Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - Пол Сен

Следующие шесть десятилетий демон Максвелла жил в относительной безвестности. Затем, в 1929 году, он вернулся, чтобы подразнить нас наличием возможной связи между информацией, энергией и энтропией. На этот раз его воскресил ученый Лео Сцилард, с которым мы уже встречались в пятнадцатой главе.

В 1929 году Сцилард жил в Берлине и вместе с Эйнштейном занимался разработкой безопасных холодильников. В своей докторской диссертации он также анализировал статистические основы термодинамики. Таким образом, Сцилард прекрасно понимал тему как с теоретической, так и с практической стороны. Демон Максвелла захватил его воображение. Но если Максвелл и Томсон считали демона способом проверить состоятельность второго начала термодинамики, то Сцилард считал, что он может быть полезен для изучения физики информации.

Сцилард упростил задачу, которую Максвелл поставил своему демону. В изначальном варианте мысленного эксперимента шотландец предположил, что демону придется снова и снова измерять скорость множества разных молекул, чтобы в итоге обратить вспять второе начало термодинамики. В статье с блестящим названием “Снижение энтропии благодаря вмешательству разумных существ” Сцилард заявил, что демону не обязательно выполнять столь грандиозную задачу, чтобы проворачивать свою шалость.

Двигатель, функционирующий благодаря единственной молекуле

Как и Максвелл, Сцилард просит нас представить сосуд с перегородкой. Внутри этого сосуда, однако, находится лишь одна подвижная молекула. Сначала она свободно движется по сосуду, время от время сталкиваясь со стенками и отскакивая от них. Демону Сциларда, таким образом, достаточно следить за одной молекулой, в то время как демону Максвелла приходилось наблюдать за целыми триллионами частиц. Далее Сцилард еще сильнее упрощает задачу своему демону. Он просит его лишь следить, в какой половине сосуда — в левой или в правой — молекула находится в каждый момент времени. Заметив молекулу, скажем, в левой половине сосуда, демон Сциларда ставит перегородку, которая разделяет сосуд пополам, и молекула, по сути, оказывается в ловушке в его левой части.

Сцилард делает перегородку подвижной: она может двигаться внутри сосуда подобно тому, как поршень движется внутри цилиндра двигателя.

Поняв, в какой стороне сосуда находится молекула, демон приступает к действию. Если он знает, что молекула в левой части сосуда, то через блок прикрепляет груз к левой части подвижной перегородки. Теперь, двигаясь из стороны в сторону, молекула периодически сталкивается с подвижной перегородкой. При этом перегородка сдвигается дальше вправо и поднимает груз.

Суть этого остроумного устройства в том, что, имея одну простую единицу информации, в частности знание, что молекула находится в левой части сосуда, демон Сциларда способен поднимать груз, то есть совершать работу. Демон может повторять этот процесс бесконечно. По сути, он получает нечто из ничего, благодаря единственному биту информации — знанию, в которой части сосуда находится молекула. Я не случайно использовал здесь слово “бит”. Выбор между левой и правой частью сосуда двоичен, как и выбор между 1 и 0. Располагая лишь двоичной информацией, демон Сциларда способен преобразовать случайные движения молекулы в полезную работу. Это противоречит второму началу термодинамики, поскольку предполагает, что выполнять полезную работу можно и без перемещения теплоты из горячей зоны в холодную. С “демоном Сциларда” мы могли бы получать энергию из любого объема газа, даже если бы его температура везде была одинаковой. Если выпустить достаточное количество “демонов Сциларда”, можно генерировать все необходимое нам электричество из воздуха в земной атмосфере! Кажется, что можно создать “вечный двигатель”, как выражается Сцилард, просто “позволив разумному существу вмешиваться в работу термодинамической системы”.

Что же это значит? В предыдущей главе мы увидели, что обработка информации приводит к увеличению энтропии. Неужели, описывая свой мысленный эксперимент, Сцилард предполагает, что информация может делать и обратное, преодолевая второе начало термодинамики и преобразуя теплый воздух постоянной температуры в полезную работу? Такая система уменьшала бы энтропию Вселенной, поскольку “дармовую” работу можно было бы использовать, чтобы заставить теплоту перемещаться в “неправильном” направлении из холодной зоны в горячую.

Сцилард категорически заявляет, что этого не может произойти по следующей причине: в момент измерения, когда демон определяет местоположение молекулы, энтропия не может не увеличиваться, и это увеличение в итоге компенсирует любое уменьшение энтропии в результате работы поршня.

Аргумент Сциларда кажется закольцованным, и ученый лишь в общих чертах описал, как его демон провоцирует увеличение энтропии. Однако в своей статье он первым заявил, что обработка битов информации должна приводить к рассеянию теплоты, потому что в ином случае мы могли бы конструировать вечные двигатели, противоречащие законам термодинамики. Любопытно и то, что Сцилард написал эту статью в 1929 году, за несколько десятилетий до начала применения битов в глобальных сетях связи и осознания их важности для передачи и хранения информации.

Следующие лет тридцать демон Сциларда/Максвелла оставался в тени: ученые считали его любопытной, но все-таки не слишком значимой головоломкой. Немногие научные статьи, которые выходили в этот период и упоминали о демоне, следовали логике Сциларда. Их авторы строили догадки относительно того, какой аппарат демон может использовать для определения положения молекулы, и приходили, как и Сцилард, к выводу, что любая подобная система будет рассеивать достаточное количество теплоты, чтобы компенсировать снижение энтропии, которое происходит, когда поршень поднимает груз.

Однако с 1950-х годов, когда количество битов и транзисторов в мире начало стремительно возрастать, а компьютеры стали выдавать заметное количество теплоты, демон Максвелла/Сциларда превратился из научной диковины в технологически и коммерчески значимую вещь. Ученые из исследовательского отдела компьютерного гиганта IBM вспомнили о демоне, когда вопрос о том, имеет ли информация термодинамическую цену, снова вышел на первый план. Подобно тому, как более чем столетие назад Сади Карно осознал, что невозможно в полной мере разобраться в устройстве паровой машины, не изучив, помимо ее конструкции, также лежащие в основе ее работы физические законы, ученые из IBM поняли, что, для того чтобы в полной мере исследовать информацию, необходимо аналогииным образом идеализировать и проанализировать работающие с ней машины.

Двое ученых из IBM, Рольф Ландауэр и Чарльз Беннетт, так описали свою работу: “Мы ищем общие законы, которые должны управлять всей обработкой информации, каким бы образом она ни осуществлялась. Любые обнаруженные нами ограничения должны проистекать исключительно из фундаментальных физических законов, а не из особенностей используемой в настоящий момент технологии”.