Космос. Иллюстрированная история астрономии и космологии - Джон Норт

после того как эти законы были установлены, благодаря успешной работе физиков, в число которых входили Сади Карно, Юлиус Майер, Джеймс Джоуль, Герман фон Гельмгольц, Рудольф Клаузиус и Уильям Томсон, их стали рассматривать в качестве универсальных и применили к небу, сначала – к Солнцу. Как только пришло осознание того, что существует некий баланс, в котором должны учитываться все виды энергии – кинетическая, потенциальная, тепловая, электрическая, химическая и т. д., – стало ясно, что бо́льшая часть энергии, проявляющей себя на Земле, в конечном счете ведет свое происхождение от солнечного излучения. Но что служит источником самой солнечной энергии? И если энергия излучения Солнца, в принципе, может быть получена в результате преобразования энергии какого-то другого вида, то какого?

В работе, изданной на частные средства в 1848 г., Юлиус Роберт Майер высказал предположение, что она берется из механической энергии, высвобождающейся в результате непрерывной бомбардировки Солнца метеорными телами. Работа Майера не получила широкой известности, но позже ту же самую идею независимо выдвинул гораздо более недооцененный шотландский ученый Джон Джеймс Уотерстон, и за короткое время «метеорная гипотеза» привлекла к себе большое внимание. (Уотерстон представляет собой печальный пример человека, чьи идеи, особенно в области кинетической теории газа, оценили должным образом лишь спустя семь лет после его смерти.) Было довольно просто посчитать, сколько вещества должно упасть на Солнце с огромного расстояния, чтобы произвести количество тепловой энергии, уже измеренной по излучению. Джон Гершель и французский физик Клод Серве Матиас Пуйе независимо друг от друга с довольно хорошей точностью измерили количество тепловой энергии, получаемой от Солнца, и оценили, сколько тепла поглощает земная атмосфера. Годовое выпадение вещества было по-разному рассчитано разными авторами, но значение, полученное Уильямом Томсоном, является наиболее репрезентативным: расчетное количество годовых осадков составило порядка семнадцати миллионных долей солнечной массы.

Это еще один пример того, насколько выросло количество взаимосвязанных физических величин. Небесная механика была доведена до такого уровня совершенства, что даже столь малое количество могло быть немедленно отвергнуто как слишком большое. Как показал Томсон в 1854 г., это привело бы к сокращению периода обращения Земли вокруг Солнца примерно на две секунды в год, что было легко выявляемой величиной на интервале от Вавилона до XIX в. С другой стороны, Герман фон Гельмгольц построил более искусную механическую теорию. Согласно его идее, солнечная энергия возникает в результате превращения гравитационной энергии в тепловую в процессе конденсации материи, начиная с того момента, когда она была еще разреженным облаком. (Иногда эту версию «небулярной гипотезы» ошибочно называют «метеорной гипотезой».) В настоящий момент Солнце представляется сформировавшимся небесным телом, но его идея заключалась в том, что те же самые процессы сжатия все еще действуют и что гравитационная энергия (потенциальная энергия) медленно сжимающегося солнечного вещества продолжает превращаться в энергию, испускаемую Солнцем главным образом в виде тепловой энергии.

Эта гипотеза казалась гораздо более предпочтительной по сравнению с альтернативной теорией «солнечного топлива», которую выдвигали многие, а именно что источником солнечного тепла являются протекающие в нем химические реакции. Как указывал Томсон, ни одна из всех известных на тот момент самых энергетически емких химических реакций не сможет поддерживать излучение Солнца более 3000 лет. Даже теологам требуется больше времени.

Существует много вариантов, незначительно отличающихся от приведенных данных, и следующие вычисления проводятся только для того, чтобы обозначить путь к важному полученному впоследствии новому заключению. Сжатие, необходимое для того, чтобы снабдить Солнце столь огромным количеством лучистой энергии, будет сокращать его диаметр всего лишь на 75 метров в год, это слишком малая величина, чтобы стать доступной для измерения даже за интервал в сотни лет. (Диаметр Солнца составляет почти 1,4 миллиона километров.) Таким образом, гипотеза сжатия Гельмгольца была защищена от критики с этих позиций. Однако она приводила к выводу относительно того, насколько громадна временна́я шкала существования Солнца, и это казалось настолько опасным с теологической точки зрения, что астрономы нередко заранее извинялись за нее. Несложно посчитать, что в рамках этой теории тепловая энергия будет выделяться в течение 20 миллионов лет. Согласно утверждению Томсона, десять миллионов лет – это минимум, а то, что это может продлиться 50 или даже 100 миллионов лет, – весьма сомнительно.

Это был первый внятный физический довод в отношении возраста Солнца, и, конечно же, он определял нижний предел возраста Вселенной. Нет необходимости говорить о тех, кто верил, что мир создан Богом примерно за 4000 лет до рождения Христа, они были недовольны такой аргументацией. Следует признать, что к этому времени некоторые геологи настаивали на гораздо более долгом периоде, исходя из тех геологических изменений, которые претерпела Земля. Даже Бюффон в середине XVIII в. оценивал его в 75 000 лет, основываясь на темпах охлаждения Земли, и в три миллиона лет, если брать за основу отложение осадочных пород, хотя он не опубликовал последнее значение. Однако ко времени, когда Томсон сделал свои расчеты, такие геологи, как Чарльз Лайель, приводили значительно большие значения, и эта парадоксальная ситуация более половины столетия неустанно раздражала астрономов, занимавшихся Солнцем, хотя им было нетрудно найти ошибки в стандартных геологических методах расчета времени остывания Земли. То, как геологи примирились с этой своей проблемой, выходит за рамки данной книги, но, вообще говоря, всегда существовал простой способ сокращения временной шкалы: нужно было всего-навсего включить в мировую историю какую-нибудь грандиозную катастрофу. Можно даже сказать, что Библия указала им путь.

Из термодинамики следует извлечь еще один неудобоваримый вывод. Она предсказывала исчерпание движений во Вселенной, «состояние универсального покоя и смерти», как назвал его Уильям Томсон в своей статье «О возрасте солнечного тепла», если предположить, что Вселенная «конечна и подчиняется действующим законам». Он обошел это затруднение, выдвинув аргумент в пользу «некой верховенствующей созидательной силы», благодаря которой во Вселенной появляются живые существа, и что так устраняется потребность в «безотрадных взглядах» в отношении судьбы человечества. Он написал эти слова в 1862 г., менее чем через три года после того, как Чарльз Дарвин издал дискуссионную с точки зрения теологии книгу «Происхождение видов», где излагалась биологическая теория эволюции жизненных форм, теория, содержащая ряд интересных параллелей с законом, который Томсон и многие другие находили столь неприятным, – законом возрастания энтропии.

Этот второй закон термодинамики Клаузиуса означает, что все естественные процессы идут в одном направлении, а энтропия мира может только нарастать. Обычно энтропию называют мерой беспорядка, однако есть основания еще раз взглянуть на историю возникновения этой концепции. В 1847 г. Томсон указал на то, что если энергия не создается и не уничтожается (это первый закон термодинамики), то она утрачивает способность совершать работу. Так происходит, например, когда тепловая энергия передается от горячего тела к холодному, совершая при этом работу. По его словам, «рассеяние» энергии означает, что все процессы в природе идут в одном направлении. Как мы увидим вскоре, Рудольф Клаузиус и шотландский инженер Макуорн Ранкин сформулируют эту концепцию более четко. В 1865 г. Клаузиус назвал ее энтропией и сформулировал два закона-близнеца: первый – о постоянстве энергии во Вселенной, и второй – о том, что ее энтропия стремится к максимуму и будет делать это до тех пор, пока не останется никакой энергии, способной совершать работу. Таким образом, время может быть представлено в виде некой стрелы, указывающей в направлении «тепловой смерти» Вселенной, когда температура в ней полностью выровняется. Некоторые исследователи, такие как Томсон, находили