Энтропия растет по мере заполнения макроскопической системой всех доступных ей состояний (степеней свободы), и чем больше степеней свободы, тем больше максимально возможная энтропия системы. О процессе заполнения системой своих степеней свободы говорят как о диссипации (рассеянии) энергии. Максимальная энтропия (предельно большой хаос) соответствует термодинамически равновесному состоянию. Это такое состояние, в котором любой набор индивидуальных характеристик микроскопических частиц системы (совместимый с законом сохранения полной энергии) равновероятен — система заполнила с ^разной вероятностью все свои степени свободы. При этом в термодинамическом равновесии полностью утрачивается память о предыдущей эволюции системы. Совершенно естественно трактовать процессы, идущие с увеличением энтропии, как деградацию энергии рассматриваемого объекта. Недаром процессы, привозящие к повышению энтропии, часто называют не только релаксационными и 1диссипативными, но и деградационными, а термодинамически равновесное состояние — тепловой смертью. Ясно, что при таких процессах энергия тела хотя и не уменьшается, но становится хуже качеством. Продеградировавшую энергию трудно, а часто и невозможно использовать для практических целей. Можно скипятить воду, сжигая кусок угля размером меньше чайника, но, погрузив тайник в воды Мирового океана, обладающего огромной тепловой энергией, горячую воду можно только охладить. Ясно, что энергия, содержащаяся в куске угля, выше качеством тепловой энергии Мирового океана. Сжигая уголь, мы уменьшаем качество содержащейся в нем энергии и утрачиваем возможность ее дальнейшего практического использования.
Сейчас принято считать, что все процессы в природе приводят к повышению суммарной энтропии взаимодействующих тел. Это носит название закона возрастания энтропии. Результатом этих деградационных процессов должна быть тепловая смерть Земли и, возможно, Вселенной. В рамках этой картины мира утешает лишь то, что перспектива тепловой смерти, по мнению основоположников статистической физики, невообразимо далека. Впрочем, этот сравнительно оптимистический вывод был сделан давно и без учета влияния на природу результатов человеческой деятельности.
Надо, однако, отметить, что предположение о неизбежном росте энтропии системы частиц, двигающихся по законам механики и не подвергающихся вероятностному (стохастическому) внешнему воздействию, с самого начала вызвало заслуженную критику со стороны ряда ученых (Пуанкаре,Лошмидт,Цермело и др.). Они обратили внимание на то, что картина Мира, основанная полностью на динамических законах, противоречит закону возрастания энтропии. Динамические законы обратимы во времени, а рост энтропии характеризует необратимые физические процессы. Иначе говоря, второе начало термодинамики не может быть следствием законов Ньютона, а является дополнительным постулатом. Позднее была доказана теорема о сохранении энтропии в системе частиц, двигающихся по законам квантовой механики. Недавно мне с группой теоретиков удалось найти интересный пример, демонстрирующий, что деградационные процессы не являются следствием одних лишь законов взаимодействия частиц, а должны привноситься извне[1]. Однако не будем здесь останавливаться на этих сложных и тонких вопросах, в частности на том, что является источником роста энтропии. Достаточно знать, что закон ее возрастания подтверждается огромным количеством экспериментальных данных.
Из сказанного ясно, что при оценке качества энергии должно быть очень существенно, насколько эта энергия хаотизирована, т. е. насколько велика ее энтропия (мера беспорядка). Система, обладающая большей упорядоченностью (меньшей энтропией), должна, по-видимому, обладать и более высококачественной энергией.
Однако, судя по всему, энтропия является не единственной характеристикой качества энергии. Например, ее величина непосредственно не связана со сроком возможного хранения энергии без потерь. Важно также и то, насколько трудоемким оказывается процесс высвобождения энергии. Точнее, сколько энергии и какого качества понадобится, для того чтобы выделяемой энергии оказалось достаточно для покрытия расходов на запуск процесса энерговыделения. Этот вопрос мы обсудим ниже в связи с проблемами термоядерного синтеза.
В простейших случаях ограничения на преобразование энергии низкого качества в энергию высокого качества очевидны. Приведу несколько примеров из близкой мне области — лазерной физики.
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.