Первые паровые машины дали нам возможность поймать хаос. Начавшаяся в результате этого промышленная революция была своего рода сделкой с дьяволом: давая нам господство над материей и энергией, наши машины – как помогавший Фаусту демон Мефистофель – производят изменения в макроскопическом мире, исполняя наши желания в мире микроскопическом. Этот пращур физики конденсированного состояния привел ученых в конце XIX века к печально известному теперь убеждению, что мы приближаемся к концу познания.

Но кто был истинным господином – Фауст или демон? Еще в 1558 году Джамбаттиста делла Порта замечал в своей «Природной магии»:

Есть два вида магии: первый отвратителен и злополучен, поскольку связан с нечистыми духами и состоит из заклинаний и греховного любопытства… Вторая магия есть магия натуральная, кою признают, используют и пылко чтят все превосходные мудрецы; ничто иное не пользуется бо́льшим уважением, ни бо́льшим почетом среди ученых мужей.

Таким образом, можно считать, что нам повезло, что мы решили сохранить вторую, но не первую. Сейчас мало кто верит в демонов; можно сказать, что именно изгнание этих демонов из рационального в остальном мышления привело нас к современной науке.

Во многих отношениях алхимия пользуется незаслуженно дурной репутацией. Да, вызывание демонов несколько вышло из моды. Но некоторые аспекты алхимии позволяют считать ее ранней формой естественных наук. Многие успехи алхимии были вполне реальными: первая исследовательница в этой области, записи о которой у нас сохранились, Мария Пророчица (работавшая в Александрии примерно в 200 году), изобрела устройства, которыми и сегодня пользуются химики, в том числе водяную баню бенмари (от фр. bain Marie – «баня Марии»). О влиянии герметизма (древней формы оккультизма) на раннюю химию свидетельствует сохранившееся слово «герметичность», исходно относившееся к воздухонепроницаемым сосудам алхимиков. К тому же многие отцы-основатели научной революции XVII века – в том числе и сам сэр Исаак Ньютон – называли себя алхимиками. Термодинамика появилась в XVIII веке под влиянием практических потребностей, что привело к отказу от более эзотерических элементов алхимии и созданию современной науки. Осталось только то, что действительно работало. Но это не значит, что в науке не осталось места для теории: скорее, можно сказать, что термодинамика выжила именно потому, что ее теория оказалась настолько удачной. Абстрактный характер термодинамики позволил ей осуществить мечту алхимиков – достичь бессмертия.

В этой главе мы поочередно рассмотрим начала термодинамики. Существует легко запоминаемое краткое изложение этих законов для непрофессионалов, которое приписывают поэту-битнику Аллену Гинзбергу (хотя более правдоподобна версия, что его сформулировал писатель и физик Ч. П. Сноу)[46]:

Нулевое начало: идет игра.

Первое начало: выиграть невозможно.

Второе начало: остаться при своих невозможно.

Третье начало: выйти из игры невозможно.

Мы увидим, как эти законы ограничивают доступные нам виды магии и как они возникают на микроскопическом масштабе. С исторической точки зрения термодинамику можно считать непосредственной предшественницей физики конденсированного состояния; она породила дополнительное представление о материи как о состоянии хрупкого равновесия между энергией и хаосом. Мы рассмотрим каждое из ее начал, но сначала поговорим о развитии самой термодинамики.

Водяное колесо Карно

В работе 1824 года, из которой позаимствовано название этой главы[47], Сади Карно (1796–1832) вывел формулу максимальной производительности любой машины, преобразующей теплоту в движение, – например паровой машины. Это событие часто называют началом термодинамики. Инфернальные приложения с самого момента ее зарождения были у этой дисциплины: Карно обещал, что сила пара поможет одерживать военные победы и расширять империю. По счастью, гениальность Карно проявилась в способности к абстрагированию. Паровая машина – это сложное сочетание металлических штоков и поршней, угля, дымоходов и людей, управляющих машиной. Но Карно увидел за всем этим суть процесса: он выявил нечто универсальное.

В детстве на Карно произвело сильное впечатление водяное колесо, которое построил его отец[48]. Оно приводилось в движение ниспадающим током воды. Я вполне могу его понять: в моем родном городе, Оттери-Сент-Мэри в Девоне, есть «кувырковая запруда», с которой вода реки падает в огромную дыру. Некогда эта запруда отводила воду на фабрику, где та вращала большое колесо (эта система еще работала лет за десять до того, как мой дед начал работать на фабрике в 1950-х годах).

Водяное колесо

Чтобы построить модель водяного колеса, можно представить себе воду, текущую из большого резервуара через колесо в другой, нижний резервуар: при этом вода приводит колесо в полезное движение. Возможен и обратный процесс: затратив некоторую энергию, можно повернуть колесо в обратную сторону, чтобы поднять воду обратно, снизу вверх. Карно вообразил аналогичную систему, в которой тепло течет из горячего «резервуара» в холодный. Он представил себе, что тепловым эквивалентом резервуара может быть источник тепла, такой большой, что он может отдавать тепло без изменения собственной температуры. В процессе передачи тепла от горячего к холодному можно извлечь полезное движение. В паровой машине горячий сжатый пар расширяется и охлаждается, приводя в движение поршень. Роль горячего резервуара играет источник горячего пара, а холодного резервуара – охлажденный пар, выпускаемый в конце процесса.

Карно вычислил максимальную производительность любого теплового двигателя, называемую теперь «коэффициентом полезного действия (КПД) цикла Карно». Чем больше разница температур резервуаров, тем выше КПД. Если в тепловом двигателе можно использовать только жидкую воду, существующую лишь при температурах от 0 °C до 100 °C, то КПД цикла Карно составляет всего 27 %. Никакие инженерные ухищрения не позволят превзойти этот предел: это ограничение, наложенное самой Вселенной[49]. Может показаться, что паровые машины остались в прошлом, вместе с викторианцами в очках-консервах, или принадлежат к миру стимпанковских фантазий, в котором по холмам и долам бродят полуразрушенные за́мки, приводимые в движение дружелюбными огненными демонами – такими как Кальцифер из «Ходячего замка», мультфильма студии «Гибли» (и книги Дианы Уинн Джонс). Но на самом деле пар по-прежнему имеет очень большое значение. Около 85 % электроэнергии, вырабатываемой сегодня на Земле, производится с использованием пара. Ядерные реакторы создают горячий пар, который, расширяясь и охлаждаясь, вращает колеса (турбины). При преобразовании в электричество геотермической энергии тоже используется пар. В нашей реальности роль Кальцифера играет огонь, горящий внутри Земли. Карно научил нас, что увеличение производительности требует увеличения разницы температур тепловых резервуаров; если поместить воду под давление, можно увеличить температуру ее кипения – или вовсе избавиться от нее, превратив воду в сверхкритический флюид. Сверхкритическую воду уже используют на