Алексей Шилейко - Информация или интуиция?

Вернемся теперь к нашим рассуждениям о качестве энергии. В свое время мы говорили, что разные виды энергии обладают различным качеством, причем наинизшее качество — у энергии тепловой, затем следует механическая энергия и т. д. Однако сегодня каждый школьник знает, что никакой тепловой энергии на самом деле в природе не существует. Тепловая энергия есть не что иное, как суммарная кинетическая (механическая) энергия движущихся молекул. Процесс преобразования тепловой энергии в механическую, скажем, в паровой машине, есть не что иное, как процесс преобразования механической энергии беспорядочного движения молекул в механическую энергию (работу) упорядоченного движения поршня. Секрет качества кроется именно в том, что в газе молекулы занимают любые области объема и двигаются с любыми скоростями в любых направлениях. Энтропия такой системы высока, а способность совершить работу мала.Чтобы сказанное стало более ясным, рассмотрим для примера цилиндр с поршнем, находящимся в одном из крайних положений, причем пространство перед поршнем заполнено газом (паром) под давлением, значительно большим атмосферного. Если по какой-либо причине поршень остается неподвижным, газ можно рассматривать как изолированную систему (теплообменом со стенками цилиндра пренебрегаем), находящуюся в состоянии с максимальным значением энтропии. Никакой механической работы в такой системе не совершается. Если же поршень имеет возможность двигаться, мы обязаны рассматривать в качестве физической системы систему, состоящую из газа, занимающего рабочий объем цилиндра, самого поршня и пространства по другую сторону поршня. Энтропия такой системы много меньше максимально возможной, поскольку все молекулы собраны лишь в малой части общего объема системы (вспомните бильярдный стол!). Поршень начинает двигаться, газ расширяется вслед за поршнем, и в нем начинают преобладать молекулы, упорядочение движущиеся вслед за поршнем. Образуется как бы газовая струя.Теперь можно окончательно сформулировать наши выводы. В системе с неподвижным поршнем мы имеем только беспорядочное движение молекул. Энтропия такой системы максимальна, и механическая работа в ней не совершается. В системе с движущимся поршнем осуществляется преобразование энергии беспорядочного движения молекул (тепловой) в энергию упорядоченного движения молекул (энергию газовой струи). Энергия газовой струи уже есть механическая энергия, и в дальнейшем происходит лишь обмен механической энергии газовой струи и механической энергии поршня. Возникает вопрос, ради которого и велось все это несколько затянувшееся обсуждение. Что же является причиной того, что в одном случае тепловая энергия остается тепловой, а в другом случае преобразуется в механическую? Единственная причина, которую пока мы можем назвать, — это движение поршня. Сейчас мы перейдем к обсуждению этой причины, однако предварительно сделаем несколько замечаний. Не будет преувеличением сказать, что классическая физика базируется на двух основных законах, получивших название начал термодинамики. Первое начало термодинамики — это закон сохранения энергии. Второе начало термодинамики, как мы только что установили,— это закон неубывания энтропии. Оба начала термодинамики в одинаковой степени универсальны, но (и этот вывод принадлежит нам с вами) они имеют совершенно различную природу. Закон сохранения энергии есть не что иное, как обобщение человеческого опыта. Он просто постулируется. Постулируется по той единственной причине, что до сих пор физикам не удалось поставить ни одного эксперимента, в котором опровергался бы закон сохранения энергии. Закон сохранения энергии нельзя ни из чего вывести, в него можно просто верить до тех пор, пока он не окажется опровергнутым экспериментом. Есть, правда, все основания полагать, что такого эксперимента не существует.Иное дело закон неубывания энтропии. Как мы только что имели возможность убедиться, закон неубывания энтропии представляет собой следствие самого способа определения понятия энтропии. Физическая реальность состоит в том, что, например, для такой системы, как объем с газом, в силу одинаковости молекул газа и изотропности (то есть неизменяемости свойств при переходе из одной области в другую) физического пространства ни одно из состояний молекул не оказывается предпочтительным. Отсюда следует, что состояние всего объема, в котором молекулы равномерно распределены по всему пространству и движутся во всех направлениях со всеми возможными скоростями, имеет наибольший статистический вес, то есть может быть реализовано наибольшим количеством способов.Здесь небезынтересно сделать следующее замечание. Если разделить статистический вес данного состояния на полное количество способов, которым реализуются все возможные состояния, то получится величина, близкая к вероятности этого состояния, причем приближение тем лучше, чем больше число молекул. Поэтому довольно часто энтропию состояния определяют не как логарифм статистического веса, а как логарифм вероятности этого состояния. Сам закон неубывания энтропии при этом формулируется так: всякая физическая система стремится принять наиболее вероятное состояние. Однако подобная формулировка есть не что иное, как тавтология, ибо наиболее вероятное состояние — это и есть то состояние, в котором система проводит наибольшее количество времени. Сказанное заставляет нас поставить еще один вопрос: можно ли уподоблять друг другу понятия статистического веса и вероятности? Обсуждением этого вопроса мы тоже займемся в свое время.

Теперь мы достаточно подготовлены к тому, чтобы поставить один из главных (для данной книги) вопросов. Является ли информация физической величиной?Посмотрим вначале, что такое физическая величина. Определить физическую величину — это значит задать способ ее измерения. При этом должно удовлетворяться такое условие: если физическая величина имеет одно и то же значение, то измерения, проводимые в одних и тех же условиях, должны давать один и тот же результат. Так, например, по определению, сила тока в один ампер — это сила такого тока, который, протекая через раствор азотнокислого серебра в течение одной секунды, приводит к выделению на одном из электродов 1,118 миллиграмма металлического серебра. Это количество серебра должно выделяться независимо от того, производятся измерения на дне моря или на вершине Эвереста, за Полярным кругом или в тропиках, сегодня или сто лет спустя, и, уж конечно, независимо от того, кто проводит измерения и вообще присутствует ли при этих измерениях наблюдатель. Следовательно, мы сможем утверждать, что информация суть физическая величина, если сумеем предложить для нее такой способ измерения, который будет давать одинаковые результаты для одного и того же количества информации независимо от условий измерения.Попробуем показать, что это возможно. Представим себе на этот раз не цилиндр, а просто некоторый баллон, заполненный газом. Молекулы газа находятся в непрерывном движении, и все области внутренней поверхности стенок сосуда испытывают одно и то же давление. Одинаковость давления — это также один из законов природы, являющийся следствием того обстоятельства, что для молекул нет предпочтительных областей пространства, в том числе и областей, примыкающих к стенкам сосуда.Предположим теперь, что мы с вами обрели волшебную способность видеть отдельные молекулы. Если, используя эту способность, мы будем наблюдать за газом достаточно долго, то рано или поздно наступит момент, когда мы обнаружим область пространства, прилегающую к стенке сосуда и не заполненную молекулами. Мы обязательно увидим такую область. Вспомним, что каждая молекула в своем движении посещает все, даже самые маленькие, области внутри сосуда. Значит, среди прочих возможных сочетаний положений молекул возможно и такое, когда некоторая область пространства не будет содержать ни одной молекулы. Аналогичным образом мы рассматривали случай, когда все шары на бильярде собирались в правой его половине, а левая половина была пуста. Пользуясь приведенной ранее таблицей состояний, мы можем даже посчитать, что полное количество времени, в течение которого бильярд пребывает в таком состоянии (состояние 0), равно примерно одной шестидесятипятитысячной от общего времени наблюдений. Но тем не менее такое бывает.Представим себе, что стенки сосуда выполнены из какого-либо гибкого, но неупругого материала. Заметив полость, не заполненную молекулами, мы тут же вдавим в нее стенку. Если материал достаточно эластичный, а молекулы по ту сторону отсутствуют, не будет никакой силы, противодействующей перемещению стенки, а значит, мы не затратим никакой механической работы.В следующее же мгновение молекулы газа придут в соприкосновение с вдавленным участком стенки и он начнет испытывать такое же точно давление, как и все другие ее участки. Под действием этого давления участок стенки начнет перемещаться до тех пор, пока сосуд не приобретет первоначальную форму. Поскольку в данном случае движение происходит под действием силы (давления газа), будет совершено некоторое количество механической работы.Что же мы выяснили? Первоначально мы располагали сосудом, например шарообразной формы, выполненным из материала болонья и заполненным газом. Утверждение о том, что все области поверхности сосуда испытывают одинаковое давление, равносильно утверждению, что газ в сосуде находится в состоянии равновесия, а энтропия его равна своему максимально возможному значению. Такая физическая система способна совершить механическую работу лишь в том случае, если каким-то образом осуществить обмен энергией с окружающей ее средой. Но мы рассматривали лишь газ, содержащийся в сосуде, и тем самым молчаливо предположили, что какие-либо обмены с внешней средой отсутствуют. Физики говорят, что в данном случае имеет место изолированная физическая система.Изолированная физическая система, находящаяся в равновесии и имеющая максимально возможное значение энтропии, не способна совершить механическую работу. Это хорошо известный факт, являющийся прямым следствием второго начала термодинамики.