— Вы совершенно правы, молодой человек, — согласился профессор, несказанно довольный тем, что его зять начинает понемногу разбираться в физике. — Такие вечные двигатели (их принято называть вечными двигателями первого рода) не могут существовать потому, что их существование противоречило бы закону сохранения энергии. Однако машины, работающие без топлива, которые я имею в виду, совершенно другого типа и их принято называть вечными двигателями второго рода. Их проектируют не для того, чтобы получать энергию из ничего, а для того, чтобы извлекать ее из тепловых резервуаров, скрытых вокруг нас в недрах земли, в море и в воздухе. Вообразите себе пароход, на котором пар в котлах получается не при сжигании угля, а при извлечении тепла из окружающей судно воды. В самом деле, если бы тепло можно было заставить течь от более холодного тела к более теплому, а не в обратном направлении, как обычно, то можно было бы построить систему, которая закачивала бы забортную морскую воду, извлекала бы из нее тепло и сталкивала за борт получающиеся из воды глыбы льда. При превращении в лед одного галлона воды, выделяется столько тепла, что его достаточно для того, чтобы довести до кипения другой галлон холодной воды. Пропуская с помощью насосов несколько галлонов морской воды в минуту, можно легко получить количество теплоты, достаточное для работы двигателя приличных размеров. Для всех практических целей вечные двигатели второго рода ничем не уступали бы вечным двигателям первого рода, предназначенным для получения энергии из ничего. Если бы вечные двигатели второго рода действовали, то все в мире могли бы существовать столь же беззаботно, как человек, обладающий беспроигрышной стратегией для игры в рулетку. К сожалению, ни вечные двигатели второго рода, ни беспроигрышные стратегии существовать не могут, ибо и те, и другие одинаково нарушают законы вероятности.
— Я могу допустить, что пытаться извлекать тепло из морской воды для подогрева судовых котлов — сумасшедшая идея, — сказал мистер Томпкинс. — Однако я не усматриваю никакой связи между этой проблемой и законами случая. Разумеется, если вы не станете предлагать использовать игральные кости или колесо рулетки в качестве движущихся частей машин, работающих без топлива. Но вы же ничего такого, надеюсь, и не предлагаете?
— Разумеется, не предлагаю! — рассмеялся профессор. — Не думаю также, чтобы самые сумасшедшие изобретатели вечных двигателей предлагали нечто подобное. Дело совсем в ином: тепловые процессы сами очень похожи по своей природе на игру в кости, и надеяться на то, что тепло потечет от более холодного тела к более горячему, все равно, что надеяться на то, что монеты из банка казино потекут к вам в карман.
— Вы хотите этим сказать, что банк холодный, а мой карман горячий? — спросил мистер Томпкинс, полностью запутавшийся в объяснениях.
— В каком-то смысле да, — согласился профессор. — Если бы вы не пропустили мою лекцию на прошлой неделе, то знали бы, что тепло представляет собой не что иное, как быстрое беспорядочное движение бесчисленных частиц, известных под названием атомов и молекул, из которых состоят все материальные тела. Чем сильнее это молекулярное движение, тем теплее тело. Поскольку это молекулярное движение совершенно беспорядочно, оно подчиняется законам случая. Нетрудно показать, что наиболее вероятное состояние системы, состоящей из большого числа частиц, соответствует более или менее равномерному распределению всей имеющейся энергии по частицам. Если какая-то часть материального тела нагрета, т. е. если частицы в этой части тела движутся быстрее, то, принимая во внимание огромное число случайных столкновений, можно ожидать, что избыток энергии вскоре равномерно распределится между всеми остальными частицами. Но поскольку столкновения между частицами чисто случайные, существует также вероятность того, что совершенно случайно значительная часть энергии окажется сосредоточенной в какой-то группе частиц в ущерб всем остальным частицам. Такая спонтанная концентрация тепловой энергии в какой-то одной части тела соответствовала бы потоку тепла, направленному против перепада, или градиента, температуры, и в принципе отнюдь не исключается. Но если мы попытаемся вычислить относительную вероятность такой спонтанной концентрации тепла, то получим столь малое числовое значение, что подобное явление с полным основанием можно назвать практически невозможным.
— Теперь мне понятно, — обрадовался мистер Томпкинс. — Вы хотите сказать, что хотя вечные двигатели второго рода могут изредка работать, вероятность такого события столь же мала, как вероятность выпадения семи очков сто раз подряд при игре в кости.
— В действительности шансы встретить действующий вечный двигатель второго рода еще меньше, — сказал профессор. — Вероятности выигрыша в азартной игре против природы столь малы, что трудно найти подходящие слова для их описания. Например, я могу подсчитать вероятность того, что воздух в этой комнате самопроизвольно соберется под столом, оставив повсюду абсолютный вакуум. Число игральных костей, которые вы должны были бы бросать одновременно, эквивалентно числу молекул воздуха в комнате, которое мне было бы необходимо знать. Насколько я помню, один кубический сантиметр воздуха при атмосферном давлении содержит двадцатизначное число молекул, поэтому во всей комнате наберется двадцатисемизначное число молекул воздуха. Пространство под столом составляет примерно около одного процента объема комнаты, и шансы любой данной молекулы оказаться именно под столом, а не где-нибудь еще, составляют поэтому один к ста. Следовательно, вычисляя вероятность того, что все молекулы окажутся под столом, я должен умножить одну сотую на одну сотую, на одну сотую и т. д. столько раз, сколько молекул в комнате. В результате я получу десятичную дробь с пятидесятью четырьмя нулями после запятой.
— Уф! — вздохнул мистер Томпкинс. — Не хотел бы я делать ставку со столь малыми шансами на выигрыш! А не означает ли это, что отклонения от равнораспределения молекул по пространству попросту невозможны?
— Вы совершенно правы, — согласился профессор. — Можно считать твердо установленным фактом, что смерть от удушья из-за того, что весь воздух соберется под столом, нам не угрожает и жидкость в бокале не закипит вдруг сама собой. Но если мы сосредоточим внимание на гораздо меньших областях, содержащих существенно меньшее число наших игральных костей — молекул, то отклонения от статистического распределения станут значительно более вероятными. Например, в этой же самой комнате молекулы воздуха то и дело группируются несколько более плотно в одних точках пространства, чем в других, образуя слабые неоднородности, которые получили название статистических флуктуаций плотности. Когда солнечный свет проходит через земную атмосферу, такие неоднородности приводят к рассеянию голубых лучей спектра и придают небу знакомый всем голубой цвет. Если бы не было этих флуктуаций плотности, то небо всегда было бы совершенно черным и звезды были бы отчетливо видны даже при полном дневном свете. При нагревании жидкости до точки кипения они слегка мутнеют, что также объясняется теми же самыми флуктуациями плотности, возникающими из-за хаотичности движения молекул. Но в больших масштабах флуктуации настолько маловероятны, что мы могли бы напрасно прождать их миллиарды лет и так и не увидеть ни одной флуктуации.
— Тем не менее у нас есть шанс стать свидетелями какого-нибудь необычного события прямо сейчас в этой самой комнате, — настаивал мистер Томпкинс. — Ведь так?
— Разумеется, такой шанс всегда есть, и было бы неразумно утверждать, будто половина содержимого супницы не может выплеснуться на скатерть потому, что половина всех молекул внезапно приобрела тепловые скорости в одном и том же направлении.