Однажды в четвертом классе я пришел домой из школы и решил разогреть остатки пиццы, которые обнаружил в холодильнике. Я поставил духовку на 200 °C, сунул пиццу на средний уровень и стал ждать. Примерно через десять минут я проверил, как идут дела, и с удивлением обнаружил, что пицца по-прежнему такая же холодная, какой была, когда я ее доставал из холодильника. Тогда до меня дошло: ручку включения газа я повернул, а зажечь духовку забыл. (У нашей скромной плиты, как у многих в то время, не было встроенной системы поджигания газа, так что при каждом включении газ необходимо было зажигать спичками.) Следуя процедуре, которую я сотни раз наблюдал в исполнении родителей, я наклонился к открытой духовке и чиркнул спичкой, собираясь сунуть ее в специальное небольшое отверстие. К этому моменту в духовке скопилось довольно много газа, и, когда я зажег спичку, газ взорвался. На меня ринулась стена пламени. Я плотно закрыл глаза, и огонь пронесся мимо меня, спалив брови, ресницы и оставив на лице и ушах ожоги второй и третьей степени. Непосредственный жизненный урок, который не забыли отметить мои родители и который существенно закрепили месяцы болезненного лечения, был сфокусирован на правильном использовании кухонной утвари. (Со временем я оправился, и теперь в нашей семье готовлю в основном я — хотя каждый раз, когда мои дети включают духовку, я испытываю мгновенный приступ тревоги.) Но более серьезный научный смысл урока заключается в том, что на пути к более высокой энтропии возможны препятствия, которые преодолимы только при помощи катализатора. Сейчас поясню.
Природный газ (в основном это метан, соединение углерода и водорода) может мирно сосуществовать с кислородом воздуха; молекулы того и другого газа смешиваются без каких бы то ни было последствий. Однако, по мере того как молекулы распространяются и перемешиваются, систему начинает все больше манить вполне определенная конфигурация с намного большей энтропией. Но этой конфигурации невозможно достичь, просто позволяя молекулам и дальше свободно рассредоточиваться. Эта более высокоэнтропийная конфигурация требует химической реакции. Не нужно разбираться в деталях, но позвольте мне кратко проговорить все это. Одна молекула природного газа может соединиться с двумя молекулами кислорода, и в результате получится одна молекула углекислого газа, две молекулы воды, а также — и это самое важное — порция энергии. Именно так на уровне молекул выглядит процесс горения природного газа.
Химическая реакция высвобождает энергию, запертую в тесных связях, которые удерживают атомы в молекуле. Что-то похожее происходит, когда лопаются туго натянутые резинки. В случае моего инцидента с духовкой этот обжигающий энергетический выброс — сильно возбужденные и быстро движущиеся молекулы — обжег мне лицо. Все это говорит нам, что путем высвобождения энергии, запасенной в упорядоченных химических связях, и превращения ее в хаотическое движение стремительно движущихся молекул подобные химические реакции дают резкое повышение энтропии.
Хотя подробности этого события относятся к ошибке конкретного ребенка, сам эпизод демонстрирует физический принцип, имеющий широкое применение. На энтропийной дороге могут встретиться «лежачие полицейские»: природный газ и кислород, оставленные в покое, не станут вступать в реакцию, не станут гореть и не достигнут сами принципиально возможной высокоэнтропийной конфигурации.
Эти химические компоненты могут преодолеть энтропийный барьер только с помощью катализатора, способного запустить реакцию. В моем случае таким катализатором стала горящая спичка. Маленькое пламя, которое четвероклассник получил, чиркнув спичкой, запустило эффект домино. Энергия пламени разорвала связи в некоторых молекулах природного газа, что позволило освобожденным атомам углерода и водорода соединиться с соседними атомами кислорода; при это высвободилась дополнительная энергия, которая разорвала новые связи в молекулах природного газа, и так далее — процесс пошел. Взрыв представлял собой каскад энергии, порожденной быстрой перестройкой химических связей.
Отметим, что химические связи основаны на электромагнитном взаимодействии. Положительно заряженные протоны притягивают отрицательно заряженные электроны (противоположные заряды притягиваются), скрепляя атомные составляющие в молекулярные союзы. Это означает, что энтропийный скачок от спокойного перемешивания газовых молекул к взрывному горению, порождаемому разрывом и формированием химических связей, тоже обусловливается электромагнитным взаимодействием. Так же обстоит дело и во многих других повышающих энтропию процессах, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни.
Здесь, на Земле, мы реже с этим встречаемся, но в эпизодах, которые раз за разом разыгрываются в космосе, движение к повышенной энтропии часто обусловлено другими природными взаимодействиями: гравитационным взаимодействием и ядерными взаимодействиями (сильное ядерное взаимодействие скрепляет атомное ядро, а слабое — порождает радиоактивный распад). И как мы только что видели в случае с электромагнитным взаимодействием, путь к более высокой энтропии, прокладываемый гравитацией и ядерными взаимодействиями, тоже не всегда бывает гладким. На этом пути могут обнаружиться барьеры, и часто они там действительно есть. То, как Вселенная преодолевает эти барьеры, — космический аналог моего чирканья спичкой — дело тонкое. Но это дело должно глубоко интересовать всех нас. К числу преходящих объектов, которые формируются в процессе движения Вселенной под управлением гравитации и ядерных взаимодействий к более высокой энтропии, относятся звезды и планеты, а здесь, на Земле, — жизнь. При всем своем великолепии эти упорядоченные структуры — рабочие лошадки природы, которыми пользуются гравитация и ядерные взаимодействия, чтобы продвигать космос к реализации его энтропийного потенциала.
Сосредоточимся для начала на гравитации.
Гравитация, порядок и второе начало
Сила всемирного тяготения, или гравитация, — слабейшее из природных взаимодействий, что очевидно из простейшей демонстрации. Возьмите в руку монету. Мышцы вашей руки при этом преодолели гравитационное притяжение всей Земли. Каким бы вы себя ни считали, спортивным или хилым, победа над тяготением целой планеты только подчеркивает имманентно свойственную гравитации слабость. Единственная причина, по которой мы вообще знаем о гравитации, — это ее кумулятивная природа: каждый кусочек Земли притягивает к себе каждый кусочек монеты, и каждый кусочек этой книги, и каждый кусочек вашего тела, а поскольку Земли суммарно довольно много, все эти силы складываются в ту самую направленную вниз силу, которую мы на себе ощущаем. Но гравитационное притяжение между двумя не столь крупными вещами, такими как два электрона, в миллион миллиардов миллиардов миллиардов миллиардов раз слабее, чем их электромагнитное отталкивание.
Именно по причине имманентной слабости гравитации мы даже не упоминали ее при обсуждении энтропии. Если бы мы включили действие гравитации в повседневные ситуации, такие как распространение пара по вашей ванной или ароматов по всему дому, наш рассказ об энтропии практически не изменился бы. Разумеется, гравитация мягко тянет молекулы вниз, делая плотность пара возле пола чуть выше, но эффект этот настолько слаб, что для качественного понимания ситуации просто не имеет значения. Однако если перенести фокус внимания с повседневных процессов на астрономические, с участием гораздо большего количества вещества, то обнаружится глубоко значимое взаимовлияние между энтропией и гравитацией.
