Демон Максвелла

«В изолированной системе энтропия стремится к максимуму», – подумал я, представляя цветные пластиковые буквы на холодильнике дома. Я думал об Имоджен, давно покинувшей дом, и о том, что станет – или не станет – с нашим браком, когда она вернется. Я думал об изношенных кабелях над пустыми полями и сбоях на линии, о тишине и шуме, которые заполняли пространство между мной и отцом. Держал конверты в руке и думал: слово clue – подсказка – происходит от слова, обозначающего клубок ниток, который помогает выйти из лабиринта. Фото Блэка – это подсказка? Я думал: «Несомненно, это приманка»; и: «Остерегайся ловушек для енотов, что обещают дать ответы на все вопросы». Думал: «Нет ни лабиринтов, ни великого замысла. Только хаос и крах. Все гибнет». Думал: «Я обращаюсь к Богу, но небеса пусты».
Закрыв глаза, я сосредоточился на шуме листьев вокруг.
В изолированной системе энтропия стремится к максимуму.
  
10. Еще одно имя Бога
 
Второй закон термодинамики гласит: в изолированной системе энтропия стремится к максимуму. Эйнштейн считал, что второй закон термодинамики – единственный закон во всей науке, который никогда не будет изменен или дополнен, а астрофизик Артур Эддингтон высказался еще более решительно: «Если ваша теория противоречит второму закону термодинамики, мне нечем вас утешить; она неминуемо потерпит унизительный крах».
Иронично, как по мне, что закон энтропии – закон неизбежного разрушения – воспринимается учеными настолько уникальным и незыблемым. Эйнштейн был уверен, что ни одному ученому будущего не только не удастся разрушить его фундамент, но и нацарапать свое имя на штукатурке. Великий гений считал, что конструкция второго закона никогда не разрушится, его внешняя отделка никогда не осыплется, а фасадным скульптурам будут не страшны непогода и время – они останутся неизменными. Пока всё вокруг рушится и гибнет, второй закон стоит несокрушимым особняком. В царстве научных теорий второй закон термодинамики являет собой нечто невероятное – совершенный, вечный рай.
А рай, как известно, привлекает змиев.
Прежде чем мы продолжим, отмечу, что энтропия применима не только к беспорядку материального мира. Энтропия также связана со способностью выполнять то, что ученые называют «полезной работой». Что это значит? А вот что: заряженная батарейка или заведенные часы находятся в том же состоянии низкой энтропии, что и прибранная кухня. Когда часы замедляют ход или кухня становится все грязнее, их энтропия увеличивается. Процессы идентичны; неважно, о чем мы говорим – о натянутой пружине или прибранном шкафу, – правила не меняются. Викторианцы, кстати, не стремились постичь фундаментальные законы времени и вселенной, когда столкнулись с оными, а использовали их в более практических целях. Намерения наших предков вполне очевидны и по сей день – они сохранились в названиях законов, подобно ископаемым папоротникам. Вдумайтесь: термодинамика. Тепло, движение, энергия. Викторианцы стремились сделать машины более эффективными.
Первый закон термодинамики гласит, что энергию невозможно создать или уничтожить, а только преобразовать. Викторианцы открыли второй закон, пытаясь понять, почему эти преобразования никогда не эффективны на сто процентов, почему каждая трансформация – уголь в тепло, тепло в пар, пар в движение – происходит с потерей части энергии.
Суть в чем: все упорядоченные сосредоточения подвержены воздействию энтропии. Кубики льда тают, батарейки садятся, звезды гаснут, а чашка чая остывает.
Согласно теории вероятности, чай в кружке был теплым в прошлом, а в будущем будет только холоднее, поскольку его тепло переходит из состояния порядка (полностью концентрируется в чашке) во все более беспорядочное (уходит в воздух в виде пара, просачивается в стол и держащие чашку руки и, в конечном итоге, рассеивается по всей вселенной).
 
Согласно второму закону термодинамики, невозможно снова разогреть чашку чая, не затратив 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.