Артур Орд-Хьюм - Вечное движение. История одной навязчивой идеи

• Название: Вечное движение. История одной навязчивой идеи
• Автор: Артур Орд-Хьюм
• Издательство: Знание
• Жанр: Техническая литература
• Год: 1980

Идея вечного двигателя на протяжении веков казалась многим реальной, легко осуществимой. Но шло время, а вожделенная идея оставалась все такой же далекой от реализации, как и прежде. Тем не менее безуспешные, казалось бы, усилия изобретателей вечного двигателя сыграли определенную роль к истории научной мысли. Об этом и рассказывает книга, написанная .английским авиатором и инженером.

Для широкого круга читателей.

---

Но были во все времена и шарлатаны, причем двух категорий. Одни начинали с честных попыток создать машину вечного движения, но затем осознавали обреченность своих затей и прибегали к различного рода надувательству, чтобы убедить большую часть публики в собственном успехе. Так, очень часто окончательный вариант их модели, выполненный с большим мастерством, содержал искусно спрятанный часовой механизм. Шарлатаны другого рода сразу начинали с обмана, полагаясь на невежество толпы, для которой вечное движение представлялось панацеей от всех бед. Их двигатели — средство выколачивания денег из меценатов. Как правило, эти жулики были талантливыми инженерами, возможно, самыми талантливыми из всех изобретателей вечных двигателей. Ведь в отличие от остальных они с самого начала понимали бесплодность своих поисков и поэтому обманом пытались достичь того, на что их менее способные собратья честно тратили значительные усилия.

С поисками вечного движения связана еще одна категория людей. Это те, которых сенсация и газетная шумиха заставляли вкладывать свои сбережения в сомнительные предприятия: промышленники, банкиры и даже политики, верившие, что они присутствуют при рождении великого открытия, способного совершить переворот в науке и принести им безоговорочное процветание.

Сегодня мы можем лишь посмеяться над той доверчивостью или даже глупостью, с которой наши предшественники относились ко всем этим надуманным проектам. «Tempore mutantur, nos et mutamur in illis» («Времена меняются, и мы меняемся вместе с ними») .

Но осуждать мы их можем только за неспособность понять, что вечное движение не существует в тех формах, в которых они его искали. Обладай они большей широтой интеллекта, они бы увидели то, что в современной науке и технике является общепринятым, и тогда дело могло принять другой оборот.

Современному читателю, живущему в сугубо прагматический век, поиски вечного движения, представленные в виде голых фактов, без исторического фона, могут показаться чуть ли не комичными. Но оглянитесь на несколько веков назад и повремените с оценками. Средневековье. Эпоха пара еще не наступила, и источником энергии служат ветер, вода и рабочий скот. Через дымку времени вы не можете не увидеть, каким реальным представлялось тогда существование вечного движения. И вы поймете простое величие и необходимость поисков перпетуум мобиле.

1. Вечное движение и физика

Попытаемся рассказать о законах природы, исключающих возможность создания перпетуум мобиле.

Постройте машину, которая совершала бы работу, большую, чем сообщенная ей энергия, и вы решите проблему вечного движения.

Чтобы вечный двигатель мог работать, он должен сам себя обеспечивать энергией. Иначе говоря, он должен вырабатывать ее в достаточном количестве, не имея никакого внешнего источника.

Представьте, что нужно рассчитать баланс энергии, затрачиваемой на совершение того или иного вида работы, будь то движение океанского лайнера, или забивание гвоздей, или полет со сверхзвуковой скоростью. В любом случае количество затраченной энергии всегда должно быть равно количеству энергии, произведенной или выделившейся в результате совершения работы. Энергия, которую мы не совсем точно называем потерянной, на самом деле не исчезает. Просто она переходит в иную форму, при этом исключается возможность ее дальнейшего превращения в механическую или электрическую энергию. Так получается оттого, что в результате трения происходит нагревание и часть энергии выделяется в виде тепла. И это, вообще говоря, справедливо для потерь любого вида энергии, ибо они в конечном счете всегда превращаются в тепло.

Эту же мысль можно выразить и иными словами: во всех случаях общая конечная сумма энергии равна ее общей начальной сумме. Энергия не возникает и не исчезает, но переходит в другую форму, иногда малополезную или совсем бесполезную. Например, тепло, выделяемое в двигателе внутреннего сгорания, — ненужный и тем не менее неизбежный продукт превращения энергии. Его можно использовать, скажем, для обогрева салона автомобиля, но сделаем ли мы это или не сделаем — все равно часть работы, совершаемой двигателем, будет тратиться на тепловые потери.

Все, о чем говорилось выше, и представляет собой существо важнейшего закона природы—закона сохранения энергии, или первого начала термодинамики.

Мы уже говорили, что вечный двигатель должен совершать полезную работу, не имея никаких внешних источников энергии. Проще сказать, в нем не должно сжигаться топливо и к нему не должны прикладываться механические усилия. Существует ряд свидетельств, что именно поиски такой не реализуемой на практике машины заложили фундамент механики как науки. Великие ученые прошлого приняли как аксиому невозможность создания перпетуум мобиле и тем помогли пробиться росткам новой науки.

Порой легко доказать негодность того или иного проекта вечного двигателя и тем самым показать, что данный конкретный способ его реализации не приведет к желаемому результату. Но это вовсе не означает, что автоматически исключается возможность построения перпетуум мобиле другими средствами. Поэтому до тех пор, пока не был четко сформулирован закон сохранения энергии, невозможность создания механического вечного двигателя, установленная многовековым опытом, вовсе не означала невозможность создания, скажем, двигателя химического. Конечно, бесплодность поисков вечного движения признавалась еще до того, как этот закон стал достоянием науки. Однако это мнение основывалось не на некоторых общих положениях, а на анализе принципа действия отдельных «машин вечного движения». Тщательное рассмотрение очередного проекта всегда обнаруживало какие-нибудь теоретические ошибки, из-за которых двигатель не мог работать, а претензии изобретателя оказывались несостоятельными.

В разработку общепринятого ныне критерия неосуществимости вечного движения, провозглашающего невозможность создания энергии из ничего, внесли свой вклад философы, математики, инженеры. Закон сохранения энергии стал неизбежным препятствием для изобретателей перпетуум мобиле. И все попытки преодолеть это препятствие кончались крахом.

Но вскоре было сформулировано еще общее положение, получившее название второго начала термодинамики. Это начало, говоря несколько упрощенно, гласит, что тепло не может увеличиваться самопроизвольно; иными словами, если более нагретое тело привести в контакт с менее нагретым, то будет наблюдаться выравнивание температур, а не увеличение их разности.

Это явление (выравнивание температур) долгое время не имело никакого теоретического объяснения. Впервые сформулированное немецким физиком Рудольфом Юлиусом Эммануэлем Клаузиусом (1822—1888), второе начало термодинамики носило чисто эмпирический характер. Правда, указывалось на аналогию между изменением температуры контактируемых тел и потоком воды, текущей вниз под действием собственной тяжести, но ситуация осложнялась тем, что не удавалось установить, какие же внешние силы управляют этим тепловым процессом. Поэтому, хотя эксперимент всегда обнаруживал уменьшение температуры, вплоть до последней четверти прошлого столетия высказывались сомнения относительно всеобщности второго начала термодинамики. Более того, некоторые ученые пытались опытным путем доказать, что существуют случаи, нарушающие справедливость этого начала.

В 1875 году вышла в свет знаменитая «Теория теплоты» Максвелла{5}, в которой утверждалось, что характер действия второго начала термодинамики может быть уточнен следующим мысленным экспериментом. Если представить себе некое устройство, которое сортировало бы молекулы по их скорости, то можно было бы без затраты работы и не нарушая закона сохранения энергии нагревать одну половину некоторого объема газа и охлаждать вторую. Результатом этого мысленного эксперимента и будет увеличение тепла в одной части сосуда с газом и уменьшение в другой. Видоизмененное таким образом второе начало термодинамики приобрело вероятностный, а не детерминированный характер.

В конце прошлого столетия физики Больцман{6} и Планк{7} заложили научные основы этого вопроса. Больцман, в частности, показал, что самопроизвольное выравнивание температур двух тел есть результат перехода молекул этих тел из менее вероятного в более вероятное состояние. Гипотетическая передача тепла в направлении от менее нагретого тела к более нагретому в свете этого доказательства возможна, но маловероятна.

Это положение можно проиллюстрировать простым примером. Закон диффузии газов очень близок к закону теплопереноса, поскольку в процессе диффузии молекулы газов стремятся распределиться равномерно. Если на газ не воздействовать извне, то будет наблюдаться тенденция к выравниванию его плотности. Было бы по меньшей мере странно, если бы газ, первоначально обладавший равномерной плотностью, вдруг стал бы скапливаться в одной части сосуда, оставляя при этом незаполненное пространство в другой его части. Аналогичное весьма маловероятное явление происходило бы с теплом, переходящим от менее нагретого к более нагретому телу.