Демон Максвелла - Стивен Холл

на это дополнительную, «упорядоченную» энергию из других источников (например, электричество в микроволновой печи). Представьте, как чашка чая самопроизвольно втягивает пар обратно и становится теплее – очень похоже на то, как видео проигрывается в обратном порядке, не находите? Чай словно движется назад во времени. Понятно, что в жизни так не бывает. Время не меняет ход, когда ему заблагорассудится, потому что наша старая добрая неисчислимо огромная вероятность ведет вселенную от порядка к беспорядку, а стрелку времени – от прошлого к будущему. Шанс победить второй закон термодинамики, вооруженный огромным количеством вероятностей, и начать движение от беспорядка к порядку или от будущего к прошлому – чрезвычайно, чудовищно, предельно мал. Потому формально такое развитие событий и считают невозможным. Его никогда не удастся воссоздать в лаборатории или в ходе эксперимента. Энтропия только возрастает. Чай, предоставленный самому себе, только остывает. Если хотите, чтобы он снова стал горячим (пришел в порядок), придется заплатить, но по итогу получите меньший объем.

Тут нет никаких исключений, никак не сжульничать. Правила научного рая абсолютны и неизменны. Так сказал Эйнштейн, а учитывая, что Эйнштейн немного похож на Бога, взявшего выходной, легко можно представить, как мы с ним прогуливаемся по идеальным лужайкам второго закона, пока он в очередной раз объясняет, что любые попытки нарушить закон могут плохо для нас закончиться. «И вы потерпите унизительный крах», – скажет он, предупреждающе погрозив пальцем, прежде чем неторопливо удалиться под яблони. Как только он уйдет, мы услышим, как нечто ползет в нашу сторону по траве, – и забеспокоимся, но совсем не удивимся…[3]

Чуть более десяти лет спустя, после того, как Рудольф Клаузиус в 1854 году написал первую формулировку того, что впоследствии станет известно как второй закон термодинамики, шотландский физик и математик по имени Джон Клерк Максвелл поставит простой мысленный эксперимент в рамках публичной лекции. Этот эксперимент в дальнейшем станет настоящей занозой для физиков почти на восемьдесят лет, потому что продемонстрирует, что при определенных условиях второй закон можно с легкостью нарушать снова и снова, что можно снова разогреть чашку чая, не затрачивая ни единого джоуля энергии. Максвелл предложил процесс, который без каких-либо ощутимых затрат может обратить вспять энтропию, а значит, по сути, обратить вспять течение времени.

Этот змий впоследствии стал известен как демон Максвелла.

Рассмотрим суть этого мысленного эксперимента. Представьте коробку с двумя отделениями.

Коробка наполнена обычным воздухом комнатной температуры, и каждое отделение полностью герметично. Ни одна молекула не может проникнуть внутрь или выйти наружу.

Остановимся на секунду. Давайте немного поговорим о воздухе, прежде чем продолжим.

Воздух – это смесь газов. То есть, по сути, это пустое пространство, населенное молекулами, и все эти молекулы носятся туда-сюда, занимаясь своими делами.

Некоторые молекулы обладают большей энергией и носятся туда-сюда с большой скоростью. Общая температура воздуха определяется соотношением быстро движущихся и медленно движущихся молекул. Если в воздухе больше быстро движущихся молекул, он будет теплым. Если больше медленно движущихся молекул, то холодным. Из-за энтропии молекулам воздуха не нравится аккуратно кучковаться в горячие или холодные области: они хотят смешиваться, перемещаться, рассеиваться, чтобы достигнуть максимальной энтропии – средней температуры. Вы можете сами в этом убедиться: оставьте на пару часов дверцу морозильной камеры открытой или распахните окна в гостиной в морозный день. Беспорядок начнет расти, и в случае с температурой воздуха это проявится в виде смешивания быстрых и медленных молекул до тех пор, пока температура не станет ровной, однородной.

А теперь вернемся к нашей запечатанной коробке:

б ((( – быстрая молекула с высокой энергией.

м… – медленная молекула с низкой энергией.

В коробке содержится равномерно перемешанный воздух комнатной температуры, но разделенный на два герметичных отсека. Температура в этих двух отсеках одинакова.

Энтропия максимальна и там и там – дальнейшие изменения невозможны, потому что любое дальнейшее перемешивание не может сделать воздух более беспорядочным.

Теперь представьте, что в перегородке между отсеками есть отверстие и опускная дверка:

Отверстие крошечное, а дверка открывается и закрывается так быстро, что за один раз может пройти только одна молекула.

В нашем первом эксперименте дверка будет открываться и закрываться случайным образом. Иногда одна из молекул будет проскальзывать из правого отсека в левый, или наоборот. В одном случае это будет быстрая молекула с высокой энергией, в другом – медленная молекула с низкой энергией.

Как вы понимаете, на температуру внутри отсеков это не влияет, поскольку переходить из правого отсека в левый молекулы будут с такой же вероятностью, как и из левого в правый; энергия на изменение энтропии нашего ящика тратиться не будет (важно отметить, что дверка не добавляет никакой энергии в изолированную систему, она просто открывается и закрывается и не взаимодействует с молекулами воздуха внутри). Итак, пока никаких сюрпризов и противоречий не происходит, все идет так, как предписывает второй закон.

Давайте добавим нашего демона:

Проведем еще один эксперимент: герметичная коробка, два отсека, заполненные воздухом, крошечная дверка – но на этот раз она будет открываться не случайно. Теперь ее движения буду контролироваться разумом крошечного демона. Демон Максвелла настолько мал, а его зрение настолько острое, что он может видеть отдельные молекулы, приближающиеся к дверке. Демон открывает дверку для медленно движущихся молекул, если они идут справа налево, а для быстро движущихся – если они идут слева направо.

Вот и все. Больше ему ничего не нужно делать. В левом отсеке температура начнет падать, поскольку там процент медленно движущихся молекул увеличится, а в правом – температура повысится, поскольку там соберутся быстро движущиеся молекулы. Дверка открывалась столько же раз, как и в первом эксперименте, поэтому в систему не добавляется дополнительная энергия, но, как мы видим, демон Максвелла достиг того, что должно быть в принципе невозможно: левый отсек стал холодным, а правый – горячим. Демон буквально создал тепло и холод (и порядок) из воздуха. Другими словами, он уменьшил энтропию замкнутой системы, причем уменьшил без затрат, бесплатно. Согласно нерушимому второму закону такое никогда не может произойти. Однако, как мы видим, произошло.

Похоже, демон Максвелла – это сила, которая увеличивает общий порядок во вселенной, которая приводит вещи из беспорядочного состояния в прошлом к порядку в будущем.  Или, другими словами, поворачивает время вспять.

На протяжении века ученые пытались разрешить проблему демона Максвелла, но безуспешно. Точные науки настаивали на том, что демон попросту не может делать то, что ему приписывается. Второй закон не имеет исключений и никогда не нарушается.

За годы работы ученые поняли, что если поведение системы противоречит второму закону, то, как правило, эта система не такая уж и изолированная, – что-то