Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Теперь мы понимаем: не зная фундаментальных основ процесса наблюдения, считая, что наблюдение «ничего не стоит», найти изъян в схеме максвелловского демона невозможно. И в этом разгадка того странного отношения к нему большинства ученых на протяжении целого полустолетия. Демона признавали, но не принимали всерьез. Да, мол, есть такой демон Максвелла, деятельность которого противоречит физическим законам, а в чем там именно дело, мы объяснить не можем. Но это так, умозрительный парадокс, причудливая игра гениального ума. Более осторожные намекали: эта научная фантазия дает-де образное представление о возможных будущих успехах знания. И за этими осторожными словами угадывались перспективы поистине фантастические: электростанции, которые вечно вырабатывали бы электроэнергию, не требуя топлива.

«Будущие успехи знания» были действительно не за горами, но, не оправдав утилитарных надежд на получение даровой энергии, они оказались чрезвычайно важными для науки, показав, что наблюдение и измерение — процессы необратимые, не могущие протекать без выделения тепла, то есть без возрастания энтропии…

С 1930-х годов начались попытки «изгнания демона»; разные ученые в разных странах непрерывно атаковали его с разных сторон. Прежде всего было обращено внимание на то, что «система, заключенная в оболочку, которая не допускает ни изменения объема, ни передачи теплоты и в которой температура и давление одинаковы в любой точке», наполнена излучением абсолютно черного тела. А это значит: внутри такой оболочки невозможно отличить лучи, испускаемые летающими молекулами, от лучей, испускаемых стенками. Чтобы демон мог видеть молекулы, они должны быть освещены извне, то есть система не должна находиться в равновесии…

Но демон тоже оказался не так прост. Намереваясь снабдить все человечество даровой электроэнергией, располагая, таким образом, неисчерпаемыми ее запасами, неужели он не решился бы ответвить часть ее, до того чтобы посветить самому себе?

Это усложнило задачу ученых. Одно дело изгнать демона простым логическим рассуждением: мол, слеп, значит, не действует, значит, говорить больше не о чем. И совсем другое, когда нужно расчеты делать, доход-расход определять, балансы подводить. Доказывать, что доход — энергия, полученная за счет разделения быстрых и медленных молекул, — обязательно будет меньше, чем расход, вызванный потерями. Поиски этих потерь оказались весьма плодотворными для науки.

Прежде всего было уяснено: заслонка — род храповика или анкерного механизма, — чтобы пропускать молекулы только в одну сторону, должна обязательно превращать механическое движение в тепловое, то есть должна выделять теплоту, должна генерировать энтропию за счет необратимого трения. Сам демон тоже должен быть принципиально необратимым механизмом. Ведь если в его теле нет необратимых потерь, его рука, к примеру, толкнув заслонку, начала бы совершать бесконечно долгие колебания. Остановить их можно было бы только включением звена, в котором есть трение. А органы чувств демона? Допустим, что все процессы в них полностью обратимы: тогда глаза демона должны быть либо абсолютно прозрачными и пропускать все падающие на них световые лучи, либо абсолютно зеркальными и полностью отражать их. Чтобы видеть, глаз — не только демона, но и любого живого существа или светочувствительного прибора — должен необратимо поглощать свет, превращая его в тепловое движение. Другими словами, глаз должен быть подобием абсолютно черного тела, поэтому всюду, где мы сталкиваемся со зрением, мы обязательно обнаруживаем черный зрачок. Даже если бы нам удалось осуществить фантастическую мечту и с помощью шапки-невидимки стать абсолютно прозрачными, мы, чтобы остаться зрячими, все равно должны были бы оставить черными зрачки глаз. Не случайно поэтому у почти невидимых аквариумных прозрачных окуней единственная окрашенная точка — это зрачок глаза.

Тепловыделение, генерирование энтропии должно сопровождать работу не только глаза, но и всех других органов чувств. Чтобы видеть, слышать, осязать, обонять, живое существо в органах чувств должно выделять теплоту, должно генерировать энтропию. Работа органов чувств животного, как и работа приборов, выполняющих такие же функции, немыслима без протекающих в них необратимых процессов и обязательно сопровождающего такие процессы тепловыделения. И в органах чувств тепловыделение не потеря, а непременное условие, без выполнения которого их действие в принципе невозможно.

В 1929 году венгерский физик Л. Сцилард обнаружил у максвелловского демона еще один источник потерь. Сцилард обратил внимание на такую деталь: чтобы открывать и закрывать заслонку, демону мало увидеть подлетающую молекулу. Ему еще надо отличить быструю молекулу от медленной, чтобы перед первой распахнуть заслонку, а перед второй — захлопнуть. Так вот, для такого различения демон должен сравнить скорость подлетающей молекулы с некоторой цифрой, обозначающей как бы водораздел между быстрыми и медленными молекулами. Чтобы сохранить эту цифру и сравнивать с ней значения скорости подлетающих молекул, демону требуется память, то есть следы былых изменений, зафиксированные в мозгу благодаря выделению теплоты, благодаря генерированию энтропии. Выходит, демон Максвелла должен быть одновременно и демоном Лапласа. Но даже и это еще не все. Для успешного выполнения задачи, заданной ему некогда Максвеллом, демон должен быть еще и метрологом…

В самом деле, откуда демон может узнать, какова скорость подлетающей к нему молекулы? Быстрая она или медленная? Очевидно, он должен произвести измерение скорости. А это измерение требует тем больше работы, чем больше требуемая точность. И вся эта работа должна быть необратимо превращена в теплоту в процессе измерения…

Э-э-э! Да это не демон, а целая лаборатория! И все это нагорожено ради того только, чтобы пропустить или не пропустить через отверстие одну-единственную молекулу! Тут считать да считать, и никто не даст никакой гарантии, что все эти расчеты — достаточное основание для надежного изгнания демона.

К счастью, во всех этих расчетах нет необходимости. Демон действительно невозможен, но совсем по другим причинам, чем те, которые выдвигались. Ключ к его изгнанию дал сам Максвелл, который некогда писал: «Лишь только мы начинаем видеть раздельно молекулы, тепло разрешается в движение», причем в движение обратимое, очищенное от потерь на трение и теплообмен. Если демон состоит из таких же атомов и молекул, в его теле «тепло тоже разрешается в движение». Он тоже оказывается полностью обратимым механизмом, и как таковой не в состоянии ни видеть, ни слышать, ни запоминать, ни пошевелить рукой.