Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

При преобразовании обычного света в лазерное излучение (накачка лазера светом) часть энергии, как и следовало ожидать, теряется, т. е. переходит в тепло. Кроме того, излучение, накачивающее лазер, должно в свою очередь обладать сравнительно высоким качеством, в частности — иметь большую интенсивность, а часто и быть достаточно высокочастотным (коротковолновым). Трудности создания эффективных лазеров с прямой солнечной накачкой как раз связаны с невысоким качеством падающего на Землю светового потока. Если бы солнечное излучение было намного интенсивнее и существенно более коротковолновым, то создать эффективные лазеры с прямой солнечной накачкой было бы сравнительно просто. (Отмечу, что растения в отличие от технических устройств усваивают низкокачественную световую энергию с аномально высоким КПД.)

Энергия излучения различных лазеров в свою очередь обладает разным качеством. Лазерные лучи имеют некоторую расходимость — световое пятно увеличивается с расстоянием от источника. Большим качеством, естественно, обладает световой поток с малой расходимостью. Соответственно, лазеры с малой расходимостью излучения при прочих равных условиях обладают более низким КПД и требуют более качественной накачки. Аналогично снижение КПД и ужесточение требований к качеству накачки сопровождают создание мощных лазеров, лазеров дающих стабильное излучение и излучение с узкополосным спектром (т. е. лазеров с высокой когерентностью излучения). Энергия высокого качества стоит дорого.

Большие трудности при создании лазеров коротковолнового диапазона (лазеры в далеком ультрафиолете и рентгеновские лазеры) также обусловлены высоким качеством коротковолнового излучения. Поэтому, например, рентгеновские лазеры требуют накачки очень высококачественной энергией — световым потоком другого лазера (хотя и длинноволнового, но мощного и с малой расходимостью) или излучением ядерного взрыва.

Совокупность проблем, возникающих при попытках получить много лазерной энергии высокого качества, часто недооценивалась. Например, в 70-х годах имел место период эйфории, когда простые соображения на уровне закона сохранения энергии приводили, по мнению многих, к оптимистическим выводам относительно возможности создания эффективных рентгеновских лазеров.

Ярким примером в этом отношении является и так называемая стратегическая оборонная инициатива (СОИ). Предполагалось на основании новейших физических разработок создать непробиваемый противоракетный щит — сбивать каждую ракету оружием направленного действия (лазерами, пучками частиц и т.п.). Конечно, авторы этой программы исходили в основном из политических, а не научных соображений, но все же налицо и недостаточное осознание того, что за энергию высокого качества придется платить высокую цену, которая в реальных условиях может оказаться непомерной.

Термоядерная проблема

Из закона возрастания энтропии следует, что невозможно техническое устройство, в результате работы которого его энтропия в сумме с энтропией окружающей среды понижается. Получение положительного баланса в энергетическом цикле с понижающейся энтропией сопряжено не с техническими, а с принципиальными трудностями. Такое гипотетическое устройство можно назвать вечным двигателем третьего рода. При попытках создания вечного двигателя третьего рода пытаются нарушить закон возрастания энтропии для термодинамически неравновесных систем. (В вечном двигателе второго рода хотят нарушить закон возрастания энтропии для систем, близких термодинамическому равновесию.)

Уже много лет меня преследует мысль, что проектируемые сейчас термоядерные электростанции на основе известных установок «Токамак» могут оказаться чем-то вроде вечного двигателя третьего рода. Остановлюсь кратко на этом вопросе².

Конечно, на осуществление термоядерной электростанции нет принципиального запрета со стороны термодинамики. Можно, например, представить себе гигантский двигатель внутреннего сгорания, в цилиндрах которого взрываются поочередно термоядерный бомбы. Более того, мне известны технически осуществимые проекты преобразования энергии подземного термоядерного взрыва в электроэнергию. Однако основное направление современных термоядерных исследований предполагает совсем другие энергетические циклы. Предполагается для поджига термоядерных реакций использовать электроэнергию, полученную в тепловой машине, нагреваемой продуктами ядерных реакций.

Казалось бы, ситуация вполне аналогична работе автомобильного двигателя. Там тоже часть выделившейся при сгорании бензина энергии преобразуется в электричество и с помощью электрической искры осуществляется поджиг бензина в цилиндрах двигателя. Однако на самом деле эта аналогия неточна. Разница не только в масштабах и техническом оснащении автомобиля и, например, «Токамака». Дело еще в том, что энергия термоядерного синтеза в отличие от энергии химического топлива (и ядерного деления) имеет низкое качество.

Низкое качество термоядерной энергии проявляется, в частности в том, что для запуска процесса энерговыделения за счет реакций синтеза ядер необходимо большое количество очень высококачественной энергии. Для поджига реакций в термоядерной бомбе, например, используется ядерный взрыв, характеризуемый огромной плотностью (а следовательно, и качеством) энергии.

Весь комплекс разносторонних характеристик, обусловливающих качество различных форм энергии, не учитывается простыми соображениями, основанными лишь на термодинамических законах. Для термодинамики есть только два типа энергии: с минимально возможной энтропией (механическая, электрическая и т.п.) и с максимально возможной энтропией (термодинамически равновесные газ, плазма и т.п.). В рамках термодинамики не различается качество различных форм, например, электрической энергии, в частности того, что ток, текущий по проводам электрической цепи, имеет энергию существенно более низкого качества по сравнению с энергией пучка частиц, двигающихся с малым разбросом скоростей. Не заложен в термодинамические соображения и учет потребления энергии высокого качества для инициирования и поддержания термоядерных реакций.

В то же время предлагаемые циклы получения термоядерной энергии недостаточно проанализированы с простейшей «энтропийной» точки зрения. Нельзя, конечно, сказать, что эти циклы вообще не анализировались. Расчеты инженерного характера регулярно проводятся. Однако в них для различных этапов преобразования энергии закладываются некие КПД, которые в совокупности на противоречие закону возрастания энтропии не проверяют. Соответствующие расчеты довольно сложно сделать, но пока они не проведены, нет уверенности в том, что «Токамак» не окажется вечным двигателем третьего рода.

Подозрения о неосуществимости планируемых термоядерных энергетических циклов подкрепляются тем, что в проектируемых термоядерных реакторах обращаются с энергией высокого качества просто по-варварски. Сначала выделенная тем или иным путем ядерная энергия переводится в тепло парового котла. Соответственно энергия каждой частицы, несущей термоядерную энергию, раздается по малой порции почти миллиарду частиц нагреваемого тела. При этом существенно теряется качество выделенной энергии. Затем это качество начинают повышать, что, конечно, сопровождается энергетическими потерями. Вырабатывается электроэнергия. Электричество используется для формирования пучков быстрых частиц, которые потом вводят в плазму «Токамака» для ее нагрева. (Замечу, что этот основной канал ввода энергии почему-то, как правило, называют дополнительным методом нагрева и, более того, часто не учитывают в энергобалансе при определении критерия зажигания термоядерной реакции)³. Принципиальная возможность такого цикла с положительным энергобалансом вызывает сомнения.

Таким образом, несмотря на давние и широко рекламируемые обещания создать источник практически даровой энергии на основе различных устройств с электрическим поджигом термоядерных реакций, следует признать, что для полной уверенности в успехе нет достаточных научных обоснований.

В связи с этим хочется упомянуть и об одной совсем свежей нездоровой сенсации, в основу которой положено, впрочем, реальное достижение японских ученых. В Институте исследования атома при Токийском университете удалось добиться того, что антипротон живет в окружении обычного вещества очень большое по соответствующим масштабам время — несколько микросекунд. В связи с этим начали всерьез обсуждать возможности разработки «удивительно мощного источника энергии» на основе антивещества. О каком источнике энергии можно в этом случае говорить, если на образование каждой античастицы затрачивается энергии на много порядков больше, чем выделяется при ее аннигиляции? Это является следствием того, что античастицы несут энергию высокого качества, а на их образование затрачивается энергия изначально значительно более низкого качества, получаемая обычно в результате сжигания угля. Конечно, авторы сенсации преследуют в основном рекламные цели, но мне кажется, что в достаточно информированном относительно физических законов обществе такая реклама имела бы противоположные последствия и не была бы выгодна.

Основная экологическая проблема

Приведу еще один известный пример, иллюстрирующий то, что энергия низкого качества не всегда впрок. Гидроэлектростанции долгое время рассматривали как почти даровой источник энергии и не учитывали низкое качество энергии течения равнинных рек. Потом оказалось, что использование, например, для производства сельскохозяйственных продуктов лугов, залитых водохранилищами, позволяет получить больше выгоды, чем от гидроэлектроэнергии. Это не говоря уже об огромных экологических и нравственных потерях при таком обращении с природой.

Тот факт, что энергия низкого качества человечеству не очень нужна, приводит к простой мысли, не вполне осознанной общественным мнением,— известные экологические проблемы (загрязнение окружающей среды и истощение энергетических ресурсов) являются всего лишь следствием более общей опасности. Эта опасность определяется тем, что в результате деятельности человечества происходит ускоренная деградация качества энергии, имеющейся в его распоряжении. Грубо говоря, деятельность человеческого общества в настоящее время является мощным каналом релаксации биосферы к тепловой смерти.

До сих пор преобладает мнение, что если энергии будет достаточно (например, будут построены термоядерные электростанции), то с ее помощью будут решены и экологические проблемы. При этом упускается из виду, что для исправления ошибок неразумного хозяйствования надо не просто много энергии, а много энергии высокого качества. Где взять такую энергию, пока не ясно. Ведь если даже будут построены термоядерные электростанции на основе более разумных, чем обсуждаемые сейчас, энергетических циклов, то нет гарантии, что они не создадут больше экологических проблем, чем помогут решить. Таким образом, закон возрастания энтропии существенно ограничивает возможности человечества по части удовлетворения своих прихотей. К таким прихотям относится, в частности, безудержное производство военной техники и боеприпасов. Это производство опасно не только потенциальной возможностью их использования, и не только тем, что военные заводы, как правило, игнорируют экологические ограничения. Большая опасность таится в растрате высококачественной энергии на огромное количество продукции, которая в лучшем случае применяться не будет.

Пока человечество не совсем готово к практическому противодействию имеющимся деградационным тенденциям. Более того, так называемые цивилизованные страны вносят подавляющий вклад в перевод качественных энергоресурсов в тепло. Нет общей стратегии сбережения энергоресурсов Земли. Не продуман комплексные производственные циклы, в которых качество потребляемой энергии терялось бы не сразу, а постепенно на производство более качественной и более 1 нужной продукции. Конечно, жизнь заставит рано или поздно задуматься над тем, как избежать надвигающейся катастрофы. Но лучше рано, чем поздно.

Живые объекты

Мне кажется, что основанием для оптимизма является то, что закон возрастания энтропии может нарушаться. Нарушается он в живых объектах. Это видно было бы из того, что (в отличие от косной материи, следующей закону возрастание энтропии) живые объекты по мере развития образуют все более сложные структуры, обладающие все большей памятью.

Качественное усложнение в результате эволюции живой природы можно проиллюстрировать известными всем примерами. Так, в бактериях информация содержится лишь на клеточном уровне и отдельные бактерии, по-видимому, способны к обучению. Теплокровные животные способны учиться и обучать. Человек же способен к выработке качественно новой информации. Для сравнения он использует не только свой мозг, но и обращается к «внешние устройствам» — библиотекам. Люди организуются в большие коллективы не только для того, чтобы вместе добывать хлеб насущный, но и для того, чтобы обмениваться информацией, вырабатывать новую и передавать се последующим поколениям.

На мой взгляд такое развитие не может быть объяснено лишь на основе законов взаимодействия атомов в живом объекте, как и закон возрастания энтропии косной материи не может быть следствием лишь динамических уравнений движения микрочастиц. (Подробнее об этом см. литературу в сноске 1.) Более того, естественный отбор в процессе эволюции живой природы играет, скорее всего, роль не организующего, а стохастизирующего воздействия, приводящее.

деградации живых объектов. Он, однако, необходим для стимулирования развития, подобно тому, как для высвобождения энергии в тепловой машине требуется холодильник. Тем не менее для развития живых организмов в первую очередь необходимо (подобно нагревателю в тепловой машине) организующее воздействие, внешнее по отношению к законам взаимодействия микрочастиц.

Сейчас господствует другая точка зрения на природу живых объектов. Живые организмы считаются просто образованиями, сильно отклоненными от термодинамического равновесия,—диссипативными структурами (Н. Пригожин), существующими за счет притока и оттока энергии и вырабатывающими энтропию внутри себя. В таком случае живые организмы были бы не чем иным, как более изощренным каналом деградации поступающей в них энергии. Тогда ни будущее было бы безнадежным.

Действительно, если рассматривать, например, человека в отрыве от сознательной деятельности, то его существование приводит лишь к деградации протекающей через него энергии. Он потребляет с пищей не только энергию (калории), но и необходимые для жизнедеятельности органические продукта пониженной относительно окружающей среды энтропией. (Это глубокое соображение высказал Шредингер).

Однако если созидательную деятельность учесть, то ситуация может оказаться иной. Приведу простой пример. Созданные человеком электронные приборы (телевизоры и т. п.) не могли возникнуть сами по себе как случайная комбинация атомов или в результате действия стихийных сил (дождя, ветра и т. п.) Значит, созидательная деятельность человека противостоит возрастанию энтропию в неживой природе. Мои надежды на преодоление тенденции современной цивилизации к деградации связаны с тем, что человеческая деятельность будет в дальнейшем носить более разумный характер.

Заключение

Я не призываю вернуться в прошлое и отказаться от промышленного производства. Это невозможно, да и противоречит логике развития живой природы. Живые организмы постоянно усложнялись так, чтобы более простые из них служили средством или материалом для развития более сложных. Этот процесс, по-видимому, продолжится, хотя не вполне ясно как. На данном этапе и на Земле человечество действительно является высшей точкой развития живой природы. Нс ясно, однако, является ли оно венцом творения или передаст эстафету новому виду живых существ. Возможно, качественно новой ступенью развития будет формирование ясно выраженного разумного коллективного сознания.

На мой взгляд в любом случае увеличение количества энергии, потребляемой обществом, должно смениться улучшением использования качества энергии. Прежде всего должно прекратиться растранжирование высококачественной энергии. Может быть, общество осознает, что энергия органических соединений, накопленная за время существования жизни на Земле, не бесконечна и может быть не переведена в тепло путем сжигания, а использования более разумно (Менделеев).

Кроме того, если не ожидать расслабленно конца человеческого рода, надо искать источники высококачественной энергии для дальнейшего развития. Не так давно предполагали, что необходимые источники энергии найдутся в космосе. Однако даже если это и так, то для освоения космического пространства до стадии самообеспечивающихся колоний может не хватить запасенной на Земле высококачественной энергии, которая при неудачном стечении обстоятельств будет растранжирена неразумным хозяйствованием.

Характеристики

Список файлов реферата