Энергия не исчезает, а только меняет форму. Даже внутри нейросети

Кажется, что энергию можно потратить, как бензин в баке: сжёг, и её больше нет. Физика XIX века доказала обратное. Энергия никуда не девается, она только переходит из одной формы в другую, и в итоге всё сходится до последнего джоуля. Самое неожиданное в этой истории даже не сам закон, а то, откуда он берётся. Это выяснилось через семьдесят лет после его открытия.

Веками люди искали машину, которая работает даром

Изобретатели Средневековья и Нового времени верили, что хитро устроенное колесо может вращаться вечно и ещё качать воду. Проекты вечных двигателей шли потоком. В 1775 году Парижская академия наук устала их разбирать и объявила, что больше не будет их рассматривать. Учёные чувствовали, что бесплатной работы не бывает, но объяснить почему ещё не могли.

С теплом дела обстояли ещё запутаннее. Его считали невидимой жидкостью, теплородом, которая перетекает от горячего к холодному. В 1798 году граф Румфорд наблюдал в Мюнхене, как сверлят пушечные стволы. Металл грелся без конца, пока работали лошади, будто теплород в бронзе не кончался. Получалось, что движение каким-то образом превращается в тепло. Ответ пришёл из места, где его никто не ждал.

Корабельный врач увидел закон в крови матросов

В 1840 году молодой немецкий врач Юлиус Роберт Майер плыл на голландском судне к острову Ява. Там он пускал заболевшим матросам кровь, как тогда было принято, и удивился. Венозная кровь, обычно тёмная, была ярко-алой, почти как артериальная.

Майер нашёл объяснение. В жаре телу не нужно сжигать много пищи, чтобы согреться, поэтому кислород в крови остаётся неизрасходованным. Значит, пища служит топливом, а тепло и мышечная работа тратят один и тот же ресурс. Если эти формы переходят друг в друга, их можно пересчитать одну в другую. В 1842 году Майер опубликовал статью о том, что «сила» в природе не исчезает, а только превращается. Его почти не заметили. Чтобы физики поверили, им нужны были точные измерения.

Пивовар взвесил тепло, и всё сошлось в одну бухгалтерию

Измерения взял на себя Джеймс Прескотт Джоуль, сын пивовара из Манчестера. В 1840-х годах он опускал груз, который через блок вращал лопасти в сосуде с водой. Вода нагревалась на доли градуса, и Джоуль ловил эти доли точнейшими термометрами. Каждый раз одна и та же работа давала одно и то же количество тепла. Сегодня мы знаем: одна калория равна примерно 4,19 джоуля. Единицу энергии назвали его именем.

В 1847 году 26-летний немецкий военный врач Герман Гельмгольц опубликовал работу «О сохранении силы» и свёл механику, тепло, электричество и химию в единую систему. Удобнее всего представлять её как денежный счёт с разными валютами. Можно обменять рубли на евро, евро на иены, но при честном обмене общая сумма не меняется. Движение, тепло, свет и химические связи — валюты одной энергии. Вечный двигатель — это попытка снять со счёта больше, чем на нём лежит.

Майеру слава досталась поздно. Споры о приоритете и насмешки довели его до тяжёлой депрессии, а в 1850 году он выбросился из окна, но выжил. Закон же оказался крепче, чем мог представить любой из трёх авторов.

Закон вырастает из того, что время однородно

В 1930-х годах закон чуть не пошатнулся. При бета-распаде ядро выпускало электрон, и часть энергии бесследно пропадала. Даже Нильс Бор допускал, что на уровне атомов энергия может не сохраняться. Вольфганг Паули предложил другое объяснение: остаток уносит невидимая лёгкая частица. Её назвали нейтрино и поймали в 1956 году. Закон устоял.

Почему он так упрям, объяснила ещё в 1918 году математик Эмми Нётер. Она доказала теорему: если законы природы одинаковы вчера, сегодня и через миллион лет, энергия обязана сохраняться. Это свойство самого времени, а не случайная закономерность. Сохранение энергии — цена того, что у мира нет любимого момента.

Каждый ватт нейросети становится теплом

Этим законом пользуются все инженеры мира. Электростанция превращает химическую энергию угля, газа или ядерную энергию урана в электричество. Ваш организм превращает около 2000 килокалорий в сутки в работу и тепло: в покое это примерно 100 ватт, как у старой лампочки.

Точно так же устроены дата-центры, где обучают и запускают нейросети. Почти вся электроэнергия, которую потребляют чипы, в итоге превращается в тепло, поэтому охлаждение стало одной из главных инженерных задач в индустрии ИИ. Энергию, которая вошла в здание, приходится выводить наружу.

Читайте также: Квантовый взлом биткоина подешевел в 17 раз. И дело не в железе

Одна оговорка

Закон гарантирует, что энергия не исчезает, но не обещает, что ею можно воспользоваться. Тепло, рассеянное в воздухе, назад в работу почти не превращается, и об этом говорит уже второе начало термодинамики. А в масштабах расширяющейся Вселенной само понятие полной энергии становится тонким вопросом, который физики обсуждают до сих пор.

Тепло вашей ладони когда-то было солнечным светом. Растение запасло его в сахаре, вы его съели, и сейчас оно уходит в воздух комнаты. Ничего не пропало, просто сменило форму. Другие истории о великих идеях ждут в разделе статей.

Ещё в «Высоких технологиях»

Континенты плывут, а дно океана записывает их путь, как магнитофонНейросети учатся тому, чему их не учили. Поэтому их создатели уходятПопугаи танцуют, потому что умеют говорить. Танец — побочный продукт речи

Все материалы раздела →