Павел Ощепков - Жизнь и мечта

Во времена, когда не было еще понятия об электронах, когда даже мысленно не могла быть представлена описанная здесь схема, молодой французский инженер Сади Карно писал: «Тепло есть не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид, — это движение частиц тел. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей силы.

Обратно, всегда при исчезновении тепла возникает движущая сила. Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается, никогда не уничтожается, в действительности она меняет форму, т. е. вызывает то один род движения, то другой, но никогда не исчезает».

265

Многие теперь и ссылаются на Карно как на основоположника современной научной термодинамики, чтобы доказать, что теплота не может целиком переходить в другие формы энергии, в работу. Однако, как мы только что видели, сам Карно был определенным сторонником полной взаимопревращаемости тепловой и механической форм энергии. Если вспомнить, что он жил полтора века назад, можно только поражаться его прозорливости.

Вдумаемся в приведенные строки Карно. Они очень правильно трактуют философскую сторону поставленного здесь вопроса. Во всяком случае, в наше время он, наверное, был бы нашим союзником.

Чтобы закончить рассуждения о приведенной схеме, остановлюсь еще на одном очень важном вопросе.

Можно ли, хотя бы в принципе, осуществлять преимущественное движение электрических зарядов в замкнутой цепи?

Этот Bonpoic очень сложный, и подходов к его решению может быть несколько.

Начну еще раз с аналогий. Хотя они не служат доказательством, но очень часто помогают понять существо вопроса.

Тепловая энергия есть хаотическое, беспорядочное движение молекул. Если бы мы имели возможность наблюдать за одной какой-нибудь молекулой очень длительное время, то установили бы, что все направления движения для нее равно вероятны и все состояния энергии в пределах максвелловского распределения, установленного для данной температуры, равноценны. Молекула двигалась бы столько же раз вправо, сколько и влево, столько же раз вверх, сколько и вниз, и т. д.

В более крупных масштабах этот хаос можно наблюдать в движении ветра. Для большинства районов Земли все направления ветра равновелики и равноценны.

Конечно, есть на Земле районы, где отмечается преимущественное направление ветров. Но это только доказывает, что и в хаосе может быть определенный порядок.

Сейчас нас больше интересует полный беспорядок.

Спрашивается, можно ли из беспорядочного движения ветра получить упорядоченное, направленное течение энергии? Можно ли кинетическую энергию беспорядочного ветра, а следовательно, и беспорядочную энергию молекул воздуха превратить в упорядоченную энергию, например в потенциальную?

Оказывается, можно. Для этого надо только создать несимметричные препятствия на пути движения энергии этого вида. В простейшем случае это можно осуществить, например, так. Предположим, что в нашем распоряжении есть водное пространство достаточно большой величины.

266

И пусть над этим водным пространством в течение года или еще более длительного времени дуют ветры самого разного направления и самой разной силы. Одним словом, пусть в природе ветра будет полный хаос. И все же даже в этом случае можно преобразовать кинетическую энергию ветра в потенциальный вид энергии и затем добиться организованного перемещения водных масс, хотя сам ветер, как мы уже сказали, не имеет определенно выраженного направления.

При ветре на водной глади образуются, как известно, волны, движение которых в общем случае совпадает с направлением ветра. Если указанное водное пространство разделить несимметричным барьером (плотиной с различным наклоном стенок), то, встречая на своем пути барьер, волны будут либо отражаться от него, либо перекатываться через него. В том случае, когда волна набегает на крутую (вертикальную) стенку разделительного барьера, будет наименее вероятно ее прохождение через барьер и наиболее вероятно отражение от него. А в том случае, когда волна будет набегать на барьер со стороны пологой стенки, произойдет все наоборот — вероятность прохождения ее через барьер будет наибольшей, а вероятность отражения—наименьшей. При длительном наблюдении за такой системой мы обнаружим, что уровень воды в одной части бассейна повысится, а в другой понизится. Процесс изменения уровней будет продолжаться до тех пор, пока не наступит новое состояние равновесия, когда из-за высоты барьера для одной части бассейна уменьшится вероятность отражения волн, а для другой части — вероятность их прохождения через барьер.

Тогда наступит равновесие, характеризующееся образованием разных уровней воды справа и слева от барьера. Разные уровни воды означают, как известно, разные уровни потенциальной энергии, и поэтому можно сказать, что даже такая нехитрая система асимметричного барьера может привести к преобразованию хаотической, неорганизованной энергии ветра в организованное, направленное ее течение.

267

Очень наглядный и поучительный пример преобразования неорганизованного хаотического движения в организованную форму движения представляет собой классический чашечный анемометр — прибор для измерения скорости (|силы) ветра. Откуда бы и с какой бы силой ни дул ветер (кроме одного, осевого, направления), ось анемометра во всех случаях будет вращаться в одну сторону и с довольно высоким коэффициентом преобразования. Принцип действия такого анемометра основан на асимметрии лобового сопротивления чашечных крыльев.

Не так давно на страницах «Мадридского кодекса II» Леонардо да Винчи был обнаружен чертеж устройства ветряного двигателя весьма оригинальной конструкции.

Проект предусматривает горизонтальное вращение ветряного колеса. Это очень оригинальный проект, и можно только сожалеть, что в эпоху ветряных мельниц никто не знал о нем. Особенность спроектированного великим Леонардо устройства состоит в том, что ветряное колесо всегда готово к действию: откуда бы ветер ни дул, поворачивать крылья против ветра не надо. При всем хаосе всевозможных направлений ветра ветряное колесо такого типа будет вращаться только в одну, заранее заданную сторону. Особенность этого устройства состоит в несимметричном сопротивлении крыльев по отношению к усилиям ветра справа и слева от оси вращения.

На проекте имеется собственноручная пометка Леонардо да Винчи следующего содержания: «Проверить завтра, годятся ли ели в Порта делла Джустиции (во Флоренции) для постройки такой мельницы».

Еще одним примером преобразования хаотических движений в направленное, упорядоченное движение может служить механизм, который теперь широко используется в наручных часах для автоматического подзавода от неупорядоченных движений руки.

В движениях руки человека за большой промежуток времени нельзя выделить какого-либо преимущественного направления, однако стрелки часов идут, как известно, только слева направо.

В нашей лаборатории лет 10—12 назад был изготовлен небольшой механизм, который позволял демонстрировать принцип преобразования рассеянного хаотического теплового движения в организованное движение и на его основе непосредственно преобразовывать рассеянную тепловую энергию в энергию электрическую.

Внешний вид такого устройства представлен на вкладке.

268

Анализируя эти и многие другие примеры, в которых используется или может быть использован принцип асимметричного разделения процессов, можно утверждать, что преобразование хаотического движения в целенаправленное, упорядоченное вполне возможно.

Движение электронов проводимости внутри металла есть также хаотическое, неорганизованное движение, но если мы поставим в рассечку III приведенной схемы теплоэлектрического контура асимметричный потенциальный барьер, то сможем получить направленное, организованное движение зарядов внутри этой цепи. С методологической точки зрения это теперь не кажется неосуществимым.

Как сделать подобное устройство, технически теперь уже ясно. Для осуществления такого барьера может быть использован тоннельный эффект в тонкой разделительной пленке на границе двух металлов с различной работой выхода. Могут быть использованы и асимметричные потенциальные барьеры с детектирующими свойствами на пути свободного пробега электронов. Возможны и другие варианты.

ИНЕРЦИЯ МЫШЛЕНИЯ СИЛЬНЕЕ ЗДРАВОГО СМЫСЛА

Любопытный эпизод, вызвавший множество кривотолков, произошел несколько лет назад на одном из московских заводов. Эта история поучительна в двух отношениях. С одной стороны, она наглядно показывает столкновение двух точек зрения в вопросе о возможности использования энергии окружающего пространства, а с другой — подтверждает реальность создания зон с отрицательной температурой, по отношению к которым все окружающее пространство становится как бы «горячим телом».