Къде е това там? И защо тук се случва тази увеличаваща се сложност?
ДГ: Двете са свързани. Тези интересни неща, които се случват и ти наричаш сложност – те се случват само където има енергиен поток. Трябва да седиш насред този поток, за да се случват интересни неща. Може да е водопад или човешко същество. Енергията протича през системата. Тази енергия трябва да идва отнякъде и да е свързана с теб. В нашия случай тя идва от Слънцето. Увеличаването на ентропията, произвеждана от Слънцето, създава този поток от енергия, който ни позволява да създадем съответната, но по-малка промяна в обратната посока.
МБ: Но не ви ли притеснява това, че този процес противоречи на втория закон на термодинамиката? Нещата не стават по-зле, не се хабят, не стават по-неорганизирани. Нещата стават по-сложни и все по-подредени.
ПА: Ние сме едно временно укротяване на хаоса. Преминаваме към по-голяма сложност чрез създаването на по-голям безпорядък другаде.
МБ: Ето отново. Но къде е това другаде, за което все говорите?
ПА: При Слънцето, в крайна сметка. Искам да кажа, че това е разпръскването на енергията на Слънцето, която създава растителността на Земята. Животните ядат растителността, използват я като гориво, което движи процесите в тях – техния растеж, възпроизвеждането им и мисленето им, нашето мислене.
МБ: Но…
ПА: Нека да използваме една друга аналогия: ако седиш пред параван и виждаш как една тежест тръгва нагоре, ти си казваш „О, чудо!“ Но после поглеждаш зад паравана и виждаш, че всъщност там има друга тежест, която пада надолу и тегли първата тежест нагоре. Когато наблюдаваш цялостната картина, разбираш, че обяснението е просто: енергията се разпръсква и движи събитията, които ти виждаш като увеличаваща се сложност. Всъщност те създават безпорядък, а порядък – само тук, локално.
МБ: Това е хубаво, спретнато обяснение. Сигурно и тримата сте напълно прави. Просто изглежда сякаш нещо ни се изплъзва. Моника?
МГ: Е, ти, като едно временно укротяване на хаоса, точно така ще си помислиш!
МБ: Най-хубавият комплимент, който някога са ми правили!
МГ: Да вземем само Слънчевата система. Ние сме само една от планетите в Слънчевата система. И сложността изглежда се увеличава на нашата планета, но доколкото ни е известно, не и на другите планети. На другите планети, доколкото знаем или можем да видим, няма увеличаващ се порядък, увеличаваща се еволюция от поредица от форми на живот. Ние тук сме едно малко кътче от цялото.
ДГ: Мога да дам и един домашен пример – най-обикновен хладилник. Ако имате хладилник вкъщи, то той работи също по чудо. Хладилникът прави нещата вътре по-студени. Взема топлина от по-студеното място и я мести на по-топлото. Изхвърля топлината навън и се загрява. Тъй че ако погледнеш цялото, виждаш, че не нарушава законите на термодинамиката. А ако имаш затворена херметично стая с хладилник вътре и оставиш вратата на хладилника отворена, докато е включен, какво се случва със стаята? Не става по-студена, защото някакъв студ идва от хладилника. Става по-топла заради топлината, която хладилникът отделя, защото няма 100 % ефективност и произвеждаш повече топлина навън, отколкото студ вътре. Така стоят нещата и с нас. Ние сме вътре в хладилника, а навън е Слънчевата система.
МБ: Честно казано, стана ми ясно още в началото, но исках да поупорствам малко. Сега, Айнщайн казва, че „термодинамиката е единствената физична теория с универсално съдържание, за която съм убеден, че никога няма да бъде отхвърлена.“ Съгласни ли сте с това изказване?
ПА: Да. Мисля, че ако търсим вечните закони в науката, закони, които важат завинаги, има много малко такива. Вторият закон на термодинамиката е такъв, той притежава универсална валидност. Предполагам, че едно от неговите проявления – еволюцията чрез естествен подбор – защото тя е наистина едно от проявленията на втория закон, биосферата действа като буталата и пр. на парната машина – също е универсална. Където има живот, там има и естествен подбор. Предполагам, че запазването на енергията, първият закон на термодинамиката също е универсален. Тъй че днес говорим за неща, които никога няма да бъдат погрешни.
МБ: Наистина ли? Може ли човек да твърди такова нещо?
МГ: Да, аз вярвам в това. Някои от другите закони, които познаваме – Нютоновите закони на механиката, класическата механика – не работят, когато слезем на нивото на атома. Но законите на термодинамиката важат и на нивото на атома, и на космоса.
ДГ: Има едно условие, нещо, което споменах в началото. Тези закони се отнасят за състояния на равновесие, строго погледнато. Интересните неща се случват, когато няма равновесие и има обмен на енергия. Тъй че, да, вторият закон на термодинамиката е абсолютна истина – в определени случаи, но термодинамиката е по-голяма от втория закон и още по-интересна.
МГ: Трябва да отбележим, че ние говорим за нашата Вселена като за система, докато има предположения, че може би тя не е проста вселена, че сме само едно балонче в мултивселената. Тогава какво правим?
ПА: Тогава вторият закон на термодинамиката важи за нашето балонче. Но аз не съм съгласен с Джон. Той каза, че говорим само за равновесие. Говорим за приближаването към равновесие, което е съвсем различно. Освен това, ние, организмите, сме спирки по пътя към равновесието. Ние не притежаваме равновесие. Получаваме го, след като умрем и се върнем в пръстта.
МБ: Защо това да е равновесие, връщането към пръстта?
ПА: Защото реакциите приключват, а ние, аз и ти, сме сбор от реакции.
МБ: Това звучи по-скоро като изчезване, а не равновесие.
ПА: За мен няма разлика.
МБ: Наистина ли? (Бурен смях в студиото.)
ДГ: Да си мъртъв не е интересно, интересното е как умираш. Затова има толкова детективски истории.
ПА: Точно това е вторият закон.
МБ: Мисля да спрем дотук. Много ви благодаря наистина, Моника Грейди, Джон Грибън и Питър Аткинс. Беше трудно за вас да концентрирате нещата в рамките на предаването. Наистина, благодаря ви!