Айзек Азимов - Вид с высоты

Может быть, мы просто скользим по поверхности крошечной волны, случайно всколыхнувшей на мгновение безмятежную гладь пруда, и лишь ограниченность нашего бесконечно малого кругозора в пространстве и времени создает у нас ощущение, будто мы несемся в реве космического водопада повышающейся энтропии, водопада колоссальной величины и продолжительности.

Зная, кто я и что я, вы, надо полагать, считаете, что, появись у меня хоть малейшая возможность подмешать элемент фантазии в какую-нибудь серьезную научную дискуссию, я тотчас принялся бы за дело под сверкание неоновых огней и пальбу фейерверков.

И все же в предыдущей главе, посвященной энтропии, я совершенно умолчал об одном самом знаменитом плоде фантазии в истории науки. Но не сделал я этого только потому, что хочу посвятить ему целую главу.

Когда горячее тело соприкасается с холодным телом, тепло стихийно переходит от горячего к холодному, и оба тела в конце концов приходят к температурному равновесию. Такова одна из сторон необратимого возрастания энтропии при всех самопроизвольных процессах в замкнутой системе.

В начале XIX века было общепринято, что теплота — это жидкость, перетекающая от горячего к холодному, точно так же как камень скатывается с высокого уровня на низкий. Упав с горы в ущелье, камень остается неподвижным. Точно так же, когда два тела достигают температурного равновесия, уже ни при каких условиях не может возникнуть потока тепла.

Однако в середине XIX века шотландский математик Джеймс Клерк Максвелл встал на другую точку зрения; он истолковал температуру как меру средней кинетической энергии частиц системы. Частицы горячего тела движутся (в среднем) быстрее частиц холодного. Когда они приходят в соприкосновение, их энергии перераспределяются. В целом наиболее вероятно такое перераспределение, при котором скорость (и, следовательно, кинетическая энергия) быстрых частиц снизится, а скорость (энергия) медленных частиц повысится. В конце концов средняя скорость частиц в обоих телах станет одинаковой.

С позиций такой теории «частиц в движении» представлялось возможным , чтобы поток тепла не прекратился и после достижения теплового равновесия.

Представьте себе, например, два сосуда с газом, соединенных узкой трубкой. Вся система находится в тепловом равновесии. Это значит, что средняя энергия молекул в любой достаточно заметной порции газа (не меньшей, скажем, чем можно разглядеть в микроскоп) равна средней энергии любой другой достаточно заметной его порции.

Это не значит, что энергии всех до единой молекул одинаковы. Среди них есть молекулы, движущиеся быстро, есть движущиеся очень быстро и даже движущиеся необыкновенно быстро. Есть и медленные молекулы, и очень медленные, и очень-очень медленные. Однако здесь царит полнейший хаос и отчаянная давка. Более того, они еще и сталкиваются друг с другом миллионы раз в секунду, так что скорость и энергия каждой из них постоянно меняются. Поэтому всякая достаточно заметная порция газа имеет свою справедливую долю и быстрых, и медленных молекул, а в результате — и ту же температуру, какую имеет всякая другая достаточно заметная порция.

Но что, если — пусть это будет редкая случайность — несколько молекул высокой энергии вдруг перешло бы по соединительной трубке из правого сосуда в левый, а несколько молекул низкой энергии — из левого в правый? Тогда левый сосуд нагрелся бы, а правый охладился (хотя общая средняя температура осталась бы той же самой). Итак, несмотря на тепловое равновесие, возник бы поток тепла и энтропия понизилась бы.

На самом деле есть некоторая бесконечно малая вероятность (невообразимо близкая к нулевой), что это случится просто благодаря хаотическому движению молекул. Разницей между «нулем» и «почти-почти-почти нулем» в практике можно пренебречь, но с точки зрения теории она колоссальна; так вот, по теории «тепловой жидкости» возможность переноса при температурном равновесии равна нулю, а по теории «частиц в движении» она равна «почти-почти-почти нулю».

Максвеллу нужен был какой-то эффектный драматический образ, для того чтобы эта разница стала предельно выпуклой.

Вообразите, сказал Максвелл, что в трубке, соединяющей сосуды с газом, сидит крошечный демон. Пусть он пропускает быстрые молекулы только справа налево, а медленные — только слева направо. Тогда быстрые молекулы соберутся в левом, а медленные — в правом сосуде. Левый сосуд нагреется, а правый охладится. Энтропия повернет вспять.

Если, однако, теплота представляет собой непрерывную текучую жидкость, то «демон Максвелла» ничего подобного сделать не сможет. Так Максвелл успешно упразднил расхождение между теорией «тепловой жидкости» и теорией «частиц в движении».

Демон Максвелла, кроме того, дал возможность уйти от роковой неизбежности возрастания энтропии. Как я уже объяснял в предыдущей главе, возрастание энтропии означает увеличение беспорядка, истощение, износ.

Коль скоро энтропия обязана непрерывно и безудержно повышаться, везде во Вселенной когда-то должна установиться одна и та же температура. В таких условиях жизнь, как всякое движение, невозможна (разумеется, это более чем далекое будущее). Некоторые представители человеческого рода воспринимают это почти как посягательство на их личное бессмертие. Поэтому существует сильная психологическая потребность не признавать, что энтропия должна расти.

В демоне Максвелла сторонники этой точки зрения находят опору своей позиции. Конечно, демона не существует, но его главная функция заключается в умении выбирать между движущимися молекулами. Научные возможности человечества все расширяются, и может прийти день, когда оно создаст какое-нибудь устройство, выполняющее функцию демона Максвелла. Неужели человечество не сможет тогда понизить энтропию?

Увы, в этом рассуждении есть изъян. Мне больно говорить это, но Максвелл сплутовал. В присутствии демона газ нельзя считать самостоятельной изолированной системой. Полная система состоит в этом случае из газа и демона . В процессе выбора между быстрыми и медленными молекулами повышение собственной энтропии демона с избытком перекрыло бы то небольшое понижение энтропии, которое он произвел бы в газе.

Я, конечно, понимаю: вы сильно сомневаетесь в том, что я когда-нибудь действительно занимался изучением каких бы то ни было демонов, не говоря уже о демоне специальной, максвелловской разновидности. Тем не менее я убежден в истинности своего утверждения, ибо каждый кирпичик всего здания человеческой науки требует, чтобы энтропия демона вела себя именно так.