тих газов примерно в 15 раз повышает способность воздуха поглощать инфракрасное излучение.
Так Тиндаль открыл то, что мы называем парниковым эффектом. Водяной пар и углекислый газ, содержащиеся в земной атмосфере, задерживают часть солнечной энергии. По сути, они укрывают планету теплым одеялом. Не будь в атмосфере этих газов, температура земли резко упала бы и даже на экваторе была бы значительно ниже нуля.
Но что случится, если уровень парниковых газов — водяного пара и углекислого газа — повысится? Очевидно, что в атмосфере будет задерживаться больше теплоты, излучаемой с поверхности земли, и температура планеты возрастет. Как сразу отметили Тиндаль и его современники, угольные заводы времен Промышленной революции выбрасывали углекислый газ прямо в атмосферу, что приводило к повышению концентрации этого парникового газа. Таким образом Тиндаль еще в 1860-х годах продемонстрировал, что промышленная деятельность человека может оказывать воздействие на климат. Именно поэтому уже в 1917 году Александр Грэхем Белл, великий инженер и изобретатель телефона, стал призывать к использованию солнечной энергии для уменьшения рисков от неконтролируемого сжигания ископаемого топлива.
Полагаю, такова суть этой истории. Изучая теплоту, мы научились использовать ее, что значительно улучшило условия жизни людей. Однако с самого начала нас предупреждали о потенциальных опасностях, и, что особенно важно, у нас было время подумать о том, как их смягчить. Сегодня, в немалой степени благодаря тому, что ученые постигли законы термодинамики, мы нашли несколько стратегий борьбы с изменением климата. Ветряные электростанции и другие возобновляемые источники энергии уже вырабатывают около трети британского электричества, и нам известно, как увеличить их вклад. Ученые с безупречной экологической репутацией, от Джеймса Лавлока до Марка Лайнаса, призывают существенно увеличить производство ядерной энергии, поскольку оно не сопряжено с выбросом углеводородов и гораздо безопаснее, чем полагает большинство людей. Перспективными также кажутся геотермальные и приливные источники энергии. Главная проблема при работе с изменением климата носит не научный, а политический и эмоциональный характер. Одни отказываются признавать, что проблема вообще существует, а другие не хотят соглашаться с ее решениями.
И здесь я возвращаюсь к тому, почему решил написать эту книгу. Теперь как никогда важно, чтобы все мы имели базовое представление о термодинамике, ведь нам нужно принимать разумные и информированные решения о том, как обеспечить прогресс, сохраняя или улучшая условия жизни людей и не разрушая окружающую среду. Стоит ли нам обратиться к ядерной энергетике? Стоит ли водить электромобили? Каким налогом облагать бензин и какие субсидии предоставлять ветряным электростанциям? Нам никак не ответить на эти жизненно важные вопросы, если мы хотя бы в общих чертах не понимаем начала термодинамики.
Я уверен, что ответы найдутся в ходе хорошо обоснованных дискуссий. Наука о теплоте может и должна улучшать условия жизни людей, не уничтожая планету.
Дело за нами.
Благодарности
Многие люди оказали мне неоценимую помощь, пока я работал над этой книгой.
Мне очень повезло, что мой агент Патрик Уолш поддерживал и подбадривал меня, а также давал мне прекрасные советы с момента составления синопсиса до сдачи готовой рукописи. Огромное спасибо также Джону Эшу из агентства Pew Literary. Я очень благодарен Майлзу Арчибальду из издательства HarperCollins и Дэниелу Леделу из издательства Scribner, они с самого начала разделяли мой интерес к этой истории. В Scribner я также хочу сказать большое спасибо за усердную работу и поддержку Саре Голдберг, литературному редактору Стиву Болдту и дизайнеру Эриху Хоббингу.
Спасибо Хокану Гири за создание чудесных иллюстраций, которые передают научные идеи, оставаясь при этом приятными глазу и забавными.
Разбираясь в исторических и научных аспектах этой истории, я обращался к опыту множества людей. Доктор Дэниел Митчелл, научный сотрудник и директор Центра исторических исследований в Филадельфии, оказал мне бесценную помощь, особенно при работе над первыми двумя третями книги. В моем стремлении найти интуитивные объяснения многим научным концепциям меня активно поддерживал профессор астрофизики Университета Глазго Грэм Уоан. Большое спасибо доктору Джиму Шейху, который помог мне объяснить эксперименты Джеймса Клерка Максвелла в области кинетической теории. Работая над главой об Алане Тьюринге и морфогенезе, я получал бесценные советы Джереми Грина, профессора биологии развития Королевского колледжа Лондона. Огромное спасибо профессору Даниэлле Джордж из Манчестерского университета и профессору Радже Сенгупте из Университета Калифорнии в Беркли, которые сделали замечания к главам о теории информации и демоне Максвелла. При работе над последней главой о черных дырах я обращался за советами к доктору Соунаку Бозе из Гарвард-Смитсо-новского центра астрофизики. Я также благодарен Ехонадаву Бекенштейну, который выделил время, чтобы поговорить со мной о своем отце Джейкобе, что помогло мне при создании этой главы.
Огромное спасибо Саймону Шефферу, профессору истории науки из Кембриджского университета. Он терпеливо комментировал и правил многие страницы этой книги, а его страсть к истории науки и великолепное владение темой во многом вдохновили меня на создание этой книги.
И самое большое спасибо я говорю своему другу Эндрю Смиту, который интеллектуально и эмоционально поддерживал меня, вместе со мной переживая все взлеты и падения при работе над книгой. Немногим писателям выпадает счастье иметь в друзьях человека с безупречным вкусом, удивительной прозорливостью и способностью вдохновлять, которыми обладает Эндрю. Приложение 1
Цикл Карно
Сади Карно не просто хотел показать, что максимальное количество движущей силы, которое может быть получено из заданного теплового потока, определяется разницей температур нагревателя и охладителя. Он также хотел определить максимальное количество движущей силы М, которое машина может произвести из заданного теплового потока Н. (Если поделить М на Н, получится эффективность машины.) Для этого Карно построил абстрактную модель и описал, как будет работать идеальная машина. На практике сконструировать такую машину невозможно, но она позволяет определить верхний предел эффективности любого теплового двигателя.
Карно уже продемонстрировал, что эффективность идеальной машины не зависит от рабочего вещества. В связи с этим он предложил использовать вещество, свойства которого физики хорошо понимали, поскольку занимались его изучением с XVII века. Этим веществом стал атмосферный воздух. Его поведение при нагревании, охлаждении, сжатии и расширении подчиняется известным математическим законам. Воздух подобен большинству газов, однако, поскольку он остается в газообразном состоянии даже при температуре значительно ниже 0 °C, законы, описывающие его поведение как газа, действуют в широком диапазоне температур. (Те же самые законы перестают действовать, когда пар превращается в жидкость при 100 °C.)
Особый интерес для Карно представляли два аспекта поведения воздуха. Первым был неожиданный факт, что температуру воздуха можно увеличить или уменьшить, не изменяя количество содержащейся в нем теплоты.
Представьте цилиндр вроде того, что используется в паровой машине. Он стоит вертикально, и поршень ходит в нем вверх-вниз. Цилиндр герметично закрыт, поэтому теплота не может ни входить внутрь, ни выходить наружу. Теперь надавите на поршень и сожмите воздух, чтобы он занял, скажем, половину первоначального объема. Газ будет сопротивляться — вам придется приложить усилие, чтобы передать поршню движущую силу, — однако в результате сжатия температура воздуха поднимется примерно на 60 °C.
Такое сжатие, при котором теплота не поступает в газ и не покидает его, называется адиабатическим. Адиабатическое сжатие обратимо. Сжав воздух, отпустите поршень и позвольте воздуху расшириться и передвинуть поршень в исходное положение. Пока цилиндр герметично закрыт, газ будет остывать до первоначальной температуры и отдавать то же количество движущей силы, которое вы сообщили ему при сжатии. Поскольку теплота не поступает в газ и не покидает его, такой процесс называется адиабатическим расширением.
Второй аспект поведения воздуха, интересовавший Карно, связан с тем, что происходит, если теплота из нагревателя все же поступает в газ. Это может и повышать температуру газа, и приводить к его расширению, в результате чего газ начинает давить на стенки резервуара. Такое расширение толкает поршень паровой машины. Карно заключил, что для достижения максимальной эффективности вся теплота, поступающая в цилиндр, должна расходоваться на расширение газа, и никакая частьэтой теплоты не должна уходить на повышение его температуры.
Но здесь, казалось бы, возникает противоречие: как добавить к чему-то тепла, не делая его при этом более горячим?
На практике добиться такого почти невозможно, но теоретически это происходит следующим образом: поршень располагается почти на дне вертикального цилиндра. Горячий воздух, температура которого равна температуре примыкающего к цилиндру нагревателя, сжимается до небольшого объема между поршнем и дном цилиндра. Затем газ расширяется и толкает поршень, тем самым создавая движущую силу. Если бы цилиндр был полностью герметичен — если бы шел адиабатический процесс, — то газ бы остывал. Однако, поскольку цилиндр находится рядом с нагревателем, в него поступает теплота, приток которой компенсирует снижение температуры.
Таким образом, при поступлении теплоты воздух расширяется, создавая некоторое количество движущей силы, но его температура при этом остается неизменной. Такой процесс называется изотермическим расширением. При заданной неизменной температуре он производит максимум движущей силы из заданного количества теплоты.