Действительно, хотя опыты и подтверждают гипотезу Больцмана, но вместе с тем такое, например, явление, как броуновское движение, уже показывает, что принцип Карно неприменим в молекулярных масштабах.

Если в стакан с водой насыпать очень маленькие частички вещества (размерами в тысячные доли миллиметра или менее) и рассматривать поверхность воды в микроскоп, то окажется, что частички находятся в состоянии поистине «вечного движения». Причина этого удивительного явления состоит в том, что частички вещества, плавающие на поверхности воды, испытывают непрерывные удары со стороны молекул воды. Удары молекул могут привести к заметному эффекту лишь при условии достаточной малости частичек. Поэтому наблюдаемое движение тем интенсивнее, чем меньше размеры частичек. Точно так же рыбацкая лодка раскачивается во все стороны волнами, тогда как пассажиры проходящего мимо океанского парохода не чувствуют никакой качки.

Вывод, который можно сделать на основании изучения такого движения частичек (замеченного впервые английским ботаником Броуном), заключается в том, что молекулы жидкости находятся в непрестанном движении. Такова экспериментальная проверка кинетической теории материи. Применив законы молекулярной физики к газу, Больцман смог подтвердить правильность принципа Карно. Было бы, следовательно, неправильным сказать, что броуновское движение опровергает второе начало термодинамики. Напротив, оно нам удачно напоминает о том, что сами основы, на которых базируется это начало, ограничивают условия его применения. В молекулярном масштабе, а тем более в мире атомов, принцип Карно, конечно, несправедлив. Следовательно, можно с полным основанием сомневаться в его применимости и в масштабе вселенной.

Недавно советский ученый Плоткин[94] смог теоретически установить вполне строгим путем, что принцип Карно не применим ни к бесконечной вселенной, ни к какой-либо части вселенной, при условии, что эта часть содержит бесконечно большое число частиц.

Таким образом, становятся полностью оправданными с принципиальной точки зрения те теории, которые уже выдвигались некоторыми учеными в качестве объяснения вечного восстановления миров, о чем речь пойдет ниже. Хотя эти «фантазии», как их назвал Джинс в отрывке, цитированном выше, еще далеко не могут нас удовлетворить, но все же, на наш взгляд, Джинс проявил к ним несколько большее презрение и несколько меньшее внимание, чем они этого заслуживают.

Космогоническая теория Сванте Аррениуса пользовалась очень большим успехом в начале нашего века. Мы не считали, однако, целесообразным излагать ее рядом с теориями Лапласа и Джинса, поскольку очень быстро после своего появления она безнадежно устарела. Главная заслуга Аррениуса состоит в попытке показать, что принцип Карно никоим образом не влечет за собой утверждения о тепловой смерти вселенной и, следовательно, о сотворении мира.

Аррениус утверждал, что вселенная не имеет конца, что она не может стариться, что миры беспрестанно рождаются и умирают. Цикл этой вечной эволюции он рисует следующим образом. Горячее солнце (звезда) охлаждается, затем потухает, покрывается твердой корой, но сохраняет очень высокую внутреннюю температуру. Столкновение такого потухшего солнца с другим потухшим солнцем приводит к возникновению так называемой новой звезды. Эта новая звезда превращается в спиральную туманность, которая в свою очередь становится звездным скоплением. Звезды скопления охлаждаются, и ход явлений возобновляется снова.

Многочисленные слабые стороны этой теории, конечно, видны сразу. В частности, в настоящее время известно, что новые звезды и спиральные туманности, содержащие миллиарды звезд, представляют собой объекты, которые никак нельзя сравнивать друг с другом.

Но Аррениус сумел, так сказать, «обратить» второй закон термодинамики, никак его не нарушая. Он предположил, что спиральная туманность, рождающаяся в результате удара двух потухших солнц, поглощает часть материи, которая выбрасывается звездами под давлением светового излучения, и слипается, образуя сначала метеориты. Таким образом, вселенная функционирует как некоторая тепловая машина, состоящая из горячих источников (звезд) и холодных источников (туманностей). Если догматически применять принцип Карно, то следовало бы говорить о выравнивании температур, т. е. об охлаждении звезд и об одновременном разогревании туманностей. Подобный механизм должен был бы в конце концов прекратить свою деятельность, и вселенная должна была бы умереть, поскольку перестал бы осуществляться обмен энергии.

Но согласно Аррениусу дело происходит не так. Он замечает, что туманности имеют очень малую плотность и, следовательно, весьма мало способны удерживать газовые молекулы, находящиеся вблизи их внешних границ.

Когда звезды (солнца) посылают свое тепло туманностям посредством излучения света и материальных частиц, то эта энергия сообщает некоторым молекулам дополнительную скорость. Эти молекулы преодолевают притяжение туманности и покидают ее навсегда. Но самые быстрые молекулы характерны как раз для состояний с высокой температурой, и поэтому энергия, которая передается от звезд к туманностям, не повышает температуру последних. По выражению Аррениуса, «энергия распыляется или „портится“ в телах, находящихся в состоянии солнц и, напротив „улучшается“ в телах, которые находятся в состоянии туманностей».[95] Что касается «горячих» молекул, покидающих туманность, то они могут увеличить энергию других активных солнц.

Эту схему весьма любопытно рассмотреть с принципиальной точки зрения. Конечно, трудно сказать, что она в какой-то мере соответствует реальности. Аррениус не учитывает ни превращения вещества в излучение, ни многих других явлений, открытых к настоящему времени. Тем не менее, его теория остается интересной, поскольку она иллюстрирует тот факт, что принцип Карно не должен обязательно приводить к тепловой смерти, и, кроме того, напоминает нам, что статистические законы не могут применяться, если реализуются некоторые особые условия, не предусмотренные в общем случае.

Рассуждения Аррениуса привлекли внимание Анри Пуанкаре, который, правда, не считал их ни легко осуждаемыми, ни полностью убедительными. Но они навели Пуанкаре на мысль о других случаях, где принцип Карно оказывается также неприменимым:

«Тепло отличается от живой механической силы, — говорит он,[96] — тем, что горячие тела образованы многочисленными молекулами, скорости которых имеют всевозможные направления в то время, как скорости, приводящие к наличию живой механической силы, направлены в одну и ту же сторону. Совокупность газовых молекул образует газ, который может быть холодным и контакт с которым охлаждает. Напротив, изолированные молекулы являются как бы метательными снарядами, удары которых разогревают. В межпланетном же пространстве молекулы отделены друг от друга огромными расстояниями и являются поэтому изолированными. Следовательно, их энергия как бы повышается качественно, она перестает быть просто теплом и продвигается в разряд работы».

Теория Аррениуса рассматривала вечное восстановление миров без учета превращения корпускулярной материи в излучение. На современном уровне наших знаний проблема ставится совсем иначе. Действительно, как мы видели в гл. II, сейчас считают, что часть атомов, из которых состоят различные небесные тела, должна превратиться в излучение. Следовательно, для того чтобы было возможным возрождение миров, необходимо, чтобы имело место обратное явление, а именно, чтобы в некоторых областях вселенной происходило превращение излучения (в особенности гравитации) в корпускулярную материю.