Открытие принципа сохранения энергии сыграло огромную роль в развитии науки. Энгельс его отметил как одно из трех величайших открытий своей эпохи:

«Первым из них было доказательство превращения энергии, вытекавшее из открытия механического эквивалента теплоты (Робертом Майером, Джоулем и Кольдингом). Теперь было доказано, что все бесчисленные действующие в природе причины, которые до сих пор вели какое-то таинственное, не поддававшееся объяснению существование в виде так называемых сил — механическая сила, теплота, излучение (свет и лучистая теплота), электричество, магнетизм, химическая сила соединения и разложения, — являются особыми формами, способами существования одной и той же энергии, т. е. движения. Мы не только можем показать происходящие постоянно в природе превращения энергии из одной формы в другую, но даже можем осуществлять их в лаборатории и в промышленности и притом так, что данному количеству энергии в одной форме всегда соответствует определенное количество энергии в какой-либо другой форме. Так, мы можем выразить единицу теплоты в килограмметрах, а единицы или любые количества электрической или химической энергии — снова в единицах теплоты, и наоборот; мы можем точно так же измерить количество энергии, полученной и потребленной каким-нибудь живым организмом, и выразить его в любой единице — например в единицах теплоты. Единство всего движения в природе теперь уже не просто философское утверждение, а естественно-научный факт». [78]

Второй принцип (качественный): в то время, как количество энергии сохраняется, она изменяется качественно. В частности, теплота должно рассматриваться как низшая или деградированная форма энергии; она не может целиком превращаться в механическую работу. Вследствие этого паровая машина (т. е. тепловая машина, превращающая часть тепла в работу) не может никогда иметь коэффициент полезного действия 100 % — даже при условии, что всякое трение полностью отсутствует. Действительно, часть тепловой энергии переходит обязательно от источника тепла (паровой котел) к холодной машине (конденсатору), температура которого вследствие этого поднимается. Именно путем исследований работы паровых машин Карно пришел ко второму принципу термодинамики, именующемуся также по этой причине принципом Карно.

Первый принцип лежит в основе всей современной науки; никакая из самых последних теорий его не поколебала и не может поколебать и его продолжают всюду применять. Превращение вещества (корпускулярной формы материи) в излучение (волновую форму материи) лишь подтверждает незыблемость этого принципа.

Второй принцип всегда приводил к правильным результатам, когда его применяли к земным явлениям, хотя Земля не является полностью изолированной системой. Трудности начали возникать тогда, когда его захотели распространить на всю вселенную. Этой попыткой обобщения второго принципа мы обязаны главным образом Клаузиусу (1865) и лорду Кельвину; она и привела, в частности, к теории «тепловой смерти» вселенной.

Рассмотрим совокупность объектов, имеющих различную температуру, и механизмов, пущенных вначале в ход, но на последующее движение которых не влияет никакая внешняя сила (например, система, приводимая в ход предварительно натянутыми пружинами). Пусть все это помещено в некоторый гигантский термос, так что полностью исключен всякий обмен тепла или вообще энергии между данными объектами и внешним миром. Подобная совокупность объектов является тем, что называют материальной замкнутой системой или, если использовать выражение, употреблявшееся уже выше, изолированной системой. К такой системе возможно применить законы термодинамики. Все различные формы энергии стремятся превратиться в тепло, хотя бы вследствие трения. Созданное таким образом тепло не может, однако, целиком превратиться в высшие формы энергии, так что тепловая энергия заменит в конце концов все другие формы энергии. С другой стороны, согласно принципу Карно теплые источники передают энергию к холодным источникам. Температуры постепенно выравниваются. Таким образом, можно придти к следующему заключению: в изолированной системе температура всех объектов становится в конце концов одинаковой. Полная энергия системы не меняется, но она целиком превращается в теплоту.

Таков вывод, который Клаузиус и лорд Кельвин не побоялись применить ко всей вселенной в целом. В соответствии с ним эволюция мира должна идти лишь в одном единственном направлении и имеется лишь один возможный конец — «тепловая смерть».

«Как гиря часов, — писал Джинс, — энергия не может опускаться бесконечно: когда-нибудь она приблизится все же к своей границе. Рано или поздно последний эрг энергии достигнет последней ступени своего полезного состояния, и в этот момент вселенная потеряет всю свою активность; полное количество энергии во вселенной, правда, не уменьшится, но эта энергия не будет уже способна к каким-либо превращениям; она будет столь же мало способна оживить вселенную, как и вода в стоячей луже заставить вращаться колесо мельницы. Вселенная будет мертва, хотя, может быть, еще и наделена теплом». [79]

Вот к чему приводит применение принципа Карно к будущему вселенной. Посмотрим теперь, к каким заключениям можно придти, если применить этот же принцип, рассматривая прошлое вселенной. Мы опять будем следовать Джинсу, ибо его манера рассуждений особенно типична.

Покинем на мгновение, чтобы идти за Джинсом, короткую шкалу времени и примем приятную его сердцу гипотезу, согласно которой атомы внутри звезд превращаются целиком в излучение за триллионы лет. Исходя из этой своей гипотезы, Джинс заключает, что все вещество во вселенной стремится за больший или меньший срок превратиться в излучение. Он высчитал даже конечную температуру вселенной, которая будет соответствовать всему количеству тепла, полученному тогда, когда подвергнется превращению последний атом вещества. И эта температура, по Джинсу (вследствие очень малой средней плотности, которую он приписывает вселенной), будет гораздо ниже температуры жидкого воздуха. Таким образом, звезды теряют вес по мере того, как вселенная стареет. Если возвратиться в прошлое, то общий вес вещества, или, говоря более точно, его общая масса должна все более увеличиваться. И Джинс показывает, что нужно предположить существование в некоторый момент прошлого настолько значительных масс вещества, что их превращение в тепло должно было бы привести на Земле и вообще всюду к исключительно высоким температурам, не идущим ни в какое сравнение с теми, которые нам известны. Он считает себя обязанным остановиться и высказать две следующие гипотезы:

1. Различные спиральные туманности образовались из одной-единственной туманности, из чего-то аналогичного хаосу, заполнявшему все пространство. Это возникновение различных галактик произошло около десяти триллионов лет назад (с учетом прежних результатов вычислений возраста Млечного Пути).

2. Первоначальная хаотичная материя не существовала вечно. На основании довольно туманных теоретических расчетов Джинс даже пришел к выводу, что атомы не могут быть старше 200 триллионов лет.

«Таким образом, — заключает он хладнокровно, [80] материя, которая не существовала прежде, возникла в определенный момент…»

«Если мы хотим дать физическое истолкование этому творению материи, — продолжает он, — мы можем вообразить лучистую энергию…, которая распространяется в пространстве». Он уточняет затем свойства, которыми следует наделить эту энергию, и добавляет: «Если нам нужно конкретизировать картину такого сотворения, мы можем говорить о руке божьей, возбуждающей эфир».

Тот факт, что Джинс прибегает к вмешательству бога, не должен нас слишком удивлять: в другом своем произведении он заставляет вмешаться «всеведущего математика» (mathematical thinker)! Он как бы вносит в божественное творение некоторый научный дух: [81]