Приветствую Вас, Гость! Регистрация RSS
Вторник, 27.06.2017
Главная» История энергии. Энтропия. От порядка к беспорядку.
16:31
История энергии. Энтропия. От порядка к беспорядку.
Как людям удалось найти энергию, чтобы преобразовать такую планету, как Земля?
Глядя на Землю ночью, мы видим, насколько успешны мы были в области использования и управления энергией и насколько это важно для нашего существования.

Энергия является жизненно важной для всех нас. Мы используем ее для создания структур, которые окружают и защищают нас. Мы используем ее для нужд транспорта и освещения наших домов. И даже более существенно то, что энергия имеет важное значение для самой жизни. Без энергии, которую мы получаем из пищи, которую мы едим, мы бы умерли. Но что такое энергия? И что делает ее такой полезной для нас? В попытке ответить на эти вопросы, ученые придумали странный набор законов, который связал воедино все, от двигателей, до людей и звезд.

Оказывается, энергия имеющая важное значение для нашей повседневной жизни также помогает нам понять всю Вселенную.

Этот интригующая история о том, как мы обнаружили правила, которые управляют Вселенной. Это история о том, как мы поняли, что все формы энергии обречены на деградацию и уничтожение. Чтобы перейти от порядка к беспорядку.

Это история о том, как этот удивительный процесс был использован Вселенной, чтобы создать все, что мы видим вокруг нас. На протяжении человеческой истории, Мы придумали самые разнообразные способы извлечения энергии из окружающей среды. Все, начиная от сбора фруктов, до сжигания древесины, плавания под парусом и водяных мельниц.

Но около 300 лет назад, произошло нечто невероятное. Люди создали машины, которые были способны обрабатывать огромное количество энергии, чтобы выполнять ранее немыслимые задачи. Это произошло благодаря многим людям и по разным причинам, но я хотел бы начать эту историю с одного из самых интригующих персонажей в истории науки. Одного из первых, кто попытался понять сущность энергии.
Готфрид Лейбниц был дипломатом, ученым, философом и гением.Он постоянно пытался понять механизмы работы Вселенной. Лейбниц, как некоторые из его великих современников, был абсолютно убежден, что мир, который мы видим вокруг нас- это огромная машина, созданная сильным и мудрым человеком. И если бы мы могли понять принцип действия машин, мы могли бы таким образом понять, как действует Вселенная, и принципы, которые были использованы для ее создания. Согласно Лейбницу, существовали очень близкие отношения между теологией и философией, с одной стороны, и техникой и механикой, с другой. Именно эти отношения между философией и механикой в 1676 году заставили его исследовать то, что, на первый взгляд, казалось очень простым вопросом. Что происходит, когда объекты сталкиваются? Это был вопрос, над решением которого ломал голову Лейбниц и многие его современники.

Когда эти два шара сталкиваются друг с другом, движение одного будет передаться другому. Это похоже на то,как если бы что-то передавалось от одного объекта к другому. Лейбниц называл это "живой силой". Он думал о ней как о вещи, как о реальной физической субстанции, обмен которой происходит во время столкновений. Лейбниц утверждал, что мир- это живая машина и что внутри этой машины есть некоторое количество живой силы помещенное туда Богом при сотворении и которая всегда будет оставаться неизменной. Таким образом, количество живой силы в мире будет неизменным. Нужно было разгадать эту головоломку.

Лейбниц скоро нашел простой математический способ, чтобы описать живую силу. Но он также мог наблюдать нечто другое. Он понял, что в порохе, огне и паре, характер высвобождения жизненной силы был очень мощным. Если это можно было бы использовать, то это дало бы человечеству невероятные возможности.

Лейбниц вскоре был очарован способами захвата живой силы. У Лейбница завязалась переписка с молодым французским ученым, которого звали Дени Папин. благодаря переписке Лейбниц и Папин поняли, что живая сила, выпущенная в определенных ситуациях, действительно может быть использована. Тепло может быть преобразовано в ту или иную форму полезного действия. Но как далеко может зайти эта идея? У Папина не было никаких сомнений.

Это выдержка из его письма Лейбницу:
"Я могу заверить вас, что чем больше я продвигаюсь вперед, тем больше я нахожу оснований положительно оценивать это изобретение, которое в теории, может увеличить власть человека над бесконечностью. Но на практике, я считаю, что я могу сказать без преувеличения, Что один человек с помощью этого сможет сделать столько, сколько 100 человек смогут сделать без него."

Можно сказать, что Лейбниц и Папин изменили мир навсегда. Ну, они этого не сделали. Их мысли были глубокими и далеко идущими, это да, но, на самом деле, они не сильно изменили положение вещей. Для этого нужно нечто более осязаемое. Нужны инновации, нужна промышленность. Нужны бесчисленные квалифицированные рабочие и ремесленники, которые смогут воплотить эти идеи в жизнь и экспериментировать с ними.

В следующее столетие, последовавшее за временем Лейбница и Папина, их идеи воплотились в реальность. живая сила была эффектно укрощена. Машины, о которых они мечтали, стали реальностью. Паровые двигатели были передовой технологией XIX-го века. Если рассматривать историю развития цивилизации, большим шагом вперед был паровой двигатель, потому что он заменил мышцы, мышцы животных, в том числе и наши мышцы, применив вместо них силу пара. И сила пара была действительно безграничной и способной делать почти невообразимые вещи. Но технологии использования пара сделали гораздо больше, чем просто преобразование человеческого общества. Они раскрыли правду о том, что Лейбниц назвал живой силой и породили новые идеи, дающие представление о том, как устроена Вселенная.

Это насосная станция "Crossness" на юго-востоке Лондона. Это невероятный промышленный собор, где находятся одни из самых выдающихся паровых машин Викторианской эпохи. Эта станция была построена в 1854 году, здесь находятся четыре огромных машины, требовавшие 5000 тонн угля в год, чтобы приводить в действие их 47-тонные валы. Все в этом месте, кажется, было построено, чтобы произвести впечатление. от кованных металлических конструкций - до массивных колонн, как в греческом или римском храме. Подобное можно было бы увидеть на роскошном океанском лайнере для богатых и знаменитых. И все же она была построена для обработки сточных вод. Хотя лишь немногие рабочие и инженеры видели его внутреннюю сторону, пар стал такой важной частью могущества и экономического процветания Великобритании, что ему оказывалось почти религиозное уважение.

Несмотря на огромный успех и безграничную власть, которыми паровые двигатели одарили своих создателей, то, как и почему они работали, было большой загадкой. В частности, такие вопросы, как: "Насколько эффективно они могут быть сделаны?" "Есть ли ограничения в их мощности?" В конечном счете, люди хотели знать, чего можно добиться с помощью пара. Причина этих вопросов была достаточно проста - почти никто не понимал фундаментальный характер парового двигателя. Очень немногие знали о космическом первоисточнике, который лежал в его основе. Эти большие громыхающие машины, которые мы считаем первыми паровыми двигателями, на самом деле были семенами понимания всего, что происходит во Вселенной. Как бы странно это ни звучало, паровые двигатели скрывали в себе тайны космоса.

Шато-де-Венсен в Париже. События, произошедщие здесь, помогли одному человеку раскрыть космические истины парового двигателя и помогли создать новую науку. Это была наука тепла и движения. Термодинамика. В марте 1814 года, во время Наполеоновских войн, когда Наполеон и его армии воевали повсюду, кроме Парижа, этот город подвергся длительной атаке объединенных сил России, Пруссии и Австрии. Граждане были развернуты вокруг ключевых позиций, чтобы защитить их.

Один замок защищался группой неопытных студентов, которые были вынуждены отступить под непрерывным огнем артиллерии. Одним из них был блестящий молодой ученый и солдат. Его звали Никола Леонард Сади Карно и унижение, которое он испытал лично, мотивировало его на то, чтобы раскрыть принцип действия всех двигателей.

Карно происходил из весьма уважаемой семьи военных. После поражения французов здесь и в других местах по всей Европе, он захотел вернуть утраченный престиж Франции. Карно беспокоило технологическое превосходство, которым, казалось обладали враги Франции. И Великобритания, в частности, обладала огромным преимуществом как в военном, так и в экономическом плане, благодаря использованию паровой энергии. Карно решил узнать, каков принцип действия паровых двигателей и использовать эти знания на благо Франции. Он говорит совершенно явно, что если бы можно было забрать паровые двигатели у Великобритании, то Британская империя рухнула бы. Вслед за французским военным поражением он пишет о том, что нужно буквально анализировать источник британского могущества путем анализа того, как работают огонь и тепловые двигатели. Живя на половинном жалованье вместе со своим братом Ипполитом в небольшой квартире в Париже, в 1824 году Карно написал теперь легендарные «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», В этой работе, менее чем на 60 страницах, он описал основной принцип действия всех тепловых двигателей.

Карно увидел, что все тепловые двигатели состоят из источника тепла находящегося в холодном окружении. Карно считал, что тепло было своего рода веществом, которое может течь, как вода от горячего к холодному. И так же, как вода, падая с высоты, поток тепла может быть использован для выполнения полезной работы. Открытие Карно было важно для того, чтобы показать, как сделать тепловые двигатели более эффективными. Все, что вам нужно - увеличить разницу в температуре между источником тепла и его окружением. Эта идея помогала инженерам в течение 200 лет. В конечном счете, двигатель автомобиля более эффективен, чем паровой двигатель, потому что он работает при гораздо более высокой температуре. Реактивные двигатели являются более эффективными потому, что они могут работать при очень высокой температуре.

Карно показал, что тепловые двигатели были не просто умным изобретением. Они приоткрывали дверь в более глубокие тайны природы. Они использовали поток энергии между горячим и холодным. Карно увидел истинную природу тепловых двигателей, и благодаря этому появилось новое направление науки. Но он не смог увидеть то влияние, которое окажет на мир его открытие.

В 1832 году эпидемия холеры распространилась по всему Парижу. Она была настолько сильной, что умерло почти 19.000 человек. Тогда не было никакого реального научного понимания того, как распространялись болезни, поэтому последствия эпидемии были ужасающими. Карно, не страшась риска, решил изучить и задокументировать распространение болезни. Но, к сожалению, он заразился сам и умер на следующий день. Ему было всего 36 лет. Многие из его драгоценных научных работ были сожжены, чтобы остановить распространение заразы и его идеи канули в безвестность.

Кажется, что мир был не готов к открытиям Карно. Карно сделал первый большой вклад в формирование науки термодинамики. Но в XIX веке изучение тепла, движения и энергии начало охватывать широкие научные слои. Вскоре стало ясно, что эти идеи могли бы сделать гораздо больше, чем просто объяснить принцип работы тепловых двигателей. Так же, как Лейбниц подозревал, формулируя понятие живой силы, эти идеи были применимы в гораздо большем масштабе.

В середине XIX-го века ученые и инженеры очень точно определили, как различные виды энергии связаны между собой. Они измерили, какое количество одного вида энергии необходимо, чтобы сделать определенное количество энергии другого рода.

Позвольте привести вам один пример. Количество энергии, необходимое для нагрева 30 мл. воды на один градус по Цельсию такое же, как количество энергии, необходимое, чтобы поднять гирю весом 12,5 кг на один метр. Важный момент здесь то, что люди поняли, что хотя механическая работа и теплота могут казаться совершенно разными, они, на самом деле, грани одного и того же - энергии.

Эта идея станет известна, как первый закон термодинамики. Первый закон показывает, что энергия не появляется из ниоткуда и никуда не исчезает. Она просто переходит из одной формы в другую. Ученые XIX века поняли, что это означало, что суммарная энергия всей Вселенной, на самом деле, неизменна. Удивительно, но есть определенное количество энергии, которое преходит из одной формы в другую.
Так, в паровом двигателе, энергия не создается - она просто переходит из тепла в механическую работу. Но хотя первый закон звучит впечатляюще, он вызывает важный вопрос - что именно происходит, когда один вид энергии переходит в другой?

В самом деле, почему вообще это происходит? Ответ на этот вопрос будет, в частности, найден немецким ученым Рудольфом Клаузиусом. И это будет основой того, что станет известным, как второй закон термодинамики. Рудольф Клаузиус был талантливым студентом -физиком из Померании который учился в Берлине.

В невероятно молодом возрасте он стал блестящим профессором, в Берлине, а затем в Цюрихе в новом технологическом университете созданном в Швейцарии. В 1850-х и 60-х годах, Клаузиус предложил то, что было на самом деле, первым последовательным, полномасштабным, математическим анализом того, как работает термодинамика.

Клаузиус понял не только то, что во Вселенной существует фиксированное количество энергии, но и то, что энергия, казалось, следовала очень строгим правилам. Проще говоря, энергия в виде тепла всегда перемещается в одном направлении. Понимание этого есть, на самом деле, одна из самых важных идей во всей науке.

Как Клаузиус выразился, "Тепло не может само по себе переходить от холодного тела к горячему". Это очень интуитивная идея. Если оставить в покое эту горячую кружку чая, она всегда будет остывать. Это означает, что тепло будет переходить из горячей кружки в мою руку, а затем снова из моей руки в мою грудную клетку. Это может показаться совершенно очевидным, но это было важным открытием.

Поток тепла был односторонним процессом, который, казалось, построен на фундаментальный принципах работы всей Вселенной. Конечно, объекты могут стать теплее, но вы всегда должны сделать что-то с ними, чтобы это произошло. Оставшись одна, энергия, кажется, всегда рассеивается.
Одно из моих любимых высказываний в науке было сделано биохимиком Альбертом Сент Джорджем, который сказал: "Наука состоит в том, чтобы увидеть то, что все остальные уже видели, но подумать о том, о чем никто еще не думал".

И Рудольф Клаузиус, посмотрел на повседневный мир и увидел, что все остальные уже видели, что тепло не перемещается спонтанно, от холодного тела к горячему. оно всегда идет в другую сторону. Но он не просто сказал: "Да, я вижу это". Он действительно сел и стал размышлять над этим. Клаузиус собрал вместе все эти идеи о том, как энергия передается, и изложил их в математическом контексте. Это может быть выражено уравнением. Клаузиус ввел новую величину, которую он назвал энтропией. Это буква "S".

Энтропия, казалось, была показателем того, как тепло рассеивается и распространяется. Когда горячие предметы остывают, их энтропия возрастает. Клаузиусу казалось, что в любой изолированной системе этот процесс будет необратимым. Клаузиус был настолько уверен в своих анализах, что он понял, что это необратимый процесс, который происходит там, в открытом космосе. Он предположил, что энтропия Вселенной должна увеличиваться до максимального значения и мы ничего не можем сделать, чтобы избежать этого. Эта идея стала известна как второй закон термодинамики и она оказалась более странной, и более красивой, более универсальной, чем все, что Клаузиус мог себе представить.

Второй закон термодинамики, казалось, говорил, что все предметы, которые отдавали тепло, были, в некотором роде, соединены между собой. Все, предметы, которые отдавали тепло, были частью необратимого процесса, который происходит повсюду. Процесс распространения и рассеивания. Процесс увеличения энтропии. Казалось, что, так или иначе, вселенную ждет та же участь, что и чашку чая. Викторианским ученым повезло в том, что они могли делать эти большие научные открытия, и они могли видеть, что изучение термометра в стакане, на самом деле, может быть расширено, чтобы охватить всю Вселенную.

Несмотря на успехи термодинамики, В середине XIX-го века велись большие дискуссии и царила путаница в вопросе об ее предмете. Что именно представляла собой эта странная вещь, называемая энтропией, и почему она постоянно увеличивалась? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, потребуется невероятный интеллектуальный скачок, но это выявит, в конечном счете, правду об энергии и различных формах порядка и беспорядка, которые мы видим в окружающей нас Вселенной. Многие ученые смогут расшифровать таинственное понятие энтропии. Но одному из них, больше, чем любому другому удастся пролить свет на истину. Он покажет то, чем энтропия действительно является и почему, с течением времени она всегда должна возрастать.

Его звали Людвиг Больцман и он был истинным революционером науки. Больцман родился в Вене в 1844 году. Это был мир, научной и культурной определенности. Но Больцман уделял мало внимания укоренившимся убеждениям своих современников. По его словам, физический мир лучше изучать с открытым умом. Больцман не был стереотипным ученым. На самом деле, у него был темперамент, который скорее бывает у творческих личностей. Он обладал логическим и аналитическим умом, но в то время когда он работал, он испытывал сильное волнение, за которым следовали периоды страшной депрессии, которая делала его совершенно неспособным ясно думать. У него были ужасные психические кризисы и срывы, когда он действительно думал, что мир трещит по швам, и все же они сопровождались одними из самых глубоких озарений о природе нашего мира. Кроме математики, Больцман был страстно увлечен музыкой, и был покорен великими и драматичными операми Вагнера и сильными эмоциями Бетховена. Он был блестящим пианистом и мог потратить многие часы на исполнение работ своих любимых композиторов также, как он мог затеряться в глубоких математических теориях.

Больцман был ученым, который руководствовался своими эмоциями и инстинктами а также верой в то, что математика может раскрыть тайны природы. Именно эти черты помогли ему стать одним из авторов шокирующей и противоречивой теории. Эта теория описывает реальность в самых малых масштабах. Намного меньше, чем все, что мы можем видеть невооруженным глазом.

Во второй половине XIX-го века, небольшая группа ученых предположила, что в малых масштабах, то, как Вселенная действует, может сильно отличаться от нашего повседневного опыта. Если бы можно было посмотреть достаточно близко, казалось возможным, что Вселенная могла быть изготовлена из крошечных, твердых частиц, находящихся в постоянном движении. Если рассматривать тепло с точки зрения атомов, оно вдруг сразу становится гораздо менее загадочным понятием. Больцман и другие ученые полагали, что если предмет был горячим, это просто означало, что его атомы двигались быстрее. Если рассматривать мир, состоящим из атомов, то это казалось очень плодотворной идеей.

Но эта картина Вселенной обладала одной, казалось бы, непреодолимой проблемой. Как можно когда -нибудь изучить, триллионы атомов, находящиеся даже в небольшом объеме газа? Как придумать математические уравнения для описания всего этого? В конце концов, атомы постоянно натыкаются друг на друга, изменяя направление и скорость, и их просто слишком много. Это казалось почти неразрешимой задачей. Но Больцман нашел решение. Больцман видел более четко, чем кто-либо другой, что для того, чтобы объяснить новые пласты реальности, физика должна отказаться от определенности. Вместо того, чтобы понять и измерить точные движения каждого отдельного атома, Больцман предположил, что можно строить рабочие теории просто используя вероятность того, что атомы будут перемещаться на определенных скоростях и в определенных направлениях.

Больцман поместил себя внутрь материи. Он представлял себе мир за пределами нашей повседневной реальности и использовал математику, чтобы описать его. Именно здесь, на этой шкале, Больцману удалось разгадать глубочайшую тайну энергии - несмотря на враждебное отношение к его теориям. Идеи Больцмана были очень, очень противоречивы. И нужно помнить, что сегодня мы воспринимаем атомы, как нечто само собой разумеющееся. Но причина того, что мы воспринимаем атомы как данность, состоит в том, что математические расчеты Больцмана красиво сочетались с экспериментами.

Одним из самых удивительных аспектов этой истории является то, что многие из современников Больцмана воспринимали его идеи об атомах крайне враждебно. Сегодня существование атомов, и идею о том, что вся материя состоит из мельчайших частиц, мы принимаем как аксиому. Но во времена Больцмана многие видные физики просто не воспринимали это всерьез. Но почему? Никто никогда не видел атома и, вероятно, никто и никогда его не увидит. Как могли эти частицы рассматриваться как реальные? После одной из лекций Больцмана по атомной теории в Вене великий австрийский физик Эрнст Мах встал и просто сказал: «Я не верю, что атомы существуют!"

Это прозвучало резко и пренебрежительно. И так как такой комментарий исходил от такого уважаемого ученого, как Эрнст Мах, это было вдвойне обидно. Они говорили: "Нет, атомы не существуют". Это всего лишь названия, этикетки, удобные фикции, устройства подсчета. Они на самом деле не существуют. Мы не можем наблюдать их. Никто никогда не видел их. И по этой причине, критики Больцмана говорили, что он - фантазер.

Но Больцман был прав. Он заглянул в реальность глубже, чем кто-либо другой, и увидел, что Вселенная может быть построена благодаря атомной гипотезе и объяснена через математику вероятности.
Основание науки XIX века начинало рушиться. Когда Больцман открыл свой дивный новый мир атомов, он начал понимать, что его новое видение Вселенной содержит в себе объяснение одной из величайших тайн науки. Больцман видел, что атомы могли бы показать, почему второй закон термодинамики действовал, и почему природа вовлечена в необратимый процесс.

Атомы способны были показать, что энтропия действительно существует, и почему она всегда должна увеличиваться. Больцман понял, что все объекты - эти стены, вы, я, воздух в этой комнате, состоят из мелких компонентов. В принципе, все, что мы видим, собрано из триллионов и триллионов атомов и молекул. И это был ключ к его пониманию энтропии и второго закона термодинамики. Больцман понял то, что Клаузиус не мог понять. Реальную причину того, почему горячий объект, оставшись в покое всегда остывает.
Представьте себе кусок горячего металла. Атомы внутри него хаотически сталкиваются между собой. Но по мере того, как они сталкиваются, атомы на краю объекта передают часть своей энергии атомам на поверхности стола. Эти атомы затем сталкиваются со своими соседями, и так далее, тепловая энергия распространяется вокруг и рассеивается. Вся система прошла путь от особого, упорядоченного состояния, когда вся энергия была сосредоточена в одном месте, в неупорядоченное состояние, когда то же количество энергии распределено среди гораздо большего количества других атомов.

Больцман понял, что весь этот процесс может быть описан математически. Вклад Больцмана заключается в том, что несмотря на то, что мы можем говорить скорее о случайных условиях, когда порядок уменьшается, а беспорядок увеличивается, он смог выявить математическую закономерность. Таким образом, он смог вывести формулу, которая позволила произвести расчет беспорядка системы. Это знаменитое уравнение Больцмана. Это его фундаментальный вклад в науку, и оно было выгравировано на его надгробной плите в Вене. Это уравнение означает, по существу, что существует гораздо больше способов возникновения беспорядка системы, чем способов упорядочить ее.

Вот почему, предоставленная самой себе, Вселенная всегда будет стремиться к беспорядку. Все будет двигаться от порядка к беспорядку. Это закон, который распространяется на все, от упавшей кружки до пылающей звезды. чашки горячего чая, продуктов, которые мы потребляем каждый день. Все это является выражением тенденции Вселенной переходить от порядка к беспорядку. Беспорядок - это судьба всего на свете.

Клаузиус показал, что то, что он называл энтропией, все время становилось больше и больше. Больцман показал, что это на самом деле означало - Энтропия была,на самом деле, мерой беспорядка вещей. Энергия исчезает. Она исчезает сейчас, в то время, как мы говорим. Таким образом, второй закон термодинамики показывает, как возрастает энтропия. Это просто технический способ показать, что все становится хуже.
Страстная и романтическая чувствительность Больцмана и его вера в силу математики привели его к одному из самых важных открытий в истории науки. Но те же самые интенсивные эмоции были темной и разрушающей силой. На протяжении всей своей жизни Больцман был склонен к тяжелым приступам депрессии. Иногда они были вызваны критикой его теорий, а иногда они случались сами по себе.
В 1906 году он был вынужден сделать перерыв в учебе, когда он почувствовал себя особенно плохо. В сентябре 1906 года, Больцман и его семья отдыхали В местечке Дуино, близ Триеста в Италии. Пока его жена и семья были на пляже, Больцман повесился, положив конец своей короткой жизни в этом мире. Возможно, самой печальной стороной истории Больцмана является то, что спустя несколько лет после его смерти, его идеи, которые высмеивались в течение его жизни, были, наконец, приняты. Более того, они стали новой научной доктриной. В конце концов, нет никакой возможности избежать энтропии - это одностороннее движение от порялка к распаду и беспорядку, который правит всеми нами.

Уравнение Больцмана свидетельствует о том, что все конечно, начиная с Китайской вазы, человеческой жизни и кончая самой Вселенной. Процесс изменения и деградация неизбежен. Второй закон говорит, что сама Вселенная должна в один прекрасный день достигнуть точки максимальной энтропии, максимального беспорядка. Сама Вселенная должна однажды погибнуть. Если все ухудшается, если все становится неупорядоченным, вы можете задать вопрос, как случилось, что мы существуем.

Как же именно Вселенной удалось создать изысканную и сложную жизнь на Земле? Вопреки тому, что вы думаете все это существует именно благодаря второму закону. Великий беспорядок космоса приводит к его сложности. Можно использовать естественный поток от порядка к беспорядку, чтобы подключиться к процессу и сделать что-то новое для создания нового порядка и новой структуры. Это то, что невольно пришло в голову первым конструкторам паровых машин и это то, что делает все, что мы считаем особенным в нашем мире - этот автомобиль, здания, произведения искусства, и даже саму жизнь. Двигатель моей машины, как и все двигатели, сконструирован, чтобы использовать второй закон термодинамики. Он приводится в действие топливом, таким как этот бензин - наполненный энергией. Но когда он зажигается в двигателе, эта жидкость превращается в смесь газов в 2000 раз большую по объему - не говоря уже о выбросе тепла и звука в окружающую среду.

Порядок превращается в беспорядок. Интересно то, что мой автомобиль может использовать эту рассеивающуюся энергию. Он может взять небольшую часть ее и использовать ее для выполнения более упорядоченного процесса - приводить в действие поршни, которые вращают колеса. Двигатель использует поток энергии, возникающий при движении от порядка к беспорядку и делает что-то полезное.
Но дело не только в автомобилях. Эволюция создала тело человека, работа которого основана на том же самом принципе. Если я съем шоколадку, набитую упорядоченной энергией, мое тело обрабатывает ее и превращает ее в более неупорядоченную энергию но питает себя во время этого процесса. И машины и люди снабжают себя энергией, используя великий космический поток от порядка к беспорядку.
Хотя в целом мир разрушается и стремится к беспорядку, он делает это достаточно интересным способом. Это как водопад, который стремится вниз, но водопад выбрасывает струю воды, структуру и этой структурой могу быть я или вы или цветы или что - либо другое. Таким образом, можно увидеть, что разрушение Вселенной, это стремление к беспорядку может, на самом деле, быть конструктивным.

Паровые двигатели, электростанции, жизнь на Земле - все эти вещи используют космический поток от порядка к беспорядку. Причиной, по которой Земля сейчас выглядит так, как сейчас, является то, что мы научились использовать энергию разрушения Вселенной, чтобы сохранить и улучшить наш порядок. Но, по мере того, как человечество развивается, Мы должны найти новые источники концентрированной энергии которые мы можем использовать, чтобы создавать новые технологии, строить города, и наше общество. Начиная с пищи, дров, ископаемого топлива в течение человеческой истории мы обнаруживали все более концентрированные формы энергии которые мы использовали для того, чтобы процветать.
Сейчас в XXI-м веке мы находимся на пороге освоения высшей формы концентрированной энергии. Той, которая питает Солнце - Водород.

Это центр Cullham по изучению термоядерной энергии в Оксфорде и здесь ученые пытаются воссоздать звезду на Земле. Но, как вы можете себе представить, создание и содержание небольшой звезды - это нелегкий процесс. Для этого требуется труд многих сотен людей и весьма оригинальная технология.
Машина называется "токамак", и она предназначена для извлечения древнего типа высоко- концентрированной энергии. Энергии атомов водорода. Эти крошечные пакеты энергии были созданы в ранней Вселенной, всего спустя три минуты с момента творения. Теперь, используя токамак, мы можем извлечь концентрированную энергию, содержащуюся в этих атомах путем слияния их вместе. Внутри этой машины находятся два типа молекул водорода, дейтерий и тритий, которые смешиваются вместе до состояния, называемого плазмой. Температура этой плазмы может достигать невероятных значений - 150 миллионов градусов! Большие магниты в стенках токамака удерживают плазму, не позволяя ей касаться стенок, где она может остыть.

Когда она становится достаточно горячей, два типа атомов водорода сталкиваются вместе, образуя гелий и выбрасывают нейтрон. Эти нейтроны вылетают из плазмы и ударяются об стены токамака, но они несут энергию и есть надежда, что эта энергия может в один прекрасный день быть использована для нагрева воды, чтобы превратить ее в пар, который вращает турбины и вырабатывает электроэнергию.
По существу на мгновение внутри токамака создается небольшая звезда в форме пончика. Проблема состоит в том, что очень трудно поддерживать термоядерную реакцию достаточно долго, чтобы получить из нее энергию. И это то, над чем работают ученые из Кулхэма. Это союз физики и техники.

Как мы можем контролировать это горячее состояние, называемое плазмой? И как нам оптимизировать работу этой плазмы? Мы хотим, чтобы эти частицы оставались там как можно дольше, чтобы увеличить шансы их столкновения друг с другом. Мы пытаемся достичь максимума благодаря тому, что мы имеем в этой машине. И все, что мы узнаем об этой плазме, позволит нам создать в будущем машину, которая будет гораздо лучше.

Токамак добывает плодородный пепел Большого Взрыва, извлекая концентрированную энергию, сохранившуюся со времени образования Вселенной. Водород является самым распространенным элементом во Вселенной, и если в будущем машины смогут поддерживать термоядерные реакции, они дадут нам возможность получить доступ к практически неограниченной энергии.

Наука, которая началась как побочный продукт вопросов о паровых двигателях, термодинамика имеет ошеломляющее влияние на всю нашу жизнь. Она показала нам, почему мы должны потреблять концентрированную энергию, чтобы остаться в живых и показала нам, что Вселенная, скорее всего, прекратит свое существование.

Если посмотреть на Землю ночью, можно увидеть, как одна, на первый взгляд простая идея преобразовала нашу планету. За последние 300 лет, мы находили все более совершенные способы использования концентрированной энергии из окружающего нас мира.

Но все наши усилия и достижения весьма незначительны если смотреть с точки зрения более широкой Вселенной. Мы всего лишь пытаемся сохранить крошечную частицу порядка в космосе, который разваливается на части. Хотя мы никогда не сможем избежать нашей конечной судьбы, законы физики позволили нам осуществить этот краткий, красивый, творческий момент во время великого космического разрушения.

Я надеюсь, что благодаря лучшему пониманию Вселенной, мы сможем растянуть этот момент до многих миллионов может быть, даже миллиардов лет. Понятие информации является достаточно странным, это на самом деле очень трудная концепция. Но пытаясь понять ее, ученые обнаружили, что информация является фундаментальной частью нашей Вселенной.
Категория: Интересные статьи | Добавил: poliglot