Критическая масса. Как одни явления порождают другие - Филип Болл

Представим себе заполненный газом сосуд, разделенный на два отделения стенкой, в которой имеется небольшая дверца. Описанное существо, наблюдая за движением частиц газа, может открывать дверцу только перед частицами, летящими в одном направлении. Такие действия с течением времени неизбежно приведут к тому, что все атомы соберутся в одном отделении сосуда, давление в котором повысится. Такая эволюция газовой системы, конечно, противоречит Второму закону, так как конечное состояние гораздо менее вероятно, чем исходное. Если кто-то проделает хотя бы крошечное отверстие в разделительной стенке, то газ вновь равномерно распределится по всему объему, создавая одинаковое давление, это состояние и является наиболее вероятным.

Уильям Томсон дал выдуманному Максвеллом существу прозвище «демон», возможно, из-за того, что относился к нему неодобрительно[26]. Несмотря на большой успех предложенной интерпретации, самому Максвеллу наличие демона казалось недостаточным обоснованием концепции свободной воли, и поэтому он в течение 1870-х годов пытался найти и другие «щели» в физических законах, которые позволили бы оправдать существование свободной воли без нарушения закона сохранения энергии — первого закона термодинамики. Однако его усилия оказались тщетными. Более того, еще через десятки лет, когда инженеру-связисту Клоду Шеннону удалось объединить термодинамику с теорией информации, в концепции Максвелла обнаружилось существенное упущение. Дело в том, что производство энтропии связано с информацией, так что демон Максвелла не мог бы действовать по описанному методу. Оказалось, что информация, необходимая для расчета траектории и соответственно для принятия решении об открывании дверцы, повышает энтропию системы по крайней мере на ту же величину, которая «выигрывается» открыванием дверцы. Таким образом, как сказали бы медики, даже демон Максвелла не обладает иммунитетом против Второго закона.

Очень часто можно встретить утверждение, что квантовая механика разрушила детерминированный мир механики Ньютона и внесла представление о вероятности и неопределенности в самое сердце материи. Но при этом необходимо помнить, что существует огромная разница между практической неопределенностью, относящейся к движению частиц в статистической механике, созданной Максвеллом и Больцманом, и принципиальной неопределенностью, задаваемой волновой механикой Эрвина Шредингера и особенно принципом неопределенности Вернера Гейзенберга (1927). Квантово-механическая теория говорит, что есть некоторые вещи, которые мы не только не знаем, но и не можем знать в принципе.

Стоит, однако, отметить, что создание вероятностной квантовой механики стало возможно лишь после внедрения статистики в классическую физику

XIX века. В 1918 году польский физик Мариан Смолуховский предложил считать вероятность центральным объектом изучения современной физики: «В настоящее время тенденция к использованию статистических методов не коснулась лишь нескольких разделов физики — уравнений Лоренца, электронной теории, закона сохранения энергии и принципа относительности, но весьма вероятно, что в будущем даже самые точные законы будут заменены статистическими закономерностями»61.

Развитие статистической физики наверняка было бы значительно более тернистым, если бы социальные статистики не придали ученым веру в то, что крупномасштабный порядок и закономерности могут возникать в мире беспорядка, где причины каждого отдельного события неизвестны или непонятны. В природе много таких событий и систем, и в этих ситуациях мы должны верить в законы, существующие в мире больших чисел.

В конце известной книги Курта Воннегута Колыбель для кошки происходит нечто совершенно неизбежное по сюжету, но все равно невообразимое: «И послышался звук, словно медленно закрывались громадные врата величиной с небо — как будто тихо затворили райские врата. Это был Великий А-Бумм»1. Немыслимый звук издавало замерзающее море, мгновенно превращающееся в массу льда. Разумеется, речь в книге идет не об обычном льде, который мог бы сковать планету от полюса до полюса при ее медленном остывании. Море в книге Воннегута превращается в фантастический лед-девятпь, гипотетическую форму льда, остающуюся стабильной даже при ста градусах Цельсия, причем для такого превращения достаточно крошечного кристалла этого вещества, попавшего в Мировой океан.

Писатель уловил наиболее характерную особенность замерзания, а именно его внезапность. Многие вещества могут находиться лишь в двух состояниях: в жидком и подвижном до некоторой температуры (выше его точки плавления) и твердом и жестком ниже этой температуры. Среднего не дано, так что вода, например, не становится вязкой и тягучей перед превращением в лед, и каждый переход означает Великий А-Бумм. Точно так же не существует промежуточных состояний между водой и паром, есть вода, есть пузырьки пара в воде и есть пар над водой[27]. Всегда есть поверхность, на которой вода сразу скачком превращается в пар.

Все такие превращения между твердым, жидким и газообразным состояниями давно получили название фазовых переходов, и именно они дали ученым недостающее звено между кинетической теорией газов и молекулярным описанием строения других форм материи. Лед, вода и водяной пар состоят из одинаковых частиц — молекул воды, трио атомов Н20[28]. Но они по-разному организованы: в газе — свободны, независимы и энергично двигаются, в твердом теле — жестко связаны и почти неподвижны, в жидкости — толкаются подобно людям в толпе.