Включено в книгата
Оригинално заглавие
Physics of the Impossible, (Пълни авторски права)
Превод от английски
, (Пълни авторски права)
Форма
Научен текст
Жанр
Характеристика
  • Няма
Оценка
5,5 (× 22 гласа)

Част III
Клас III на невъзможните неща

14. Машини с вечен двигател

Теориите имат четири етапа на приемане:

а) това е безполезна глупост;

б) това е интересно, но погрешно;

в) това е вярно, но няма почти никакво значение;

г) винаги съм казвал това.

Дж. Б. С. Халдейн, 1963 г.

В класическия роман на Айзък Азимов „Самите богове“ един неизвестен химик случайно попада през 2070 г. на най-голямото откритие на всички времена — електронната помпа, която произвежда безплатно неограничено количество енергия. Въздействието на това откритие се усеща веднага и то е дълбоко. Той е приветстван като най-големия учен на всички времена заради това, че е задоволил неутолимата жажда за енергия на цивилизацията. „Тя беше Дядо Коледа и лампата на Аладин за целия свят“, пише Азимов.[1] Компанията, която основава той, скоро става една от най-богатите корпорации на планетата, като разорява нефтената, газовата, въглищната и атомната индустрия.

Светът е залят от безплатна енергия и цивилизацията се опива от тази новооткрита мощ. Докато всички хвалят великото постижение, само един физик изпитва безпокойство. „Откъде идва цялата тази безплатна енергия?“, пита се той. Накрая разкрива тайната. Безплатната енергия идва със страшна цена. Тази енергия се излива от дупка в пространството, която свързва нашата вселена с една паралелна вселена, и внезапният прилив на енергия в нашата вселена отприщва верижна реакция, която накрая ще унищожи звездите и галактиките, превръщайки Слънцето в супернова и унищожавайки Земята заедно с него.

Откакто има писмена история, Светият граал за изобретатели, учени, както и на шарлатани и майстори на измамите е била приказната „машина с вечен двигател“ — устройство, което работи вечно без никаква загуба на енергия. Още по-добър вариант на тази машина е устройството, което може да генерира повече енергия, отколкото потребява, като електронната помпа, която генерира безплатна енергия в неограничено количество.

През следващите години, докато нашият индустриализиран свят постепенно изчерпва запасите от евтин нефт, ще бъде оказан огромен натиск, за да бъдат открити нови източници на чиста енергия. Все по-увеличаващите се цени на газа, намаляващата продукция, повишеното замърсяване, атмосферните промени — всичко това подхранва един подновен и неимоверно силен интерес към енергията.

Днес няколко изобретатели, които се носят върху тази вълна на загриженост, обещават да произведат неограничени количества безплатна енергия, предлагайки да продадат своите изобретения за стотици милиони. Десетки инвеститори периодично се нареждат на опашка, примамени от сензационните твърдения във финансовите медии, които често приветстват тези съвременни отшелници като следващите едисоновци.

Популярността на машините с вечен двигател е широка. В един епизод на „Семейство Симпсън“, озаглавен „РТА се разпуска“, Лайза конструира своя собствена машина с вечен двигател по време на една учителска стачка. Това подтиква Хоумър да заяви строго: „Лайза, ела тук… в тази къща се подчиняваме на законите на термодинамиката!“

В компютърните игри „Дъ Симс“, „Ксеносага Епизоди I“ и „II“, и „Ултима VI: Лъжливият пророк“, както и в програмата на Никелодеон „Нашественикът Зим“, машините с вечен двигател фигурират често в сюжетите.

Но ако енергията е толкова ценна, то тогава каква точно е вероятността да създадем машина с вечен двигател? Дали тези устройства са наистина невъзможни, или тяхното създаване ще изисква преразглеждане на законите на физиката?

Историята от енергийна гледна точка

Енергията е жизненоважна за цивилизацията. На практика цялата човешка история може да бъде разглеждана през лупата на енергията. През 99,9 процента от човешкото съществуване първобитните общества са водели номадски начин на живот, мъчейки си да си осигурят оскъдна прехрана, като са търсели полезни отпадъци и са ходели на лов, за да си набавят храна. Животът е бил тежък и кратък. Енергията, която ни е била достъпна, възлизала на една пета от една конска сила — силата на нашите собствени мускули. Анализите на костите на нашите предци показват следи от неимоверно износване, причинено от смазващото бреме на ежедневното оцеляване. Средната продължителност на живота е била по-малко от двадесет години.

Но след края на последната ледникова епоха, който настъпва преди около десет хиляди години, ние сме открили земеделието и опитомените животни, и по-специално коня, което постепенно е повишило добива на енергия до една или две конски сили. Това предизвикало първата велика революция в човешката история. С помощта на коня или вола един човек разполагал с достатъчно енергия, за да изоре цяло поле съвсем сам, да измине десетки мили за един ден, или да мести стотици фунтове камъни или зърнени храни от едно място на друго. За първи път в човешката история семействата разполагали с излишък от енергия и в резултат на това били основани първите градове. Излишната енергия означавала, че обществото може да си позволи да подпомогне една класа от занаятчии, архитекти, строители и писари и по този начин древната цивилизация можела да процъфтява. Скоро големи пирамиди и империи изникнали от джунглите и пустинята. Средната продължителност на живота достигнала около тридесет години.

След това, през периода преди около триста години, избухнала втората велика революция в човешката история. С появата на машините и на парната енергия енергията, която била достъпна на един-единствен човек, се увеличила на десетки конски сили. Чрез овладяването на енергията на парния локомотив хората вече можели да пресичат цели континенти за няколко дни. Машините можели да изорат цели полета, да транспортират стотици пътници на разстояния от хиляди мили и да ни позволят да изградим огромни внушителни градове. През 1900 г. средната продължителност на живота била достигнала почти петдесет години в Съединените щати.

Днес се намираме по средата на третата велика революция в човешката история — информационната революция. Заради бума на населението и вълчия ни апетит за електричество и енергия енергийните ни потребности са се увеличили неимоверно и запасите от енергия са на предела. Енергията, която е достъпна на един-единствен индивид, сега се измерва с хиляди конски сили. Приемаме за вярно, че една-единствена кола може да генерира енергия от порядъка на стотици конски сили. Не е учудващо, че това търсене на все повече енергия е пробудило интереса към по-големите източници на енергия, като в това число влизат и машините с вечен двигател.

Машините с вечен двигател в исторически план

Търсенето на машина с вечен двигател датира от древността. Първият записан опит за конструиране на машина с вечен двигател датира от VIII в. в Бавария. Това бил прототип на стотици разновидности, които щели да се появят през следващите хиляда години. Основавал се на серия от малки магнити, прикрепени към колело, подобно на едно колело на Ферис. Колелото било поставено върху много по-голям магнит, който се намирал на пода. Докато всеки магнит върху колелото преминава над неподвижния магнит, се предполагало, че той първо ще бъде привлечен, а после отблъснат от по-големия магнит, като по този начин ще бута колелото и ще създава вечно движение.

Друг остроумно направен модел бил измислен през 1150 г. от индийския философ Бхаскара, който предложил колело, което да се движи вечно, като се прибави тежест към ръба му, която да кара колелото да се върти, защото е извадено от равновесие. Работата щяла да се върши от тежестта, докато то се върти, и след това то щяло да се връща в първоначалното си положение. Бхаскара твърдял, че чрез повтарянето на този процес отново и отново човек може да извлече безплатно неограничено количество енергия.

Баварският проект и този на Бхаскара на машини с вечен двигател и техните многобройни потомци притежават едни и същи съставни елементи: някакво колело, което може да прави едно-единствено завъртане, без да се добавя никаква енергия, произвеждайки по време на този процес използваема енергия. (Внимателното проучване на тези добре измислени машини обикновено показва, че в действителност във всеки цикъл на работа се губи енергия или че не може да бъде получена използваема енергия.)

Настъпването на Ренесанса ускорява даването на предложения за машина с вечен двигател. През 1635 г. бил даден първият патент за машина с вечен двигател. До 1712 г. Йохан Беслер бил анализирал около триста различни модела и предложил своя собствена конструкция. (Мълвата гласи, че неговата домашна прислужница по-късно разкрила, че машината му е измама.) Дори великият ренесансов художник и учен Леонардо да Винчи се интересувал от машините с вечен двигател. Въпреки че ги отричал публично, като ги сравнявал с безплодното търсене на философския камък, когато бил сам, той правел в своите бележници добре измислени скици на самозадвижващи се машини с вечен двигател, като сред тях имало центрофужна помпа и шапка на комин, използвани за въртене на шиш за печене на месо над огъня.

До 1775 г. били предложени толкова много проекти, че Кралската академия на науките в Париж заявила, че „повече няма да приема или да разглежда предложения, свързани с вечния двигател“.

Артър Орд-Хюм — историк на машините с вечен двигател, пише за неуморната отдаденост на тези изобретатели, които работели при изключително неблагоприятни условия, като ги сравнява с древните алхимици. „Но — отбелязал той — дори алхимикът… е знаел кога го бият.“

Мошеничества и измами

Стимулът за конструиране на машина с вечен двигател бил толкова мощен, че измамите станали нещо обичайно. През 1813 г. Чарлс Редхефър изложил на показ в Ню Йорк машина, която поразила публиката, тъй като произвеждала безплатно неограничено количество енергия. (Но когато Робърт Фултън проучил внимателно машината, открил скрит ремък от катгут, който я задвижвал. На свой ред този кабел бил свързан с човек, който въртял тайно една манивела на тавана.)

Учени и инженери също започнали да конструират с нескрит ентусиазъм машини с вечен двигател. През 1870 г. издателите на „Сайънтифик Американ“ били измамени с машина, конструирана от И. П. Уилис. Списанието публикувало статия със сензационното заглавие „Най-голямото откритие, правено някога“. Едва по-късно изследователи открили, че машината с вечен двигател на Уилис притежава скрит източник на енергия.

През 1872 г. Джон Ърнст Уоръл Кели извършил най-сензационното и доходно мошеничество на своето време, измамвайки инвеститорите с почти 5 милиона долара — сума, достойна за принц в края на XIX век. Неговата машина с вечен двигател се основавала на резониращи регулиращи вилки, за които той твърдял, че са свързани с „етера“. Кели, човек без никакви научни познания, канел богати инвеститори в къщата си, където ги удивявал със своя хидро пневматичен пулсиращ вакуумен двигател, който свистял без никакъв външен източник на енергия. Алчни инвеститори, смаяни от самозадвижващата се машина, се тълпели, за да налеят пари в ковчежето му.

По-късно някои инвеститори, които изгубили илюзиите си, го обвинили в измама, и той наистина прекарал известно време в затвора, въпреки че умрял като богат човек. След смъртта му изследователи открили находчиво измислената тайна на неговата машина. Когато къщата му била разрушена, на пода и в стените на сутерена били открити скрити тръби, които тайно подавали сгъстен въздух към машината. На свой ред тези тръби се захранвали с енергия от маховик.

Дори Американският флот и президентът на Съединените щати били изиграни от подобна машина. През 1881 г. Джон Гамджи изобретил машина с течен амоняк. Изпаряването на студения амоняк създавало разширяващи се газове, които можели да задвижват бутало, и вследствие на това захранвали с енергия машини, като била използвана само топлината на океана. Американският флот бил толкова очарован от идеята за извличане на неограничено количество енергия от океаните, че одобрил устройството и дори го демонстрирал на президента Джеймс Гарфийлд. Проблемът се състоял в това, че парата не се кондензирала обратно в течност така, както трябвало. Вследствие на това цикълът не можел да бъде завършен.

Толкова много предложения за машини с вечен двигател били представени на Американското бюро за патенти и търговски марки (USPTO), че то отказало да издаде патент за подобно устройство, докато не бъде представен работещ модел. В някои редки случаи, когато патентните проучватели не можели да открият никакъв очевиден дефект в един модел, бивал издаден патент. USPTO твърди: „С изключение на случаите, включващи вечен двигател, обикновено Бюрото не изисква модел, който да демонстрира начина на действие на едно устройство.“ (Тази вратичка в закона е позволила на безскрупулни изобретатели да убеждават наивни инвеститори да финансират техните изобретения, тъй като твърдели, че USPTO е признало официално тяхната машина.)

Стремежът към конструиране на машина с вечен двигател обаче не е безплоден от научна гледна точка. Тъкмо обратното — въпреки че изобретателите така и не са създали машина с вечен двигател, огромният обем на времето и енергията, вложени в изграждането на такава приказна машина, е накарал физиците да проучат внимателно естеството на топлинните машини. (По същия начин безплодното търсене от алхимиците на философския камък, който може да превръща оловото в злато, е спомогнало за откриването на някои от основните закони на химията.)

Например през 60-те години на XVIII в. Джон Кокс разработил часовник, който можел наистина да работи вечно, тъй като се захранвал с енергия от промените в атмосферното налягане. Промените във въздушното налягане задвижвали барометър, който после въртял стрелките на часовника. Този часовник работел наистина и той съществува и до днес. Часовникът може да работи вечно, защото енергията се извлича отвън под формата на промени в атмосферното налягане.

Машини с вечен двигател като тази на Кокс накрая накарали учените да изкажат хипотезата, че такива машини биха могли да работят вечно само ако енергията бъде внесена в устройството отвън, т.е. ако общото количество на енергията бъде запазено. Тази теория накрая довела до формулирането на Първия закон на термодинамиката — който гласи, че общото количество на материята и енергията не може да бъде създадено или унищожено. Накрая били постулирани трите закона на термодинамиката. Вторият закон гласи, че общото количество на ентропията (безредието) винаги се увеличава. (Грубо казано, според този закон топлината тече спонтанно само от по-горещи към по-студени места.) Третият закон гласи, че никога не можете да достигнете абсолютната нула.

Ако сравним Вселената с игра и целта на тази игра е да се извлича енергия, то тогава трите закона могат да бъдат перифразирани така:

„Не можете да получите нещо за нищо.“ (Първи закон)

„Не можете дори да избягате.“ (Втори закон)

„Не можете дори да излезете от играта.“ (Трети закон)

(Физиците обичат да твърдят, че тези закони не са задължително абсолютно верни през цялото време. Независимо от това досега не е било откривано отклонение от тях. Всеки, който се опита да опровергае тези закони, трябва да се противопостави на провеждани старателно в течение на векове научни експерименти. Ще разгледаме накратко възможните отклонения от законите.)

Трите закона, които спадат сред върховните постижения на науката на XIX в., са белязани както от трагедията, така и от триумфа. Една от основните фигури при формулирането на законите, великият германски физик Лудвиг Болцман, се самоубил до известна степен заради полемиката, която разпалил при формулирането.

Лудвиг Болцман и ентропията

Болцман бил нисък, недодялан човек с изпъкнал гръден кош и огромна, лесоподобна брада. Неговата страховита и свирепа външност обаче давала невярна представа за раните, които той получавал, докато защитавал идеите си. Въпреки че физиката на Нютон била поставена на здрави основи през XIX в., Болцман знаел, че тези закони никога не са били прилагани строго върху спорната концепция за атомите — концепция, която все още не била приета от мнозина водещи учени. (Понякога забравяме, че само преди един век е имало легиони учени, които са настоявали, че атомът е само умно измислена джунджурия, а не нещо, което съществува наистина. Атомите са толкова невъзможно малки, твърдели те, че вероятно изобщо не съществуват.)

Нютон показал, че механични сили, а не духове или нечие желание, са достатъчни за определяне на движението на обектите. След това Болцман извел елегантно много от законите за газовете чрез едно просто допускане: че газовете са съставени от атоми, които, подобно на билярдни топки, се подчиняват на законите на силите, формулирани от Нютон. Според Болцман една камера, в която има газ, прилича на кутия, изпълнена с трилиони съвсем малки стоманени топки, като всяка от тях отскача от стените и от всяка друга съобразно Нютоновите закони за движението. В един от най-големите шедьоври на физиката Болцман (и независимо от него Джеймс Кларк Максуел) показали по математически път как това просто допускане може да доведе до смайващи нови закони и да създаде цял нов дял във физиката, наречен статистическа механика.

Изведнъж се оказало, че много от свойствата на материята могат да бъдат изведени от първите принципи. Тъй като законите на Нютон предвиждали, че енергията трябва да се запазва, когато бъде приложена върху атоми, всеки сблъсък между атоми запазвал енергията. Това означавало, че една цяла камера с трилиони атоми също запазва енергията. Запазването на енергията сега можело да бъде установено не само по експериментален път, но и въз основа на първите принципи, т.е. на Нютоновото движение на атомите.

Но през XIX в. съществуването на атомите все още било оспорвано разгорещено й често било осмивано от видни учени като философа Ернст Мах. Тъй като бил чувствителен човек, който често изпадал в депресия, Болцман за свое неудоволствие установил, че е станал гръмоотводът, фокусът на злостните атаки на антиатомистите. Според антиатомистите нищо, което не може да бъде измерено, не съществува, като в това число влизат и атомите. За да стане унижението на Болцман още по-голямо, много от неговите статии били отхвърлени от издателя на известно германско списание за физика, защото смятал, че атомите и молекулите са по-скоро тясно приложими теоретични инструменти, отколкото обекти, които наистина съществуват в природата.

Изтощен и огорчен от всичките личностни нападки, Болцман се обесил през 1906 г., докато жена му и детето му били отишли на разходка. За съжаление той не разбрал, че само година преди това един безразсъден млад физик на име Алберт Айнщайн е направил невъзможното — бил написал първата статия, в която се демонстрирало съществуването на атомите.

Общата ентропия винаги нараства

Работата на Болцман и на други физици спомогнала за изясняване на естеството на машините с вечен двигател, като ги разделила на два типа. Машините с вечен двигател от първия тип са тези, които нарушават Първия закон на термодинамиката, т.е. те наистина произвеждат повече енергия, отколкото потребяват. Във всеки случай физиците установяват, че този тип машина с вечен двигател зависи от скрити, външни източници на енергия, било чрез измама, било защото изобретателят не е разбрал кой е източникът на външна енергия.

Машините с вечен двигател от втория тип са по-остроумно направени. Те се подчиняват на Първия закон на термодинамиката — запазването на енергията, — но нарушават Втория закон. На теория една машина с вечен двигател от втория тип не произвежда отработена топлина и затова притежава стопроцентова ефективност.[2] Но според Втория закон такава машина е невъзможна — т.е. отработена топлина задължително трябва да бъде произвеждана винаги — и вследствие на това безредието или хаосът във Вселената, или иначе казано ентропията, винаги нараства. Независимо от това колко ефективна е машината, тя винаги ще произвежда някаква отработена топлина, като по този начин ще повишава ентропията във Вселената.

Фактът, че общата ентропия винаги нараства, заема централно място и в човешката история, и в Майката природа. Според Втория закон е много по-лесно да се унищожава, отколкото да се гради. Нещо, за чието създаване може да са били необходими хиляди години, като например великата империя на ацтеките в Мексико, може да бъде унищожено за няколко месеца. И точно това се случило, когато една дрипава банда от испански конквистадори, въоръжени с огнестрелни оръжия и яхнали коне, разбила напълно империята.

Всеки път когато погледнете в огледалото и видите нова бръчка или бял косъм, вие наблюдавате ефектите от Втория закон. Биолозите ни казват, че процесът на остаряването представлява постепенно натрупване на генетични грешки в нашите клетки и гени, така че способността на клетката да функционира бавно се влошава. Остаряването, ръждясването, гниенето, разлагането, разпадането и рухването са също примери за действието на Втория закон.

Обръщайки внимание на неразбираемата същност на Втория закон, астрономът Артър Едингтън веднъж казал: „Мисля, че законът, според който ентропията винаги нараства, заема най-важното място сред законите на Природата… ако бъде установено, че вашата теория противоречи на Втория закон на термодинамиката, не мога да ви обнадеждя по никакъв начин. Не ви остава нищо друго, освен да изпаднете в най-дълбоко унижение.“

Дори днес предприемчиви инженери (и интелигентни шарлатани) продължават да обявяват, че са изобретили машини с вечен двигател. Неотдавна от „Уолстрийт Джърнъл“ ме помолиха да коментирам работата на един изобретател, който наистина бе убедил инвеститори да вложат милиони долари в неговата машина. В големите финансови вестници бяха публикувани спиращи дъха статии, писани от журналисти без научни познания, които изпадаха в телешки възторг от потенциалната способност на това изобретение да промени света (и да породи междувременно баснословни и лесни печалби). „Гений или чудак?“, тръбяха заглавията.

Инвеститорите вложиха огромни пари в това устройство, което нарушаваше основните закони на физиката и химията, които се преподаваха в гимназията. (Това, което ме шокира, не бе, че едно лице се опитва да измами лековерните — това бе ясно като зората. Това, което изненадваше, бе, че на изобретателя му бе толкова лесно да мами богати инвеститори поради липсата на разбиране на елементарната физика от тяхна страна.) Повторих на „Джърнъл“ поговорката: „Глупакът и парите му се разделят лесно“ и прочутия афоризъм на П. Т. Барнъм: „Всяка минута се ражда по един наивник.“ Може би не е изненадващо и че „Файненшъл Таймс“, „Икономист“ и „Уолстрийт Джърнъл“ публикуват големи статии, чиято специална тема са различни изобретатели, които рекламират шумно своите машини с вечен двигател.

Трите закона и симетриите

Но всичко това повдига един по-дълбокомислен въпрос: Защо железните закони на термодинамиката са валидни изобщо? Това е мистерия, която е будела любопитството на учените, откакто законите са били предложени за първи път. Ако можехме да отговорим на този въпрос, може би щяхме да намерим вратички в тези закони и последствията щяха да бъдат разтърсващи.

В Института за следдипломна квалификация един ден буквално загубих дар слово, когато най-сетне научих истинския произход на запазването на енергията. Един от фундаменталните принципи на физиката (открит от математичката Еми Нетер през 1918 г.) гласи, че всеки път когато една система притежава симетрия, в резултат навлиза в сила законът за запазването. Ако законите на Вселената остават едни и същи с течение на времето, поразителният резултат от това е, че системата запазва енергията. (Освен това, ако законите на физиката остават едни и същи, в случай че се движите в която и да е посока, то тогава и механичният момент бива запазен във всяка посока. А ако законите на физиката остават едни и същи при въртене, ъгловият момент бива запазен.)

Това ме обърка. Осъзнах, че когато анализираме звездната светлина, идваща от далечни галактики, намиращи се на разстояние от милиарди светлинни години, в самия край на видимата вселена, установяваме, че светлинният спектър е идентичен на спектрите, които можем да открием на Земята. В остатъчната светлина, която е била излъчена милиарди години преди раждането на Земята или Слънцето, виждаме същите ясно забележими „пръстови отпечатъци“ на спектъра на водорода, хелия, въглерода, неона и т.н. които откриваме на Земята днес. С други думи, основните закони на физиката не са се променили в продължение на милиарди години и са постоянна величина чак до външните краища на Вселената.

Осъзнах, че теоремата на Нетер означава най-малкото, че запазването на енергията вероятно ще продължава милиарди години наред, ако не и вечно. Доколкото ни е известно, нито един от фундаменталните закони на физиката не се е променил с течение на времето и това е причината, поради която енергията се запазва.

Последствията от теоремата на Нетер за модерната физика са дълбоки. Всеки път когато физиците създават нова теория, независимо от това дали тя разглежда произхода на Вселената, взаимодействията на кварките и други субатомни частици, или антиматерията, започваме отначало със симетриите, на които се подчинява системата. Всъщност за симетриите сега е известно, че са фундаменталният ръководен принцип при създаването на всяка нова теория. В миналото симетриите бяха смятани за страничен продукт от една теория — привлекателна, но в крайна сметка безполезна характеристика, която е хубава, но не е от особено значение. Днес осъзнаваме, че симетриите са най-важните характеристики, които определят всяка теория. При създаването на нови теории ние, физиците, започваме със симетрия, а после изграждаме теория около нея.

(За съжаление Еми Нетер, подобно на Болцман преди нея, трябвало да се бори със зъби и нокти за признание. Тъй като била жена, отказали да й дадат постоянно място във водещите институции по полов признак. Наставникът на Нетер — големият математик Давид Хилберт, бил толкова обезсърчен от неуспеха да осигури преподавателско място за Нетер, че възкликнал: „Какво сме ние, университет или дружество на къпещите се в баня?“)

Това повдига един обезпокоителен въпрос. Ако енергията бива запазена, защото законите на физиката не се променят с течение на времето, то тогава може ли тази симетрия да бъде нарушена в редки, необичайни обстоятелства? Все още има възможност запазването на енергията да може да се нарушава в космически мащаб, ако симетрията на нашите закони бъде нарушена на екзотични и неочаквани места.

Един начин, по който това може да стане, е ако законите на физиката варират с течение на времето или се променят заедно с разстоянието. (В романа на Азимов „Самите богове“ тази симетрия била нарушена, защото имало дупка в пространството, която свързвала нашата вселена с една паралелна вселена. Законите на физиката се променят в съседство с дупката в пространството и позволяват появата на пробив в законите на термодинамиката. Вследствие на това запазването на енергията може да бъде нарушено, ако има дупки в пространството, т.е. дупки-червеи.)

Друга вратичка в законите, която се обсъжда разгорещено днес, е дали енергията може да изскочи от нищото.

Енергия от вакуума?

Един мъчителен въпрос гласи: Възможно ли е да се извлича енергия от нищото? Неотдавна физиците осъзнаха, че „нищото“ на вакуума изобщо не е празно, а в него кипи трескава дейност.

Един от защитниците на тази идея е ексцентричният гений на XX в. Никола Тесла, който е достоен съперник на Томас Едисон.[3] Той е и един от защитниците на енергията на нулевата точка, т.е. идеята, че във вакуума може да има несметни количества енергия. Ако това е вярно, вакуумът ще стане последният „безплатен обяд“, способен да предостави неограничено количество енергия буквално от въздуха. Вместо вакуумът да бъде смятан за празен и лишен от каквато и да е материя, той ще се окаже последното хранилище на енергия.

Тесла се родил в малък град на място, което днес се намира в Сърбия, и пристигнал без пукната пара в Съединените щати през 1884 година. Скоро той станал помощник на Томас Едисон, но заради своята голяма надареност се превърнал в негов съперник. По време на едно прочуто състезание, което историците кръстили „Войната на токовете“, Тесла бил изправен срещу Едисон. Едисон вярвал, че може да електрифицира света със своите електродвигатели, използващи прав ток (DC), докато Тесла бил откривателят на променливия ток (АС) и показал успешно, че неговите методи далеч надминават тези на Едисон и претърпяват значително по-малко загуби на енергия на определено разстояние. Днес цялата планета е електрифицирана въз основа на патентите на Тесла, а не на Едисон.

Изобретенията и патентите на Тесла са повече от седемстотин на брой и вместяват в себе си някои от най-важните открития в модерната история на електричеството. Историците са доказали правдоподобността на твърдението, че Тесла е изобретил радиото преди Гулиелмо Маркони (общопризнат като изобретателя на радиото) и е работел с Х-лъчи преди тяхното официално откриване от Вилхелм Рьонтген. (И Маркони, и Рьонтген по-късно спечелили Нобелова награда за открития, направени от Тесла години преди това.)

Тесла вярвал също, че може да извлече неограничено количество енергия от вакуума — твърдение, което за съжаление не е доказал в своите бележки. На пръв поглед „енергията на нулевата точка“ (или енергията, която се съдържала във вакуум) нарушава Първия закон на термодинамиката. Въпреки че енергията на нулевата точка отправя предизвикателство срещу законите на Нютоновата механика, понятието енергия на нулевата точка неотдавна изникна отново от една странна посока.

Когато учените анализират данните от спътниците, които в момента се движат в орбита около Земята, като например спътника WMAP, те стигат до поразителното заключение, че цели 73% от Вселената се състоят от „тъмна енергия“ — енергията на чистия вакуум. Това означава, че най-големият резервоар на енергия в цялата вселена е вакуумът, който разделя галактиките във Вселената. (Тази тъмна енергия е толкова колосална, че раздалечава галактиките една от друга и може накрая да разкъса Вселената на парчета по време на едно Голямо замръзване.)

Тъмната енергия се намира навсякъде във Вселената, като от нея има дори във вашата всекидневна и във вашето тяло. Количеството на тъмната енергия в открития космос е наистина астрономическо, като тя тежи повече от цялата енергия на звездите и галактиките, взети заедно. Можем и да изчислим количеството на тъмната енергия на Земята и то е съвсем малко, прекалено малко, за да се използва за захранването с енергия на една машина с вечен двигател. Тесла бил прав в случая с тъмната енергия, но грешал за нейното количество на Земята.

Или пък е бил прав?

Една от най-неудобните празнини в модерната физика е, че никой не може да пресметне количеството тъмна енергия, което можем да измерим чрез спътниците. Ако използваме последната теория в атомната физика, за да изчислим количеството тъмна енергия във Вселената, стигаме до погрешно число от порядъка на 10120! Това е „единица“, следвана от 120 нули! Засега това е най-голямото несъответствие между теория и експеримент в цялата физика.

Проблемът е, че никой не знае как да изчисли „енергията на нищото“. Това е един от най-важните въпроси във физиката (защото накрая той ще определи съдбата на Вселената), но понастоящем не разполагаме с указание, което да ни подскаже как да я пресметнем. Нито една теория не може да обясни тъмната енергия, въпреки че експерименталните доказателства за нейното съществуване са очебийни.

Така че вакуумът наистина притежава енергия, както е подозирал Тесла. Но количеството на енергията вероятно е прекалено малко, за да бъде използвано като източник на използваема енергия. Има огромни количества тъмна енергия между галактиките, но количеството, което може да бъде открито на Земята, е съвсем малко. Но неудобството е в това, че никой не знае как да пресметне количеството на тази енергия или да установи откъде идва тя.

Моето мнение е, че запазването на енергията е в резултат на дълбоки, космологични причини. Всяко нарушение на тези закони непременно ще доведе до дълбока промяна в нашето разбиране за еволюцията на Вселената. А загадката на тъмната енергия принуждава физиците да влязат във фронтален сблъсък с този въпрос.

Тъй като създаването на истинска машина с вечен двигател може да ни задължи да преоценим фундаменталните закони на физиката в космологичен мащаб, бих причислил машините с вечен двигател към Клас III на невъзможните неща, т.е. или те са наистина невъзможни, или ще трябва да променим радикално нашето разбиране на фундаменталната физика в космологичен мащаб, за да направим възможна подобна машина. Тъмната енергия остава една от големите незавършени глави в модерната наука.

Бележки

[1] Asimov, с. 12.

[2] Някои хора са възразявали на това, като са обявявали, че човешкият мозък, който е може би най-сложният обект, създаван някога от Майката природа в Слънчевата система, нарушава Втория закон. Човешкият мозък, който се състои от над 100 милиарда неврона, няма равен на себе си по сложност на нищо, което се намира в рамките на 24-те трилиона мили от Земята до най-близката звезда. Но как това огромно понижение на ентропията може да се съгласува с Втория закон, питат те? Самата еволюция като че ли нарушава Втория закон. Отговорът на въпроса гласи, че намаляването на ентропията, създадено от възникването на по-висши организми, в чието число влизат и хората, е настъпило за сметка на повишаването на общата ентропия другаде. Намаляването на ентропията, предизвикано от еволюцията, е балансирано с лихвите от повишаването на ентропията в околната среда, т.е. от ентропията на слънчевите лъчи, които се удрят в Земята. Създаването на човешкия мозък по еволюционен път понижава още повече ентропията, но това се компенсира с лихвите от хаоса, който създаваме (например замърсяването, отработената топлина, глобалното затопляне и др.).

[3] Тесла обаче също е трагична фигура, тъй като вероятно е лишен с измама от възнагражденията, изплащани под формата на процент от прихода, за много от своите патенти и изобретения, прокарали пътя за появата на радиото, телевизията и революцията в телекомуникациите. (Ние, физиците, обаче сме гарантирали, че името на Тесла няма да бъде забравено. На него сме нарекли единицата мярка за магнетизъм. Един тесла се равнява на 10 000 гауса или това е величина, която съответства приблизително на големината на магнитното поле на Земята, увеличена двадесет хиляди пъти.) Днес той е забравен до голяма степен, като изключим това, че по-ексцентричните му твърдения са станали тема на разговори за конспирации и са част от градските легенди. Тесла вярвал, че може да осъществи връзка с форми на живот на Марс, да довърши единната теория на полето на Айнщайн, да разреже Земята на половина като ябълка и да разработи лъч на смъртта, който да унищожава десет хиляди аероплана от разстояние 250 мили (около 450 км). (ФБР се отнесло толкова сериозно към твърдението му, че може да създаде лъч на смъртта, че конфискувало голяма част от бележките и лабораторното му оборудване след неговата смърт, като известна част от това имущество все още се държи някъде тайно на съхранение и до днес.) Тесла бил на върха на славата си през 1931 г., когато името му се появило на първата страница на списание „Тайм“. Той редовно смайвал публиката, като пускал пред ахкащите зрители огромни изкуствени мълнии с мощност от милиони волтове електрическа енергия. Това, което погубило Тесла обаче, било, че той бил прочут с небрежното си отношение към финансите и правните си дела. Изправен срещу батареята от адвокати, представляващи възникващите тогава електрически гиганти, Тесла загубил контрол над най-важните си патенти. Той започнал да проявява и признаци на МНР (маниакално-натрапчиво разстройство), тъй като бил обсебен от числото три. По-късно станал параноик, който живеел в нищета в хотел „Ню Йоркър“, като се страхувал, че враговете му го тровят и винаги бил една крачка пред своите кредитори. Починал в пълна бедност на осемдесет и шест години през 1943 година.