Версия для печати

Уроки креационной науки
в старших классах средней школы

Пособие для учителей и учащихся

У Р О К 1
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ,
СВИДЕТЕЛЬСТВУЮЩИЕ О СОТВОРЕНИИ МІРА

В заключении к школьному учебнику физики [1] читаем: "Фундаментальные законы не нарушаются никогда ни при каких условиях. Все большее и большее число людей осознают, что объективные законы, которым следует природа, исключают чудеса, а познание этих законов позволит человечеству выжить".

Заключение довольно странное. Во-первых, объективные законы, которые нам представляются надежными при всех условиях, не могут тем не менее "запретить" появлению фактов нарушения этих законов. Факт такого нарушения законов должен говорить сам за себя. И если он действительно имел место, его нельзя отрицать как таковой, хотя бы и нарушались законы природы. Скорее надо подумать: верен ли сам открытый нами закон и при всех ли условиях он верен, чем с порога отрицать факт по известной поговорке: этого не может быть, потому что этого не может быть никогда. Если действительно было, значит, может быть.

Во-вторых, сам факт существования объективных законов природы, которые и в самом деле не нарушаются за весьма редкими чудесными исключениями, — является чудом большим, чем сами исключения — чудеса. Наличие объективных законов природы, законов, постижимых нашим разумом, свидетельствует о том, что мир, построенный на разумных законах, создан разумно. Законы природы, особенно общие, фундаментальные, не являются материальными придатками к материальным вещам. Законы эти познаются только разумом, притом разумом, способным к абстрактному мышлению. Они могут быть записаны на разных языках, в словесном объяснении, в формулах. Записи таких формул не являются свойствами знаков, входящих в формулы. Так или иначе, законы природы не есть что-то материальное. Они суть идеи, по которым организована материя. Открыв закон природы, человечество прославляет человеческий разум за его понимание той или иной идеи. Как же можно отрицать наличие Разума, притом нечеловеческого, который подал именно такую идею строения материи?

Еще более наглядным примером разумного устроения законов природы служат поразительные аналогии между математическими выражениями разных законов. К примеру, закон всемирного тяготения и закон электрического взаимодействия описываются совершенно аналогичными формулами: сила пропорциональна неким присущим самим телам характеристикам взаимодействия (массе или заряду соответственно) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Конечно, физики скажут, что это просто свойство нашего трехмерного пространства и потенциального поля, для которого справедлива теорема Остроградского-Гаусса. Но все же природа гравитационного и электрического взаимодействия разная! Не бывает в природе отрицательных масс или взаимного отталкивания между массами, как это происходит в электростатике. Тем не менее одна и та же математика — сугубо мысленная, умопредставляемая наука одинаково хорошо описывает совершенно разные чувственные вещи, имеющие различный физический смысл. Значит, какая-то более общая идея стоит над этой разной материальной природой и выражается через нее в аналогичных законах.

Другое интересное свойство массы должно натолкнуть нас на мысль о разумном создании — это полное тождество так называемой гравитационной и инерционной массы. Масса тела может быть определена двояко: по второму закону Ньютона, как отношение силы к ускорению, или же, как мера гравитационного взаимодействия тел — по закону всемирного тяготения. Совершенно ниоткуда не следует, что мера инертности тела при воздействии на него любой (не обязательно гравитационной!) силы должна в точности равняться "гравитационному заряду" этого же тела. В двух формулах Ньютона под массою понимаются совершенно разные характеристики тела, которые тем не менее в точности равны между собою. Не свидетельствует ли это о разумном Начале, связывающем оба закона природы?

АНТРОПНЫЙ ПРИНЦИП

О разумном замысле в природе свидетельствуют не только математические аналогии. Разумно устроенными оказались не только законы природы, но и многие материальные предметы, подчиненные этим законам. Законы природы — это грубо говоря, соотношения и формулы, но в эти формулы входят некоторые числа — физические постоянные. Для математика эти числа именуются параметрами. Можно было бы в порядке мысленного эксперимента или игры попробовать изменить эти параметры. Ученые это сделали, и оказалось что Вселенная точнейшим и тщательнейшим образом "настроена" на современные значения параметров, так что при любом их малейшем изменении, в ней не смогли бы существовать не просто разум и жизнь, но даже вещество, то есть атомы, более сложные, чем водород.

К таким параметрам относятся соотношения между массами протона и нейтрона и электрона, отношение заряда электрона к его массе, так называемые константы взаимодействия и соотношения между ними и целый ряд других величин. (Константой гравитационного взаимодействия можно ради простоты считать гравитационную постоянную, константой электрического взаимодействия — множитель в законе Кулона, зависящий от системы единиц. Подобным образом существует константа внутриядерного "сильного" взаимодействия. Нужно только для возможности сравнения представить их в безразмерном виде.)

Рассмотрим относительно простой пример. Разность масс покоя нейтрона и протона должна быть чрезвычайно точно подобранной величиной. Если эта разность станет чуть меньше и сравнится с массой покоя электрона, то в атоме водорода электрон будет реагировать с протоном с образованием нейтрона и атомарный водород не сможет стабильно существовать в природе. Все "нормальные" звезды должны будут прекратить существование; жизнь в такой Вселенной станет невозможной. Если же разность масс протона и нейтрона станет немного больше, чем есть теперь, станет невозможным образование дейтерия — тяжелого водорода, ядро которого состоит из протона и нейтрона. При этом в природе не сможет возникнуть ни один химический элемент, начиная с гелия и дальше. Очевидно, и в такой Вселенной жизнь никогда не смогла бы возникнуть.

Между тем, эта разность масс протона и нейтрона составляёт лишь десятую долю процента от массы каждой из этих частиц. И просчет в этой десятой доле на сотые доли в ту или в другую сторону имел бы роковые последствия для всей Вселенной! Так тесно связанными оказываются сразу три независимых величины: массы протона, нейтрона и электрона. Кстати, среди прочих элементарных частиц именно это соотношение оказывается подобранным с такой скрупулезной точностью, почему эти частицы и служат основою вещества.

Целый ряд соотношений в физике, выходящих за рамки школьной программы, дают нам яркие и наглядные иллюстрации этой точной настройки удивительного физического прибора — нашей Вселенной. Мы не станем здесь начинать подробный разговор о незнакомой читателю области физики; скажем лишь, что ученые ввели особое наименование этому удивительному соотношению параметров: антропный принцип. Он заключается в том, что Вселенная устроена "под человека", то есть все в ней сделано так, чтобы это двуногое существо как-нибудь смогло появиться на исторической сцене и осмотреть свою Вселенную. Мы можем наблюдать мир только потому, что в нем все так точно настроено, "ненастроенную Вселенную" изнутри наблюдать будет некому.

Некоторые неверующие ученые ничуть не удивились всем этим точнейшим соотношениям и объявили все эти совпадения случайными. "Закономерность" совпадений они видят лишь в том, что мы, люди, все-таки существуем, а если так, то и настройка параметров Вселенной должна быть такой, как есть. В обоснование случайности такого совпадения они выдвинули идею о том, что различных вселенных бесконечное множество, и просто нашей так повезло. На наш взгляд, это множество "ненастроенных" вселенных, которых не только никто нигде не видел, но и не может увидеть, смотрятся не более правдоподобно, чем три слона, поддерживающих землю и стоящих на спине огромной черепахи.

По сути дела антропный принцип — это всего лишь иное наименование созидающего Разума. Подчеркнем, что слово это введено не философами, а именно физиками. Но чтобы наглядно увидеть справедливость антропного принципа вовсе не обязательно вдаваться в квантовую механику. Множество иллюстрирующих его примеров мы встречаем буквально на каждом шагу.

ПРИМЕРЫ ПРИМЕНИМОСТИ АНТРОПНОГО ПРИНЦИПА В ХИМИИ

В природе существует несколько уникальных веществ, без которых существование жизни становится невозможным. Первейшее из них — вода.

Известно, что свойства элементов из одной группы периодической системы, а следовательно, и свойства их простейших соединений схожи между собой. Можно сравнивать, положим оксиды лития и натрия или гидриды серы и селена, но ничего иного, что могло бы заменить нам воду, мы не найдем.

Молекула воды электрически поляризована, иначе говоря, имеет ярко выраженный дипольный момент. Благодаря этому свойству, вода является универсальным растворителем, становится способной переносить множество солей на уровне ионов. Изучая теорию электролитической диссоциации, вы уже знакомились с этим свойством воды и видели, что ни о каком ином растворителе, кроме воды, в этой теории речи не было.

Благодаря электрической поляризации, молекулы воды образуют между собою тонкие связи, именуемые водородными. Эти связи возникают, когда атом водорода одной молекулы, будучи в значительной мере "лишен" электронной оболочки, притягивается к отрицательно заряженному атому кислорода (или другому атому), входящему в состав иной молекулы. Водородные связи возникают в кристаллах льда, обеспечивая его ажурную легкую конструкцию, притом еще нескольких разных видов. Потому мы не находим другого вещества с таким малым молекулярным весом, которое было бы столь тугоплавким, как лед. Водородные связи обеспечивают и относительно малую разницу между температурами плавления и кипения для воды. Потому вода встречается на земле во всех трех агрегатных состояниях, и становится возможным ее круговорот, сопровождаемый постоянной очисткой. Только на водяной основе может строиться жизнь.

Водородные связи, которые, впрочем обеспечивает не только вода, помогают сложным органическим молекулам "держать форму" или структуру — спиральную закрученность полимерной цепи. Эта структура — неотъемлемый признак жизни. Только имея надлежащую структуру, белок способен выполнять свою функцию. Первое, что теряет "живая молекула" при "выключении" из жизни, это структуру. Живые мягкие ткани подвергаются тогда трупному окоченению.

Можно смело утверждать, что вода задумана как первичная стихия жизни. Для такого утверждения у нас еще больше оснований, чем у наших далеких предков, полагавших, что все живое происходит из воды.

Вы знаете также, что органическая химия — это химия углеродных соединений. Углерод занимает уникальное место среди прочих веществ. Находясь посередине первого периода в системе элементов, он способен образовывать четыре ковалентных связи, равносильных и прочных. Элементы третьей и пятой группы к этому уже неспособны, а "ближайший сосед" углерода по четвертой группе — кремний имеет эту способность в гораздо более слабом выражении. В свою очередь эти четыре свободных валентности позволяют "строить" полимерные цепочки. Органическая химия становится химией полимеров. Не существует другого элемента, кроме углерода, на основе которого можно создать столько полимерных цепей, в особенности живых. Совершенно ясно, что и углерод устроен специально "под жизнь".

Заметив эти удивительные свойства воды и углерода, ученые ввели даже особый термин: водно-углеродный шовинизм.

Впрочем и другие элементы, входящие в состав молекул живых организмов, ничем не заменимы. Это относится прежде всего к кислороду, азоту, фосфору. Как не удается создать "кремниевую жизнь", где место углерода занял бы его ближайший аналог, так и эти три элемента невозможно заменить "соседями" по группе. Каков, например, химический смысл отравления мышьяком? Это элемент пятой группы, следующий непосредственно за фосфором и имеющий сходные с ним свойства. Потому он способен бывает встать на место фосфора в АТФ или нуклеиновых кислотах. Но живая клетка оказывается неспособной принять такую "подмену" — она просто умирает.

Итак, не только углерод и вода, но и вообще вся химия Божиего мира устроена не случайно, а специально ради возможности построения на ее основе жизни.

АНТРОПНЫЙ ПРИНЦИП В АСТРОНОМИИ

Внимательно приглядевшись, легко заметить, что и наша планета на своем месте в Солнечной системе также весьма тонко настроена на обеспечение жизни, и притом жизни разнообразной.

Орбита Земли круговая, что позволяет избегнуть резких годовых перепадов температуры. Этому же способствует хорошо подобранный период обращения Земли вокруг своей оси. Если бы земные сутки были длиннее, резче были бы суточные перепады температуры, а если бы они были намного короче, у нас появились бы неприятности, связанные с центробежными силами и магнитным полем. Кроме того, сильно возросла бы скорость ветров (пассатов), которые, как вы помните из курса географии, связаны с вращением земли.

Массы Солнца и Земли, а также расстояние между ними связаны законом всемирного тяготения Ньютона с длиною земного года. Сильный источник излучения удален от нас на значительное расстояние, потому солнечный свет воспринимается на земле в виде параллельных лучей оптимальной яркости, а орбитальная скорость планеты и связанное с нею центростремительное ускорение, а также приливные эффекты, вызываемые солнцем, нам практически незаметны. На годовой и суточный период "настроена" и вся биологическая активность каждой живой твари.

Угол наклона земной оси выбран наиболее удачным образом, как бы специально с тою целью, чтобы возможно большая территория суши была приспособлена к разнообразной жизни. Представим себе, что ось Земли стала бы вдруг перпендикулярна плоскости земной орбиты. Тогда на полюсах не было бы полярных дней и ночей, а был бы всегдашний рассвето- закат: солнце было бы видно круглые сутки и только на горизонте. На всей планете было бы постоянное равноденствие, и на наших широтах погода была бы как в дни равноденствия — около 0 градусов по Цельсию круглый год без зимы и лета. Ничего кроме растительности тундры не могло бы вырасти при таких условиях.

Если бы земная ось, напротив, лежала бы в плоскости орбиты (как это имеет место на Уране), то день в полярных областях длился бы по полгода, причем по несколько недель ежегодно солнце стояло бы в зените почти целый день. Потом полгода стояла бы кромешная ночь. Более или менее сносные условия для жизни были бы лишь в экваториальных районах, но и там случались бы на некоторое время белые ночи и черные дни.

Таким образом, и ось вращения Земли выбрана оптимальным образом.

Специально для жизни подобрана плотность и состав земной атмосферы. Воздух и защищает жизнь от космического излучения и метеоритов, и обеспечивает дыхание всего дышащего, и дает опору всем летающим тварям. Своим гравитационным полем Земля могла бы удерживать возле себя в тысячи раз более плотную и горячую атмосферу, жизнь в которой была бы невозможна. Плотность атмосферы, тем более ее состав, не определяются однозначно массой Земли и ее гравитационным полем. Параметры атмосферы подобраны независимо — и столь удачно для нас.

Прогрев большей части поверхности планеты сделан умеренно-неравномерным, что обеспечивает свободную конвекцию воздуха и перенос влаги с моря на сушу. Параметры этой постоянно работающей опреснительной установки, без которой жизнь также невозможна, опять-таки подобраны не случайным образом.

Общий тепловой баланс любой планеты определяется равенством между получаемой энергией солнечного излучения и тепловым излучением в космос с поверхности самой планеты. Если получаемое излучение зависит практически только от "мощности" Солнца и расстояния до него, то отдаваемое планетой тепло зависит от способности атмосферы задерживать излучение. Чтобы отдаваемому теплу оставаться постоянным при возможных изменениях парникового эффекта атмосферы, как этого требует закон сохранения энергии, должна соответствующим образом меняться средняя температура поверхности планеты, поскольку излучение пропорционально четвертой степени температуры.

С учетом всех этих факторов тепловой баланс Земли подобран так, чтобы ее средняя температура +15 градусов была опять-таки оптимальной для жизни. С точки зрения термодинамики очень важно, что Земля устроена как существенно незамкнутая система. Получаемая ею энергия качественно лучше, нежели отдаваемая. В термодинамически замкнутой системе жизнь не может существовать длительное время. Впрочем, об этом мы скажем подробнее, когда речь пойдет о втором начале термодинамики. Пока же отметим, что и с тепловой точки зрения земля также специально приспособлена для жизни.

Итак, на каком бы уровне мы ни поглядели на мертвую материю, от электрона до Солнца, слишком уж хорошо она приспособлена "под жизнь", чтобы можно было приписать это случайности. Антропный принцип оказывается универсальным. Но и в его применимости существует некоторое ограничение.

ОГРАНИЧЕНИЕ АНТРОПНОГО ПРИНЦИПА

Как мы уже упоминали, точно подобранное соотношение параметров элементарных частиц обеспечивает возможность термоядерного синтеза. Водород способен превращаться в гелий, бериллий, углерод и далее. Химические элементы способны получаться из элементарных частиц, причем малейшее изменение свойств этих частиц делает неосуществимым первый же переход — превращение водорода в гелий. Несомненно, в этом видна деятельность Творческого Разума (антропный принцип), но здесь же наш ум встречает первое мысленное искушение.

Физику хочется предположить, что коль скоро элементарные частицы заранее тщательно настроены на термоядерный синтез и этот процесс реально наблюдается в мире, то, значит, и все вещество образовалось когда-то только благодаря такому прекрасно продуманному механизму. Экспериментально проверить такое предположение, естественно, уже невозможно. Мы не в состоянии проследить вспять историю каждого кусочка любого вещества. Логически также ниоткуда не следует, что если что-то в природе устроено точно и красиво, то оно вполне универсально и сразу исключает любые иные пути возникновения, кроме единственного обнаруженного — точного и красивого.

В научных теориях часто красота сопутствует истине, и субъективно ученый первую ставит критерием второй. Отсюда возникает некоторое злоупотребление и красотой, и антропным принципом. Мы привели лишь один пример такого злоупотребления. Если физик, открыв точную настроенность механизма термоядерного синтеза, делает философский вывод, что мир возник именно в результате этого процесса из элементарных частиц и никак не иначе, то такой вывод не является логичным, а антропный принцип не может служить его строгим доказательством.

Есть и другие подобные же примеры. Предположив, что Вселенная возникла в результате большого взрыва (о котором мы еще скажем подробнее), и составив некий сценарий, как это могло происходить, теоретики обнаружили, что и возраст возникшей таким образом Вселенной, и ее размеры, и многие другие характеристики не могут быть произвольными. Это обстоятельство также объявили одним из проявлений антропного принципа.

Вопрос лишь в том, действительно ли Вселенная возникла таким образом? Любая космогоническая модель покажет нам, что параметры мира подобраны точно. Но среди этих параметров не включаем ли мы характеристики самой нашей модели? Иными словами, рассматриваем ли мы только наблюдаемую реальность и обнаруживаем в ней Божию Премудрость — или же мы обнаруживаем эту Премудрость в переплетении наблюдаемых фактов с нашими теоретическими предположениями, может быть и верными, но не вполне или не всегда, и во всяком случае, непроверенными?

Итак, общая ограниченность антропного принципа состоит в том, что для теоретических построений он не является достаточным условием. Сфера деятельности этого принципа, обнаруженного наукою, не есть собственно наука, а скорее философия. Здесь с его помощью мы ясно видим, что мир устроен разумно, а не случайно.

ФИЛОСОФСКАЯ ОГРАНИЧЕННОСТЬ АНТРОПНОГО ПРИНЦИПА

Но и с мирвоззренческой точки зрения антропный принцип не слишком силен. По сути дела он отметает только грубый механистический взгляд на природу, взгляд, хотя и распространенный, но слишком примитивный. Видя разумность мироустройства, мы можем однозначно ответить на основной вопрос марксистской философии: что первично, материя или сознание? — причем ответ будет неутешительным для марксистов. Но на самом деле, вопросы философии идут гораздо глубже. Да, мир устроен разумно, да, мысль предшествует материи. Но соприсущ ли разум материи, как целому, или же он является как нечто внешнее, трансцендентное по отношению к ней? Проще сказать: растворено ли божество в природе, или Бог, существуя независимо от природы, от пространства и времени, Сам создает весь мир? — Вот гораздо более серьезный философский вопрос, над которым человеческая мысль работала веками и гораздо глубже, чем над "основным марксистским". И ответ на этот вопрос антропный принцип дать уже не может.

Два возможных ответа на этот вопрос разделяют на две большие части все пространство мировых религий, всех людей, которые не причисляют себя к материалистам. Вопрос этот выходит за рамки науки, но все же наука до некоторой степени способна дать необходимый материал для размышления, вытекающий собственно из смысла законов природы и изучаемых явлений. В ходе дальнейшего изложения мы увидим, что наука дает нам нечто более сильное, чем антропный принцип, ограничиваться которым не должно. Наука говорит не только о том, что мир разумен и красив, она дает возможность задуматься о том, откуда мир появился.

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ

Вселенная состоит повсюду из одних и тех же атомов, элементарных частиц, поведение которых описывается одними и теми же законами на протяжении всего времени наблюдений.

В основном эти законы суть законы сохранения. Вам известны законы сохранения энергии, импульса, электрического заряда, которые выполняются в макро- и микромире. Есть законы сохранения некоторых особых характеристик элементарных частиц. Есть законы сохранения, соблюдаемые только в макромире при обычных условиях, например, сохранение массы или количества вещества.

С другой стороны, поведение элементарных частиц вовсе не похоже на что-либо известное нам из обыденной жизни. Сталкиваются две частицы — в результате рождаются новые. Осколков или "пыли" не бывает. Столкновения не разрушительны, а созидательны. Взаимодействия элементарных частиц в сущности своей обратимы. Электрон с позитроном, к примеру, могут аннигилировать, породив два фотона, но и фотон в свою очередь может "породить" электронно-позитронную пару.

При этом все реакции протекают по законам сохранения энергии, импульса, электрического заряда и некоторых других характеристик, которые не рассматриваются в средней школе. Законы сохранения по сути дела и обеспечивают обратимость всех процессов и взаимодействий.

ОБРАТИМЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ЗАКОНЫ

Вообще говоря, многие явления, которые вы изучали в курсе механики, не зависят от выбора направления времени. Как оси координат можно направить в противоположную сторону, и от этого не изменится вид уравнений, так и ось времени можно направить назад, заменив во всех уравнениях t на –t. Форма уравнений от этого также не изменится. Рассмотрите, например, абсолютно упругий удар или другой процесс, когда выполняется закон сохранения механической энергии. Положим, у нас столкнулись два бильярдных шара. Вдруг, в один и тот же момент после столкновения измените их скорости на равные по модулю, но противоположные по знаку. Вы увидите всю картину в обратном направлении: шары вновь столкнутся и приобретут с точностью до знака те же самые скорости, что были у них до первого столкновения.

Записав самостоятельно уравнения для законов сохранения импульса и энергии, вы можете в этом удостовериться. Пусть скорости до столкновения будут u1 и u2, а после столкновения v1 и v2. Поменяйте знаки в уравнениях перед v1 и v2, и вновь решите ту же систему уравнений. Окажется, что и знаки перед начальными скоростями поменяются, но с точностью до этой замены знаков, конечные скорости станут равны начальным.

Если вы заснимите на кинопленку столкновение бильярдных шаров, а потом просмотрите этот фильм в обратном направлении, никто не заметит ничего необычного. В прямом ли, или в обратном движении столкнулись шары — природа позволяет то и другое, никакие законы ее здесь не нарушаются.

Таковы процессы, именуемые обратимыми. Они основаны на законах сохранения.

Но посмотрим теперь в обратном порядке другую киноленту. Осколки чашки, лежащие на полу, вследствие подведения к ним тепла и звука самопроизвольно складываются в чашку, которая сама прыгает на стол. Фильм становится весьма забавным (как и вообще почти всякое обратное кино) именно вследствие своей нереальности, хотя он воспроизводит (с выполнением законов сохранения) действительное физическое явление, только в обратном порядке. Значит, реальные процессы в природе большей частью идут только в одну сторону, то есть необратимо. Какими законами это может быть обусловлено?

НЕОБРАТИМЫЕ ЗАКОНЫ МАКРОМИРА

Итак в мире действуют не только законы сохранения. Имеют место и законы разрушения и уничтожения некоторых качественных характеристик материи. Более понятно ту же мысль можно выразить так: в макромире самопроизвольно идут необратимые процессы, то есть такие, которые протекают только в одну сторону. И первый из таких законов мы обнаруживаем на уровне ядерных реакций.

1. Ядерные потенциалы.

Как известно, ядро любого атома состоит из соединенных протонов и нейтронов. Соединяются эти частицы в ядрах атомов особым взаимодействием, получившим название "сильного". Это не гравитационное и не электрическое, а совершенно особое притяжение. Оно сильнее электрического (кулоновского) отталкивания на малых расстояниях, но очень быстро ослабевает с ростом расстояния между нуклонами в ядре. Легкие ядра "не прочь" захватить к себе лишний нуклон, если он окажется достаточно близко к ядру (в плазме при температурах порядка десятков миллионов градусов или при бомбардировке ядер в ускорителях). При этом "захвате" выделяется большая энергия "сильного" взаимодействия, подобно как при падении камня на землю, только гораздо больше.

Соответственно, для того, чтобы "разорвать" легкое ядро на нуклоны, необходимо затратить большую энергию. Энергия, необходимая для отрыва одного нуклона, может быть посчитана и нанесена на график зависимости ее от заряда ядра (рис. 1). Этот график имеется в школьном учебнике физики. Для легких элементов мы видим нарастание энергии отрыва нуклона от ядра с ростом его заряда.

! E Мэв нукл
! -
! — Fe —
! U
! -
! -
!
!
! — Не
!
!
!
!- Н
!
!
--------------------------------------------------------
рис. 1 А, ед.

Для тяжелых же элементов, ядра которых содержат сотни нуклонов, ситуация иная. Расстояния между нуклонами в таком ядре значительно больше, чем в легком, а суммраное электростатическое расталкивание большого количества протонов — тем более. Это приводит к одновременному ослаблению "сильного" притяжения и увеличению сил отталкивания. Поэтому тяжелые ядра становятся неустойчивыми, и после урана — все элементы радиоактивны и не встречаются в природе. Для разрушения такого ядра энергия не требуется, напротив, она выделяется при радиоактивности и делении тяжелых ядер. Эта энергия весьма значительна. Она имеет порядок нескольких миллионов электрон-вольт на каждый нуклон ядра. Энергия химической связи примерно в миллион раз меньше — порядка единиц электрон-вольт на атом. Энергия ядерной связи выделяется при распаде ядер на атомных станциях и в атомной бомбе, а также в водородной бомбе — при синтезе ядер изотопов водорода в гелий. Такая же реакция протекает в звездах, обеспечивая их излучение.

Все эти сведения сообщает нам школьный учебник физики (11 класс). Но вывода из этих рассуждений и из этого графика не делается. А вывод таков, что существует наиболее стабильное состояние атомного ядра — в середине таблицы Менделеева. Такие ядра расколоть труднее всего — нужно затратить наибольшую энергию. Отсюда же следует, что при высоких температурах, когда идут термоядерные реакции, все легкие элементы могут синтезироваться только до средних: водород переходит в гелий, гелий — при уже большей начальной температуре и с меньшим выделением энергии — перейдет в углерод и т.д. Для каждой следующей реакции нужно повышать начальную температуру, а энергии будет выделяться все меньше. Такой процесс неизбежно должен прекратиться. Тяжелым же ядрам еще проще без всякого дополнительного подвода энергии распадаться до средних ядер.

Возникает вопрос: почему еще не все легкие элементы в звездах исчерпаны, ядерные реакции еще идут, причем преимущественно самые первые — выгорает водородное ядерное горючее? Другой вопрос: откуда в природе появились тяжелые элементы и почему они еще до сих пор существуют несмотря на постоянный распад?

Всякий необратимый процесс в природе, который мы наблюдаем, ставит нас перед этими двумя вопросами: во-первых, он должен был иметь начало — когда оно было? Во- вторых, он должен иметь и конец — когда он будет и почему мы еще его не видим? Более распространенного во Вселенной процесса, чем термоядерный синтез, очевидно, не существует. Итак, почему наша Вселенная не состоит только из железа, если она всю свою бесконечную историю подчиняется существующим в ней теперь законам? Значит, несомненно, она имела свое начало, внешнюю Причину своего бытия. Впрочем подробнее этот вопрос будет рассмотрен на втором уроке.

Но, может быть, выделяемая при ядерных реакциях энергия каким-то образом вновь возвращается на поворот реакции в обратную сторону, образуя что-то вроде всемирного колебания материи из химического разнообразия к устойчивым средним элементам, а затем обратно? Рассмотрим же и законы передачи энергии.

2. Второе начало термодинамики.

В учебнике физики для 10 класса этот закон дан в предельно сжатой форме без каких-либо мировоззренческих выводов. Простейшая формулировка его такова: самопроизвольно тепло может передаваться только от горячего тела к холодному. Иначе это же положение можно выразить так: невозможно осуществить циклический процесс, в котором тепло, подводимое к рабочему телу перешло бы полностью в какой-либо иной вид энергии (не тепловую).

Оказывается, что закон сохранения энергии справедлив лишь с количественной стороны. Он гласит, что:

а) энергия не возникает из ничего,

б) энергия не исчезает бесследно, но лишь переходит из одной формы в другую, она неуничтожима количественно.

Второе начало термодинамики вносит сюда новую дополнительную поправку: не будучи уничтожимой количественно, энергия уничтожима качественно, то есть существует некая предпочтительная форма энергии, в которую стремятся перейти все прочие виды, притом перейти необратимо.

Школьный курс физики сообщает нам, что замкнутые системы всегда стремятся к тепловому равновесию, что достигается переходом тепла от горячих тел к холодным, но не обратно. Возможно, конечно, осуществление холодильного процесса, когда тепло от холодного тела отводится и передается нагретому, но это всегда должно сопровождаться передачей еще большего тепла от горячего тела к холодному или же требуется затрата механической работы. На этом основано устройство холодильника.

Тепловая энергия есть энергия беспорядочного движения молекул. Ее можно было бы полностью преобразовать, положим, в механическую, если бы все молекулы в какой- то момент двинулись в строго определенном направлении, и в этом направлении толкнули бы, скажем, какой-то поршень. Тогда внутренняя энергия газа перешла бы полностью в механическую работу. Но такое распределение скоростей молекул по направлениям (хотя любая из них может в какой-то свой момент времени двигаться в данном направлении) совершенно невероятно, ибо каждая молекула должна "угадать" одно-единственное направление и все это должно произойти одновременно с огромным множеством молекул.

Итак, тепловая энергия никогда не перейдет полностью в механическую, электрическую или какую-либо иную энергию упорядоченного движения. Зато всякая другая энергия переходит в тепловую полностью, и притом легче всего именно в тепло, а не в какой-то иной вид энергии. В реальных процессах преобразования одной нетепловой энергии в иную нетепловую всегда возникают большие или меньшие тепловые потери, то есть "первосортная" энергия стремится "растратиться" на тепло, или "испортиться", сохраняя лишь общее свое количество. Если энергия вообще не передается, то в самом лучшем случае она сохраняется в прежнем своем качестве.

Таков один из фундаментальных законов природы, без учета которого невозможно сконструировать ни одной тепловой машины. Когда он был открыт в середине прошлого века С. Карно и Клаузиусом, материалисты стремились просто отрицать его или вводить его в противоречие с законом сохранения энергии. "Энергия уничтожима хотя бы качественно, значит, она должна быть сотворена? — делает совершенно логичный вывод Энгельс, но тут же гневно добавляет, — Абсурд!"

Это лучшее свидетельство того, что материализм есть религиозная вера. Если какой-то закон природы или природное явление опровергает веру в отсутствие Бога — значит, тем хуже для этого закона, материалисты просто не принимают его.

КРАТКОЕ ПОНЯТИЕ ОБ ЭНТРОПИИ, КАК МЕРЕ ХАОСА

В термодинамике существует особая фундаментальная величина, характеризующая "качество" тепловой энергии, а также меру упорядоченности в системах, состоящих из частиц, которые способны случайным образом перемещаться или обмениваться энергией. Эта величина — энтропия. Вводится она, через свое приращение, или, как принято говорить в дифференциальной форме.

Предположим некое тело, или система, имеющая температуру Т (по абсолютной шкале), получила небольшое количество теплоты dq, так что его температура при этом практически не изменилась. Говорят, что при этом энтропия системы возросла на величину:

ds = dq / T

Постулируется, что при абсолютном нуле энтропия любой системы равняется нулю (третье начало термодинамики). Если так, то энтропию любой системы для любой температуры можно экспериментально измерить, определяя сообщая ей последовательно и изотермически небольшие количества тепла, и суммируя их в отношении к той температуре, при которой они получены. Итак, энтропия, это не какая-то умозрительная, а вполне реально определяемая величина.

Второе начало термодинамики после введения понятия энтропии получает уже четкое математическое выражение, которое гласит, что невозможен процесс в замкнутой системе тел (то есть не могущей обмениваться с внешней средой ни теплом, ни работой, ни веществом), при котором суммарное приращение энтропии было бы отрицательным. А проще сказать: энтропия замкнутой системы не убывает.

В частности, если система состоит из двух тел, горячего, с температурой Т1 и холодного с температурой Т2, и мы попытаемся передать тепло от холодного к горячему, то мы тем самым уменьшим энтропию системы. В самом деле, возьмем малое количество теплоты q и передадим его от холодного тела к горячему. Энтропия холодного уменьшится на q / Т2, а энтропия горячего возрастет на q / Т1. Поскольку Т1 > Т2, то уменьшение энтропии будет больше ее приращения, что невозможно.

Точно так же можно показать, что тепло нельзя полностью превратить в работу, ибо при этом энтропия системы опять-таки уменьшится . В самом деле, предположим, что тело с температурой Т1 превратило полностью некое количество теплоты q в работу. Преобразуем эту работу вновь в тепло, передаваемое телу с температурой Т2>Т1 (этого нам механика не запрещает: разгоним какой-нибудь неупругий молот и ударим им по телу 2, или превратим работу полностью в энергию электрического тока и с помощью нагревателя передадим ее телу 2). В итоге получится, что тепло от холодного тела перешло к горячему с полным сохранением общей энергии и вообще без любых иных изменений в природе, что невозможно.

Чем больше температура тела, тем большую часть отбираемого от него тепла можно преобразовать в работу. Можно и это положение доказать строго, что и делается при анализе теплового двигателя. Кратко пояснить это можно так. В замкнутой системе между телами с температурами Т1 и Т2 мы помещаем рабочее тело, которое, получая тепло dq1 от тела 1 совершает работу dA и отдает тепло dq2 телу 2. Так работает любая тепловая машина. В случае идеальной машины у нас не будет потерь энергии и энтропия нашей замкнутой системы не возрастет. Чтобы энтропия замкнутой системы не изменилась у нас должно быть

dq1/T1=dq2/T2=ds.

Здесь ds – равное по модулю и противоположное по знаку изменение энтропии каждого из тел.

А по закону сохранения энергии: dq1=dq2+dA

Тогда dA=dq1 –dq2=ds(T1-T2).

Чем больше разница между температурами Т1 и Т2, тем больше и получаемая работа. Можно сказать, что температура тела определяет рабочий потенциал или сорт того тепла, которое это тело содержит и часть которого теоретически может преобразовать в работу. Тело содержащее много тепла, но при низкой температуре содержит низкопотенциальное, "второсортное" тепло. Работы из него не извлечь. Ведь и температуру окружающей среды, близкую к Т2, мы не можем понизить. Гораздо лучше то тело (обычно, меньшее по массе), которое такое же количество тепла содержит при более высокой температуре. Из этого тела еще есть возможность добыть какую-то полезную работу. Например, раскаленный конец термопары может некую часть подводимого тепла преобразовать в работу электрического тока. Такое же тепло, распределенное по еле теплому утюгу, превратить в работу уже практически невозможно.

Тому же правилу подчиняется и энергия, переносимая при помощи излучения. Излучение Солнца, приходящее на землю, соответствует гораздо более высокой температуре, чем то же количество тепла, которое сама земля сбрасывает в космос, поддерживая свой тепловой балланс и не перегреваясь. Потому солнечная энергия гораздо высшего качества, нежели теряемое землею тепло. Зеленые растения при фотосинтезе и используют эту высококачественную энергию. А использовать для фотосинтеза тепло остывающей по ночам земли они не могут. Этого требует второе начало термодинамики.

В дальнейшем в курсе термодинамики показывается связь между энтропией и термодинамической вероятностью системы, то есть числом микросостояний элементов системы, с помощью которых реализуется данное макросостояние. Чтобы понять сказанное, возьмем простой пример: сосуд, состоящий из двух половинок, разделенных проницаемой сеткой или просто воображаемой плоскостью. Поместим туда две одинаковых молекулы газа, черную и белую, которые могут свободно перемещаться из одной половины в другую. Конкретное макросостояние: обе частицы в левой половине — может реализоваться лишь одним микросостоянием: каждая из частиц именно там. А другое макросостояние: в левой половине одна частица, — может реализоваться двумя способами: или белая частица находится там, или черная. Концентрация частиц или давление в левой половине (параметры макросостояния) не зависят от того, которая именно из двух частиц там находится. Для этих макропараметров важно только одна ли там частица, или две. Итак, термодинамическая вероятность второго макросостояния равняется уже не 1, а 2. Иными словами равномерное распределение частиц по сосуду более вероятно, потому наблюдая за сосудом мы в среднем чаще будем видеть в каждой половине по одной частице, чем обе сразу в одной половине. Если же частиц будет много, например 10, то гораздо большим числом способов можно распределить их так, чтобы в обеих половинах их было примерно поровну (по 5 или 4 и 6) — нежели чем все десять найти в одной половине (это последнее состояние можно осуществить лишь одним способом). Естественно на опыте мы будем видеть всегда преимущественно наиболее вероятные состояния.

Оказывается что энтропия пропорциональна логарифму термодинамической вероятности системы. Потому и выполняется закон роста энтропии во всех замкнутых системах, где есть какое-то количество случайно движущихся частиц. Система стремится к наиболее вероятному состоянию, а это и есть максимум энтропии. Таким образом, энтропия оказывается мерой хаоса в системе.

В распределении молекул по кинетической энергии наиболее вероятно некое среднее состояние, чем состояние, при котором половина молекул более энергична, а другая- менее. Вот и получается, что тепло переходит от горячего тела к холодному и температура выравнивается.

С нагреванием тела, энтропия его растет, и беспорядок в движении его частиц увеличивается. При охлаждении же напротив, появляется больше порядка. Особенно это заметно при кристаллизации веществ, когда частицы выстраиваются строго в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Энтропия такого тела снижается, за счет того, что оно отдало тепло другому телу, которое стало более беспорядочным. И в целом второе начало термодинамики требует, чтобы в замкнутой системе беспорядок неуклонно нарастал.

Понятие энтропии, хотя и не вводится в школьной программе, но знать его на самом простом уровне интересно и важно даже школьнику, ибо оно понадобится нам при разговоре о происхождении жизни.

ТЕПЛОВАЯ СМЕРТЬ ВСЕЛЕННОЙ

Применение второго начала термодинамики ко всей Вселенной вкупе с законом необратимости ядерных превращений приводит нас однозначно к выводу о конечных сроках жизни Вселенной. В замкнутой системе должно рано или поздно наступить тепловое равновесие, когда все виды энергии перейдут в тепловую, а та в свою очередь равномерно распределится между всеми телами системы.

Если Вселенная есть замкнутая система, то рано или поздно, когда источники термоядерного горючего излучат всю свою энергию, а эта энергия будет поглощена всем прочим веществом во Вселенной, наступит равновесное состояние, когда все вещество будет иметь одинаковую температуру и никакой энергии, кроме тепловой, в природе не останется. (за исключением, впрочем, энергии равномерного фонового излучения, соответствующего установившейся температуре вещества, но это излучение не сможет уже ни передавать энергию, ни быть преобразовано в работу). Такое равновесное состояние и назвали "тепловой смертью" Вселенной.

Итак, состояние тепловой смерти для замкнутой Вселенной, существующей бесконечное время и являющейся причиной самой себя, было бы неизбежным и самым естественным ее состоянием. Если бы мир жил по тем законам, которые действуют в нем теперь, он никогда бы и не вышел из такого состояния.

Вопрос состоит лишь в том, является ли Вселенная замкнутой. В школьном курсе упоминаются три космологических модели: бесконечно расширяющаяся Вселенная, сжимающаяся и пульсирующая, причем выбор между ними зависит от неизвестной нам средней плотности вещества во Вселенной. В бесконечно расширяющейся Вселенной смерть может наступить не тепловая, а энергетическая: когда всякий вид энергии будет распределен в пространстве со средней плотностью, стремящейся к нулю. Сжимающуюся Вселенную, вероятно, ожидает смерть гравитационная: превращение в гигантскую черную дыру, где уже нет вещества в обычном понимании. Но если ни тот, ни другой сценарий для реальной Вселенной не осуществятся, и она будет сохраняться как замкнутая в энергетическом отношении система, состоящая из вещества в виде частиц, способных к тепловому движению — для такой Вселенной неизбежна тепловая смерть. Возможно ли и еще какое-то иное будущее для Вселенной в рамках ее нынешних законов? Это зависит от того, как и чем (Кем) наша Вселенная может быть разомкнута.

Проблема тепловой смерти вряд ли может быть снята чем-то иным, как признанием идеи сотворения мира Всемогущим Творцом, Который не только создал все однажды, но и промышляет о Своем творении, не давая ему обратиться в хаос. Подробнее об "эволюции" звезд и времени их бытия будет сказано отдельно.

Если бы не было постоянного притока солнечной энергии — а это энергия высокоупорядоченная, "первосортная" и если бы не было постоянного сброса землей излишнего низко-потенциального тепла для поддержания теплового баланса, — то тепловая смерть очень скоро наступила бы и на земле. Но оказывается, для возникновения жизни и ее поддержания мало только материи и энергии, мало даже направленной, нетепловой энергии. Необходимо ввести еще одну важнейшую фундаментальную категорию — информацию, но об этом предстоит особый более серьезный разговор.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ВЫВОДЫ

Из названных законов вытекают следующие выводы.

А. Мир, живущий по своим нынешним законам, мир, в котором совершается множество необратимых процессов, по всей видимости, имел начало во времени, т.к. не мог бы бесконечно долго существовать в своем нынешнем виде. Это следует из второго начала термодинамики и распределения ядерных потенциалов.

Б. Мир создан Разумным Создателем, поскольку он весь построен на идеях антропного принципа.

Подобно энергии и сама материя стремится к порче, к потере качественного разнообразия. Мы видели это на примере ядерных реакций, ведущих к уничтожению легких и тяжелых элементов к наиболее устойчивому и вероятному "среднему" состоянию. То же самое мы наблюдаем и в химии. Чистые вещества необратимо стремятся смешаться или соединиться в устойчивые, наиболее высокоэнтропийные, соединения, губительные для жизни: оксиды, нитраты, комплексные соединения. Смесь и устойчивое (а потому и губительное!) соединение более вероятны и энергетически выгодны, подобно тому, как тепловое равновесие более вероятно, чем разность температур. Там где вещи предаются самим себе и воле случая — там мир стремится превратиться в гигантскую свалку, там воцаряются смерть, распад, разрушение и хаос, а вовсе не восходящее эволюционное развитие.

Не признающие разумного Творца вынуждены приписывать разум и всесилие самому творению, материи и энергии. Этим они весьма напоминают древних язычников, приписывавших солнцу и огню божественные свойства, сколько бы они ни провозглашали свое мировоззрение научным.

Неслучайно, что все упомянутые здесь законы природы в школьном курсе просто не рассматриваются, несмотря на их простоту и универсальность. Школьное образование остается по сути дела таким же идеологизированным, как и при господстве атеизма, причем не только в нашей стране, но и по всему миру.