Тепловой поток и порядок
Физика знает абстрактные понятия, которые сегодня кажутся настолько привычными, что легко забыть о громадных научных достижениях, стоящих за ними. Например, мы думаем, что интуитивно понимаем термин «энергия»: энергия необходима для освещения, передвижения, обогрева и так далее. Однако мы редко осознаем, что здесь задействованы два фундаментальных закона природы: во-первых, сохранение энергии и, во-вторых, тот факт, что энтропия не убывает в замкнутой системе («склонность к беспорядку»)..
Ввиду последнего обстоятельства, оригинальное название фильма - "Порядок и беспорядок". В нем профессор физики Джим Аль-Халили из Университета Суррея (Англия) рассказывает историю термодинамики. Аль-Халили в течение многих лет появлялся в различных документальных фильмах о физике, и теперь он похож на Харальда Леша из Англии.
Помогите себе природу
Люди всегда использовали энергию, которая преобразуется в естественные процессы: сбор фруктов, сбор древесины, плавание под парусом или использование гидроэлектроэнергии - вот лишь несколько примеров. Со временем «машины для сбора энергии», такие как водяные мельницы, постоянно совершенствовались без понимания лежащих в их основе принципов. Немецкий эрудит Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646-1716) размышлял о «живой силе», которая обменивалась бы при столкновении двух бильярдных шаров. Он также признавал, что в порохе должны быть огромные силы, которые дремлют там и высвобождаются при воспламенении. Какое огромное преимущество было бы захватить эти силы, думал Лейбниц: один человек мог бы сделать работу сотен.
В этот момент документальный фильм переносит нас на насосную станцию Crossness на юго-востоке Лондона. Огромные паровые машины преобразовывали тепло в механическое движение в 19 веке. Хотя все, кто эксплуатировал такие машины, были заинтересованы, долгое время никто не знал: насколько эффективными они могут быть на самом деле? В 1824 году французский физик Николя Леонар Сади Карно (1796-1832) опубликовал статью, описывающую теплоту как тип вещества. Он изобрел понятие теплового потока и обнаружил, что разница температур в машине определяет ее эффективность. Открытия Карно в конечном итоге привели к первому закону термодинамики, согласно которому энергия может только трансформироваться, но никогда не возникает из ничего. Из того, что мы знаем сегодня, это верно для всей вселенной.
Немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888) сделал простое, но важное наблюдение, что теплота всегда переходит от более горячего тела к более холодному. Клавдий считается первооткрывателем второго закона термодинамики. Среди прочего, здесь утверждается, что энтропия не может уменьшаться в замкнутой теплонепроницаемой системе.
Микроскопический вместо макроскопического
Австрийский физик Людвиг Больцман (1844-1906) предложил математическую модель такого поведения. Аль-Халили представляет его как маниакально-депрессивного человека с сильными художественными наклонностями. Гениальный подход Больцмана заключался в том, чтобы рассматривать рассматриваемые системы как ансамбли бесчисленных атомов, движения которых не нужно отслеживать по отдельности, но коллективное поведение которых можно описать с помощью статистических методов. Однако такой подход вызвал ожесточенное сопротивление со стороны коллег. Австрийский физик Эрнст Мах (1838-1916), например, называл атомы «нереальными сущностями». Сегодня мы знаем: подход Больцмана был правильным.
Если закрытые системы всегда стремятся к беспорядку, то почему во Вселенной может формироваться что-то столь упорядоченное, как жизнь? Как показывает Аль-Халили, это возможно в незамкнутых системах, где течет энергия. Именно по этой причине живые существа должны принимать пищу: для поддержания своего упорядоченного состояния. Поэтому биосфера в целом и человек в частности постоянно зависят от источников энергии.
В последней сцене Аль-Халили логично посещает британский исследовательский центр Калхэм для исследования ядерного синтеза. Там физики пытаются разжечь огонь, который горит и на солнце. Проект Wendelstein 7-X в Грайфсвальде, преследующий ту же цель, может быть более знаком немецкой аудитории. Аль-Халили надеется, что мы сможем сохранить порядок на земле в течение нескольких миллионов лет, исходя из прекрасных фотографий внутренней части (английского) реактора.
В фильме затрагивается центральная и захватывающая тема физики, и визуализация превосходна, как это часто бывает в документальных фильмах Аль-Халили. Тем не менее, работа имеет некоторую длину и избыточность. Их было бы легко избежать, если бы в сценарий были включены другие физики, также внесшие свой вклад в термодинамику: например, Роберт Майер (1814-1878), Джеймс Джоуль (1818-1889) или Джеймс Максвелл (1831-1879).