Στο Ψυγείο του Αϊνστάιν ο Πωλ Σεν αφηγείται με ιδιαίτερο κέφι την ιστορία της επιστήμης της θερμότητας, ξεκινώντας από τις πρώτες θεωρίες περί «θερμιδικού ρευστού» και φτάνοντας μέχρι τη θεωρία των κβάντων στον κόσμο ενός επιστημονικού κλάδου του οποίου τη σημασία συχνά λησμονούμε, παρότι τις εφαρμογές του τις συναντάμε παντού γύρω μας.
«Θερμοδυναμική είναι ένα ατυχέστατο όνομα για κάτι που είναι αναμφισβήτητα η πιο χρήσιμη, η πιο καθολική επιστημονική θεωρία που διατυπώθηκε ποτέ.
Η λέξη μοιάζει να αναφέρεται σε ένα περιορισμένο γνωστικό αντικείμενο που αφορά μόνο τη συμπεριφορά της θερμότητας. Πράγματι, εκεί βρίσκονται οι ρίζες του αντικειμένου αυτού. Όμως έχει ξεπεράσει κατά πολύ αυτές τις ρίζες και αποτελεί πλέον ένα ευρύτερο μέσο για να κατανοήσουμε το σύμπαν μας.
Στο επίκεντρό της βρίσκονται τρεις έννοιες: η ενέργεια, η εντροπία και η θερμοκρασία. Αν δεν μπορέσουμε να κατανοήσουμε αυτές τις έννοιες μαζί με τους νόμους στους οποίους υπακούουν, όλες οι φυσικές επιστήμες –φυσική, χημεία, βιολογία– θα μοιάζουν ασυνάρτητες. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής διέπουν τα πάντα, από τη συμπεριφορά των μικροσκοπικών ατόμων μέχρι τη συμπεριφορά των ζωντανών κυττάρων, από τις μηχανές που κινούν τον κόσμο μας μέχρι τη μαύρη τρύπα στο κέντρο του γαλαξία μας. Η θερμοδυναμική εξηγεί γιατί πρέπει να τρώμε και να αναπνέουμε, πώς ανάβουν τα φώτα και πώς θα τελειώσει το σύμπαν.
Η θερμοδυναμική είναι ο τομέας της γνώσης στον οποίο βασίζεται ο σύγχρονος κόσμος. Στα χρόνια που μεσολάβησαν από την ανακάλυψή της, βιώσαμε τη μεγαλύτερη βελτίωση της ανθρώπινης κατάστασης στην ιστορία του είδους μας. Ζούμε πιο πολύ και είμαστε πιο υγιείς από ποτέ. Τα περισσότερα παιδιά που γεννιούνται σήμερα είναι πιθανό να φτάσουν στην ενηλικίωση. Αν και η εποχή μας εξακολουθεί να έχει τα στραβά της, λίγοι από εμάς θα άλλαζαν θέση με τους προγόνους μας. Αυτά δεν τα προκάλεσε η θερμοδυναμική από μόνη της, αλλά έπαιξε ουσιαστικό ρόλο. Από τις αντλίες λυμάτων μέχρι τις μηχανές των αεριωθούμενων, από την αξιόπιστη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας μέχρι τη βιοχημεία των σωτήριων φαρμάκων, όλη η τεχνολογία που θεωρούμε δεδομένη προϋποθέτει την κατανόηση του τι είναι ενέργεια, θερμοκρασία και η εντροπία.
Ωστόσο, παρά τη σπουδαιότητά της, η θερμοδυναμική είναι η Σταχτοπούτα των επιστημών. Το θέμα εισάγεται συνήθως στο μάθημα της φυσικής στη δευτεροβάθμια εκπαίδευση, με την έννοια της εντροπίας, που έχει ζωτική σημασία για την κατανόηση του σύμπαντος, μόλις που αναφέρεται.
Πρωτομελέτησα θερμοδυναμική στο δεύτερο έτος των προπτυχιακών μου σπουδών στη μηχανολογία στο Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ, όπου μας παρουσιάστηκε ως κάτι σχετικό μόνο με τις μηχανές των αυτοκινήτων, τους ατμοστρόβιλους και τα ψυγεία. Αν όμως μου είχαν πει ότι αποτελεί έναν ενιαίο και πειστικό τρόπο κατανόησης όλων των φυσικών επιστημών, ίσως να είχα δείξει μεγαλύτερη προσοχή. Για τους περισσότερους ενήλικες, η εισαγωγή στο θέμα γίνεται με παρόμοιο τρόπο· ακόμη κι εκείνοι που θεωρούν τον εαυτό τους μορφωμένο αγνοούν σε μεγάλο βαθμό το μεγαλύτερο πνευματικό επίτευγμα της ανθρωπότητας στις φυσικές επιστήμες. Μετράμε θερμίδες, πληρώνουμε λογαριασμούς ενέργειας, ανησυχούμε για τη θερμοκρασία του πλανήτη, χωρίς να κατανοούμε τις αρχές πίσω από αυτές τις επικεφαλίδες.
Η θέση της θερμοδυναμικής ως Σταχτοπούτας αντικατοπτρίζεται στον τρόπο με τον οποίο θυμούνται όλοι την επιστημονική αξίωση του Αϊνστάιν. Οι πάντες αναγνωρίζουν τις τεράστιες και επαναστατικές συνεισφορές του, ωστόσο λίγοι συνειδητοποιούν τον βαθμό στον οποίο το έργο του βασιζόταν στη θερμοδυναμική ή ότι είχε θεμελιώδη συνεισφορά στο αντικείμενο αυτό. Στη λεγόμενη «θαυματουργή» χρονιά του, το 1905, δημοσίευσε τέσσερις εργασίες που μεταμόρφωσαν τη φυσική, μεταξύ των οποίων και την εργασία που περιέχει την εξίσωση Ε = mc².
Η συγκεκριμένη εργασία του δεν προέκυψε από το πουθενά, καθώς τα προηγούμενα τρία χρόνια ο Αϊνστάιν είχε δημοσιεύσει τρεις εργασίες σχετικές με τη θερμοδυναμική, και οι δύο πρώτες από τις εργασίες της θαυματουργής χρονιάς, η μία για την ατομική δομή της ύλης και εκείνη για την κβαντική φύση του φωτός, αποτελούσαν συνέχεια εκείνων των εργασιών. Η τρίτη εργασία της θαυματουργής χρονιάς, που αφορούσε στη θεωρία της ειδικής σχετικότητας, ακολουθούσε τη προσήλωση της φυσικής που αντλούσε έμπνευση από τη θερμοδυναμική, και η τέταρτη, στην οποία κατέληγε στην εξίσωση Ε = mc², ενοποιούσε τη νευτώνεια έννοια της μάζας με τη θερμοδυναμική έννοια της ενέργειας.
Για τη θερμοδυναμική, ο Αϊνστάιν είπε: «Είναι η μόνη φυσική θεωρία με καθολικό περιεχόμενο για την οποία είμαι πεπεισμένος (…) ότι δεν θα ανατραπεί ποτέ».
Αλλά το ενδιαφέρον του Αϊνστάιν για τη θερμοδυναμική δεν περιοριζόταν στον ρόλο της στη θεμελιώδη και θεωρητική φυσική. Τον ενδιέφεραν και οι πρακτικές εφαρμογές της. Στα τέλη της δεκαετίας του 1920 εργάστηκε στον σχεδιασμό φθηνότερων και ασφαλέστερων ψυγείων από εκείνα που ήταν διαθέσιμα μέχρι τότε. Αυτό το ελάχιστα γνωστό επεισόδιο δεν ήταν ένα ιδιόρρυθμο πάρεργο, καθώς αφιέρωσε αρκετά χρόνια στον σχεδιασμό του και εξασφάλισε χρηματοδότηση για την εργασία του αυτή από τις τεχνικές εταιρείες AEG και Electrolux. Αυτό που προσέλκυσε το ενδιαφέρον του Αϊνστάιν στον σχεδιασμό των ψυγείων ήταν ότι το 1926 είχε διαβάσει ένα άρθρο σε μια εφημερίδα του Βερολίνου για μια οικογένεια με επτά παιδιά, που όλα της τα μέλη πέθαναν επειδή το ψυγείο τους δεν λειτουργούσε σωστά – είχε διαρροή, και οι αναθυμιάσεις ήταν θανατηφόρες. Η αντίδραση του Αϊνστάιν ήταν να ξεκινήσει ένα πρόγραμμα για τον σχεδιασμό ασφαλέστερων ψυγείων.
Η θερμοδυναμική δεν είναι μόνο σπουδαία επιστήμη. είναι και ένα σπουδαίο ιστορικό αφήγημα.
Στις αρχές του 2012, κατά τη διάρκεια της παραγωγής ενός τηλεοπτικού ντοκιμαντέρ, έπεσε στα χέρια μου το ολιγοσέλιδο βιβλίο Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance («Σκέψεις για την κινητήρια δύναμη της φωτιάς και για τις μηχανές που μπορούν να την παράγουν»), που είχε εκδοθεί το 1824 στο Παρίσι από έναν κοινωνικά αποτραβηγμένο νεαρό Γάλλο, τον Σαντί Καρνό.
Ο Καρνό πέθανε από χολέρα στα τριάντα έξι του χρόνια, πιστεύοντας ότι το έργο του θα ξεχνιόταν. Ωστόσο, μέσα σε δύο δεκαετίες από τον θάνατό του, θεωρούνταν ήδη θεμελιωτής της επιστήμης της θερμοδυναμικής, και λίγο αργότερα, τον 19ο αιώνα, ο μεγάλος φυσικός λόρδος Κέλβιν είπε για το κείμενο του Καρνό: «Εκείνο το μικρό δοκίμιο ήταν πραγματικά ένα ιστορικής σημασίας δώρο για τις φυσικές επιστήμες».
Γοητεύτηκα κι εγώ από το κείμενο. Το έργο του Καρνό δεν έμοιαζε με κανένα άλλο έργο της θεμελιώδους φυσικής, καθώς συνδύαζε τον αλγεβρικό λογισμό και τη διορατική γνώση της φυσικής με τις σκέψεις του Καρνό σχετικά με το τι θα αποτελούσε μια πιο ευτυχισμένη, πιο δίκαιη κοινωνία. Ο Καρνό, που νοιαζόταν βαθιά για την ανθρωπότητα, πίστευε ότι η επιστήμη ήταν το κλειδί για την πρόοδο.
Η επιστήμη του Καρνό ήταν επίσης μια απάντηση στις κοσμογονικές κοινωνικές αλλαγές που λάμβαναν χώρα στην Ευρώπη των αρχών του 19ου αιώνα. Υπό αυτή την έννοια, οι σκέψεις του ήταν τόσο προϊόν δύο επαναστάσεων —της Γαλλικής και της Βιομηχανικής— όσο και του λαμπρού μυαλού του. Όταν άρχισα να διαβάζω περισσότερο για τους επιστήμονες που πήραν τη σκυτάλη από αυτόν, συνειδητοποίησα ότι όλη τους η δουλειά επηρεαζόταν από τα γεγονότα στον κόσμο γύρω τους. Η ιστορία της θερμοδυναμικής δεν αφορά μόνο το πώς αποκτούν οι άνθρωποι επιστημονική γνώση, αλλά και το πώς διαμορφώνεται αυτή η γνώση από την κοινωνία, καθώς και το πώς κι εκείνη, με τη σειρά της, διαμορφώνει την κοινωνία.
Στο βιβλίο αυτό υποστηρίζω ότι η ιστορία της επιστήμης είναι το είδος της ιστορίας που έχει πραγματικά σημασία. Οι άντρες και οι γυναίκες που αφιέρωσαν τη ζωή τους στη γνώση είναι πιο σημαντικοί από τους στρατηγούς και τους μοναχούς. Στις επόμενες σελίδες, λοιπόν, θα εξετάσουμε τους ήρωες και τις ηρωίδες της επιστήμης και θα πάρουμε το νήμα της προσπάθειάς τους να ανακαλύψουν την αλήθεια για το σύμπαν ως το υπέρτατο δημιουργικό εγχείρημα. Ο Σαντί Καρνό, ο Ουίλιαμ Τόμσον (λόρδος Κέλβιν), ο Τζέιμς Τζουλ, ο Χέρμαν φον Χέλμχολτς, ο Ρούντολφ Κλαούζιους, ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ, ο Λούντβιχ Μπόλτζμαν, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, η Έμμυ Ναίτερ, ο Κλωντ Σάννον, ο Άλαν Τιούρινγκ, ο Γιάκομπ Μπεκενστάιν και ο Στήβεν Χόκινγκ είναι από τους εξυπνότερους ανθρώπους που έζησαν ποτέ. Η αφήγηση της ιστορίας τους είναι ένας τρόπος να κατανοήσουμε και να εκτιμήσουμε όλοι μας ένα από τα μεγαλύτερα επιτεύγματα της ανθρώπινης διανόησης.
Ο Λούντβιχ Μπόλτζμαν, ένας από τους ήρωες σε αυτή την αφήγηση, το έθεσε ως εξής: «Πρέπει να είναι υπέροχο να διοικείς εκατομμύρια ανθρώπους σε σπουδαίες εθνικές εκστρατείες, να οδηγείς εκατό χιλιάδες άτομα στη νίκη στο πεδίο της μάχης. Αλλά μου φαίνεται ακόμα σπουδαιότερο να ανακαλύπτεις θεμελιώδεις αλήθειες σε ένα πολύ ταπεινό δωμάτιο με πολύ ταπεινά μέσα – αλήθειες που θα εξακολουθούν να αποτελούν θεμέλια της ανθρώπινης γνώσης όταν η μνήμη αυτών των μαχών θα διατηρείται επιμελώς μόνο στα αρχεία των ιστορικών»
