Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Задумаемся теперь, за счет чего удалось достичь такого чудодейственного симбиоза, пускай грешащего против дотошной логики, но зато давшего богатую научную жатву, которой так славна классическая механика?

Оказывается, уравнения классической механики могут «срабатывать» только тогда, когда изучаемая система доступна наблюдению. В противном случае тела в системе будут двигаться сами по себе, а часы в нашем мире будут идти сами по себе. Чтобы сопоставить каждое показание часов с координатами и скоростями движущихся тел, необходимо наблюдать эти тела, необходимо измерять характеризующие их движение величины. А это значит, что между системой изучаемой — объектом и изучающей — наблюдателем должен быть контакт, должно быть взаимодействие.

В классической механике считалось, что это взаимодействие ничтожно, что оно не влияет на движение объекта, что оно не играет поэтому принципиальной роли и им можно всегда пренебрегать. И действительно, движение Луны вряд ли изменится от того, будем мы на нее смотреть или нет. Созерцая полет искусственного спутника Земли, мы, безусловно, находимся с ним в некотором взаимодействии, но едва ли оно хоть на йоту изменяет его траекторию. Струи Ниагарского водопада будут падать сами по себе независимо от того, смотрят на него тысячи туристов, один-единственный индеец или вообще никто.

Все это было так естественно и так очевидно, что никому в голову не приходило никаких сомнений. Считалось, что изучаемый объект — это одно, а наблюдатель — другое. Что процесс измерения никак не влияет на поведение изучаемой системы. Что в крайнем случае это влияние можно устранить с помощью приборов или исключить путем вычислений. Искусственность симбиоза движений, происходящих в изучаемых системах, и времени, текущего в мире наблюдателя, не вылезала наружу на протяжении многих лет. Поэтому ученые подспудно укрепились в мнении, что уравнения классической механики дают ценные практические результаты вполне закономерно, что за искусственность симбиоза расплачиваться не придется, что она никогда не даст о себе знать и не принесет никаких неожиданностей в будущем.

Вот почему открытия в области молекулярной и атомной физики, которыми ознаменовалось наступление XX века, произвели впечатление разорвавшейся бомбы. Оказалось: уравнения классической механики давали отличные практические результаты только потому, что энергия изучаемых механических движений в неисчислимое множество раз превышала энергию, необходимую для их наблюдения. Но энергия движения молекул, атомов и электронов сопоставима с энергией, необходимой для наблюдения. Поэтому в молекулярной или атомной физике каждое наблюдение искажает состояние системы и аннулирует добытые ранее значения других величин… Вот почему анализ процесса измерения в физике XX века выдвинулся на одно из первых мест и привлек к себе внимание крупнейших физиков как в нашей стране, так и за рубежом.

Тем большее изумление вызывает проницательность знаменитого шотландца Джеймса Максвелла, который еще в 1871 году, во времена абсолютного господства классических представлений, предугадал, какими удивительными парадоксами чревато убеждение в том, что нет принципиальной разницы между наблюдением макроскопических и микроскопических тел, между наблюдением за движением футбольных мячей и молекул…

Когда в 1911 году на Первом Сольвеевском съезде в Брюсселе Мария Кюри-Склодовская упомянула о демоне Максвелла, никто из участников съезда не выразил никакого удивления. За сорок лет ученые привыкли к этому странному воображаемому существу, которое, пребывая в полном одиночестве, не уставало тем не менее бросать вызов многочисленной научной рати. И вызов этот был не по мелочам, не шуточный: демон Максвелла брался сделать то, что по всем физическим законам сделать было невозможно! Он брался в неограниченном количестве получать работу от любой системы, находящейся в термодинамическом равновесии, в том самом «мертвом состоянии инерции», в котором энтропия достигает максимума, а время исчезает.

Но предоставим слово самому Максвеллу:

«Одним из наиболее точно установленных фактов в термодинамике является следующий: в системе, заключенной в оболочку, которая не допускает ни изменения объема, ни передачи теплоты, и в которой температура и давление одинаковы в любой точке, невозможно добиться неравномерности температуры или давления без затраты работы… Но если мы вообразим себе разумное существо, способности которого настолько обострены, что оно может следить за путем каждой молекулы, то такое существо, обладая качествами столь же существенно ограниченными, как и наши собственные, могло бы делать то, что в настоящее время для нас невозможно. Ведь мы знаем, что в сосуде, заполненном равномерно нагретым воздухом, молекулы движутся со скоростями далеко не равномерными, хотя средняя скорость любого произвольно взятого большого их количества будет почти точно равномерной. Теперь давайте представим себе, что сосуд разделен на две части А и В перегородкой, в которой есть маленькое отверстие) и что существо, которое может видеть отдельные молекулы, открывает и закрывает это отверстие, пропуская только наиболее быстрые молекулы из части А в часть В, и только самые медленные молекулы из части В в часть А. Оно, таким образом, будет повышать температуру в части В и понижать в части А без затраты работы…»

Выходит, маленький, не требующий никакого питания и снабжения демон только за счет замечательной тонкости и остроты чувств может обратить время вспять, может получать работу за счет теплового движения, содержащегося в атмосфере, океане и земной коре, сделав ненужным свет и тепло солнца, уголь и нефть, гидроэлектростанции. Короче говоря, маленький демон, придуманный Максвеллом, мог противостоять необратимости, ибо острота его чувств побеждала поистине космические последствия трения и теплообмена!

Будучи не в силах ни поверить в столь дерзкие обещания демона, ни найти изъяна в его устройстве и функционировании, современники Максвелла поспешили попросту отмахнуться от созданного его воображением демона. Мало ли что можно навыдумывать! Раз не существует демон в природе, значит, и говорить не о чем. Клаузиус так прямо и заявил: меня, мол, интересует не то, что может сделать теплота с помощью демонов, а то, что она может сделать своими собственными силами. Австрийский физик Л. Больцман подверг сомнению саму возможность существования демона: «…если бы все температурные разности выравнялись, то не могло бы возникнуть и никакое разумное существо». Но отмахнуться не значит объяснить. «Разумность» вовсе не лежала в основе действия максвелловского демона. Он мог быть не обязательно живым и разумным существом, но и прибором, и машиной, и мембраной, наконец. Его конкретное исполнение не играло принципиальной роли. Максвелл предложил теоретическую схему, и следовало либо принять ее, либо найти в ней теоретический изъян.