Алексей Шилейко - Информация или интуиция?
ЭНЕРГИЯ ПЕРВЫЙ СОРТ
Один из важнейших вопросов, до сих пор до конца не решенный современной наукой, — это вопрос о причине движения. Мир материален, и заполняющая его материя находится в непрерывном движении — эта истина в настоящее время практически ни у кого не вымывает, сомнений. Но почему в движении? Что является причиной движения? Такие вопросы задавали себе еще древнегреческие ученые.Фалес из Милета считал, что всему причиной демоны. Все полно демонов, утверждал Фалес. По Гераклиту, единственной стихией, из которой все возникает п в которую все разрешается, является огонь (энергия?), который есть не что иное, как процесс горения. Огонь вечно подвижен и все движет. Он не только изменяется, но и сам все изменяет, сходит с неба и восходит к небу, угасая и воспламеняясь:«Итак, все изменяется, все течет и горит, но всякое изменение есть переход от чего-либо одного к чему-либо другому, причем второй момент вытесняет первый и постольку отрицает его собою; процесс явлений, в своем вечном круговороте, обусловлен вечной борьбой и враждою всего сущего. Все состоит из противоположностей, борющихся и переходящих друг в друга в живой стихии горенья. Единое согласуется с собою в вечном противоречии, и гармония мироздания вытекает из сочетания противоположных колебаний».Наконец, уже упоминавшийся Демокрит считал, что причина движения очень проста — все состоит из атомов, и эти атомы непрерывно движутся вниз (?!). Просто вниз, и все. Вопрос о причине движения имеет прямое отношение к другим вопросам, которые будут рассмотрены в этой книге. Скажем больше — это один из основных вопросов естествознания.В. Нернст, автор так называемого третьего начала термодинамики, имел небольшую собственную ферму. Однажды его спросили:— Почему бы вам не завести на ферме несколько десятков кур или хотя бы несколько овец?— Я не идиот, — ответил В. Нернст. — Разводить теплокровных животных — это все равно что за свой счет отапливать вселенную.Девятнадцатый век можно назвать веком зарождающейся энергетики. К середине его ученым стали окончательно ясны две вещи: во-первых, то, что энергия не может взяться ниоткуда или исчезнуть бесследно, она лишь непрерывно переходит из одной формы в другую, во-вторых, то, что различные формы энергии отличаются друг от друга по качеству. Самая «плохая» энергия — тепловая, лучше ее – механическая, формы энергии высшего качества — это энергия электрическая и энергия химическая. Переходы энергии из формы высшего качества в форму низшего качества наблюдаются в природе повсеместно. Наоборот, случаи перехода от формы низшего качества к форме высшего качества наблюдаются относительно редко. Кроме того, как правило, только часть запасов энергии низшего качества может преобразоваться в форму более высокого качества. Эта часть определяется: величиной, называемой коэффициентом полезного действия (КПД).Энергия высшего качества — это такая энергия, которая целиком может перейти в энергию более низкого качества. Пусть, например, в аккумуляторе запасен один джоуль электрической энергии. Этот джоуль можно целиком преобразовать в тепло. Наоборот, если мы вращаем электрический генератор с целью преобразовать механическую энергию в электрическую, то лишь часть имеющегося у нас запаса механической энергии перейдет в электрическую, а другая часть этого запаса преобразуется опять же в тепло (нагревание подшипников и обмотки). Следовательно, механическая энергия по качеству хуже, чем электрическая. Повторяем, все это было известно уже к середине XIX века. Однако и в наши дни мало кто может ответить на вопрос: почему, к примеру, тепловая энергия хуже механической?Попробуем: хотя бы, поискать пути к ответу на этот вопрос и для этого рассмотрим принцип действия какого-нибудь преобразователя тепловой энергии в механическую, например принцип действия паровой машины. Первые паровые машины представляли собой устройства, весьма сложные в обращении. Работала машина примерно так. Человек открывал кран, в цилиндр, в пространство под поршнем, поступал пар из котла. Поршень постепенно выдвигался. Когда поршень доходил до упора, кран в трубе, подводящей пар, закрывали, а цилиндр обливали холодной водой, Пар в цилиндре конденсировался, превращался в воду, и под действием атмосферного давления поршень вдвигался внутрь цилиндра. Через специальный кран из цилиндра спускали воду, в которую превратился пар, затем снова наполняли цилиндр паром и т. д. Как видите, человеку, обслуживающему такую паровую машину, скучать было некогда.Современная паровая машина отличается от только что описанной лишь тем, что цилиндр не обливают холодной водой, а просто выпускают из него отработавший пар. Система клапанов оказывается еще более сложной и оформляется в виде так называемого золотника. Золотник автоматически перемещается в соответствии с перемещениями поршня.Посмотрим теперь, в чем состояла основная функция человека, обслуживавшего первые паровые машины. Она состояла не в том, чтобы просто открывать и закрывать краны, а в том, чтобы делать это в строго определенные моменты времени. Именно тогда, когда поршень достигал наивысшей или наинизшей точки. Человек получал информацию о положении поршня, должным образом перерабатывал ее и затем использовал для управления состояниями кранов. В современной паровой машине задачи получения и преобразования информации решаются с помощью кривошипа и штока золотника.Возможно, кто-то из читателей захочет возразить нам, сославшись на то, что, например, в паровой турбине нет ни золотников, ни штоков и тем не менее задача преобразования тепловой энергии в механическую решается в турбине ничуть не хуже, а может быть, даже лучше, чем в паровой машине с цилиндром и поршнем. Штоков и золотников в паровой турбине действительно нет. И все же в ней выполняются все те же операции, что и в поршневой машине. Просто паровая турбина представляет собой удачную и остроумную конструкцию, где один и тот же рабочий орган — лопатка — выполняет функции и поршня, когда паровая струя ударяется именно в данную лопатку, и клапана, когда очередная лопатка принимает давление струи пара на себя и закрывает тем самым от воздействия пара лопатку, которая работала непосредственно перед этим. Расположение лопаток на колесе выбирается таким, чтобы переход действия струи пара с одной лопатки на другую совершался в тот момент, когда использование предыдущей лопатки становится далее неэффективным. В турбине получается и преобразуется ровно такое же количество информации, что и в поршневой машине, Просто функции получения и преобразования информации реализуются тем же самым колесом. Все сказанное справедливо также для двигателей внутреннего сгорания (дизельных и карбюраторных) и газовых турбин.
По соображениям, которые станут ясны лишь по прочтении последующих глав, можно утверждать, что весьма высоким качеством (правда, не самым высоким) обладает энергия лазерного луча. Принцип действия лазера (его мы рассмотрим в дальнейшем) связан с достаточно сложными процессами получения и преобразования информации.При работе любого преобразователя тепловой энергии в механическую исходный запас тепловой энергии затрачивается на совершение механической работы.Спрашивается, куда затрачивается информация? Все сказанное приводит нас к единственному возможному ответу. Получение энергии более высокого качества из энергии более низкого качества возможно лишь в системе, в которой происходят процессы получения и преобразования информации (одним словом, можно сказать, процессы управления). А значит, можно считать, что качество энергии определяется количеством информации, затраченной при ее получении. Короче говоря, качество энергии есть не что иное, как ее информативность.Конечно, подобное утверждение звучит пока что достаточно голословно. Одна из целей нашей книги состоит в том, чтобы показать, что так оно и есть на самом деле. Это можно только показать, но не доказать, поскольку, как уже не раз отмечалось, сама теория информации является к настоящему времени незавершенной отраслью в науке.
ЭНЕРГИЯ И ЭНТРОПИЯ
К середине XIX века считалось, что причина движения найдена и получила свое название — это энергия. Энергия есть способность материальной системы совершать работу. Энергия не может взяться из ничего и не может исчезнуть. Этот закон, ставший краеугольным камнем здания классической физики, был открыт еще в XVIII веке великим М. Ломоносовым.Во вселенной разлит определенный запас энергии (все полно демонов?). Каждая материальная система также обладает некоторым запасом энергии. Обладать запасом энергии значит быть способным совершать работу, в частности, двигаться. Энергия может переходить из одной формы в другую. Уже известны такие формы, как механическая, химическая, электрическая. Но главная форма энергии, конечно же, тепловая. Именно в этой форме постоянно, бесплатно и в огромных количествах поставляет энергию Солнце. К тому же век пара и электричества — это в первую очередь век паровых машин или, как их вежливо называют в учебниках физики, тепловых двигателей.Казалось бы, все ясно. Но не тут-то было! Энергия обусловливает способность материальной системы совершать движения, это верно. Но энергия не есть причина этих движений. Вот на вершине горы лежит камень. Этот камень обладает потенциальной энергией. Чем тяжелее камень и чем выше гора, тем больше запас потенциальной энергии. Но этот камень почему-то не падает вниз. А другой камень, может быть, даже меньших размеров и, соответственно, с меньшим запасом потенциальной энергии, вдруг покатился вниз, да еще увлек за собой целую лавину камней.Так в чем же причина движения? Вопрос этот мучил многих. Размышлял над ним и немецкий ученый Р. Клаузиус. Всем, кто строил и исследовал тепловые двигатели, был хорошо известен следующий факт. Тепло охотно переходит от нагретого тела к холодному и никогда не переходит в обратном направлении. Если в стакан, налитый до половины холодной водой, долить кипятку, кипяток и холодная вода перемешаются и вся вода в стакане постепенно приобретет одинаковую температуру. При переходе тепла от нагретого тела к холодному может быть совершена работа. Наоборот, если имеются два тела с одной и той же температурой, то нагреть одно из них и охладить другое можно, только затратив определенное количество работы.Заинтересовавшись этими фактами, Р. Клаузиус заметил и нечто другое. Тепловую энергию можно преобразовать в механическую, электрическую или химическую. При этом на единицу затраченной тепловой энергии будет получена в точности единица энергии другого вида — никаких потерь здесь не происходит. Но если снабдить некоторую материальную систему запасом, скажем, химической или электрической энергии и затем предоставить эту систему самой себе, то в ней начнутся различные, подчас очень сложные преобразования и в конце концов, если не вся, то большая часть электрической или химической энергии перейдет в тепловую.Подметил Р. Клаузиус и многое другое. Высокие остроконечные горы постепенно, хотя для этого требуются целые геологические периоды, осыпаются, становятся более пологими. Ущелья, напротив, заполняются осадочными породами. Реки мельчают, заболачиваются. Извилистые русла рек постепенно спрямляются. Какой бы прочный дом вы ни построили, он постепенно разрушится. Создается впечатление, что все процессы в природе каким-то образом направлены.Р. Клаузиус ввел новую физическую величину, чтобы как-то оценить подобные преобразования, и назвал ее энтропией. Для всякой материальной системы энтропия — это мера близости системы к состоянию равновесия. Если система находится в состоянии равновесия, в ней невозможно движение, а энтропия ее максимальна. Например, если в некотором сосуде заключена жидкость и в любой точке внутри сосуда температура этой жидкости одна и та же, то, как уже говорилось, тепло не сможет переходить из одной области сосуда в другую. Работа внутри такого сосуда, обусловленная тепловыми процессами, совершаться не может, а энтропия системы «сосуд с жидкостью» будет максимальной.Повторим еще раз, потому что это очень важно. Пусть имеется материальная система, обладающая любым сколь угодно большим запасом Энергии и не взаимодействующая с другими системами. Если, однако, энтропия этой системы равна своему максимально возможному для данной системы значению, никакая работа внутри системы совершаться не может. Иначе говоря, если в данной системе вообще возможны некие процессы, которые мы определяем как процессы преобразования, или эволюции, то они неизбежно заканчиваются при достижении энтропией своего максимально возможного значения.И наоборот, пусть некая материальная система характеризуется некоторым значением энтропии, не равным максимально возможному для этой системы значению. Величина, показывающая, сколько не хватает до максимально возможного значения энтропии, и есть в определенном смысле мера способности системы совершать внутри себя работу. С другой стороны, эта величина равна разности между некоторым постоянным значением энтропии (для данной системы) минус реальное значение энтропии. Можно условиться принимать постоянную за начало отсчета, то есть за нуль. Тогда мера способности системы совершать работу будет представлять собой реальное значение энтропии, взятое со знаком «минус». Мы просим читателя как следует запомнить только что сказанное. В дальнейшем нам удастся прийти к довольно неожиданному выводу.Первоначально энтропию определяли для тепловых систем, причем полагали, что изменение энтропии пропорционально изменению количества тепла при данной температуре. Тот факт, что тепло всегда переходит только от более нагретого тела к менее нагретому, теперь можно сформулировать иначе: все самопроизвольные процессы в тепловых системах происходят всегда в сторону возрастания энтропии. Это утверждение, впервые высказанное Р. Клаузиусом, получило название второго начала термодинамики в отличие от первого начала — закона сохранения энергии, гласящего, что энергия не может возникнуть из ничего или исчезнуть бесследно.Уже отмечавшиеся нами наблюдения, а также многие-многие другие привели к выводу, что область действия второго начала термодинамики отнюдь не ограничивается тепловыми двигателями. Стало ясно, что так же, как и закон сохранения энергии, второе начало термодинамики или, как его иначе называют, закон неубывания энтропии, является фундаментальным физическим законом, справедливым для всех без исключения материальных систем.Размышления над вторым началом термодинамики привели к довольно жуткой картине — так называемой тепловой смерти вселенной. Действительно, раз тепло всегда переходит лишь от более нагретого тела к более холодному, рано или поздно во всей вселенной должна установиться одна и та же температура — звезды погаснут, а планеты нагреются, прекратятся все процессы и, конечно, жизнь во всех ее проявлениях. И что самое обидное, общего количества энергии, то есть способности совершать работу, в такой уравновешенной вселенной будет ровно столько же, сколько сейчас или, скажем, несколько миллиардов лет тому назад. Способность к движению сохранится, а вот причина, побуждающая систему к движению, исчезнет. К счастью, на самом деле все обстоит не так трагично. Правда, доберемся мы до объяснения истинного положения вещей лишь к самому концу книги.Пока что нам стало ясно одно: причина движения, которую тщетно искали ученые, начиная с самых древних времен, найдена, Современная наука утверждает: причина движения суть физическая величина, получившая название энтропии и взятая с обратным знаком. Чем дальше система от состояния равновесия, чем меньше истинное значение энтропии по сравнению с максимально возможным — тем больше движения может совершиться в такой системе.Правда, здесь снова возникает вопрос. Многочисленные адепты самых разнообразных религий также претендовали на то, что они знают, в чем причина движения. Эту причину они усматривали, смотря по вкусу, в божестве, божествах, демонах, вселенской идее или вселенском разуме, как у Аристотеля и Платона. В конце концов бог или демон — это всего лишь слова. Может быть, и энтропия — всего лишь слово, пришедшее на смену устаревшему и мало убедительному понятию вселенского разума?Нет, это не так. Оказывается, отталкиваясь от первого и второго начал термодинамики, чисто формально производя одни лишь математические преобразования, можно вывести практически все законы классической физики. История физики знает и весьма яркие примеры использования закона неубывания энтропии в достаточно далеких на первый взгляд областях. Всем известно, например, что М. Планк открыл свой знаменитый закон квантования энергии, положивший начало квантовой физике, и ввел новую фундаментальную физическую константу — постоянную Планка, — исследуя процессы излучения черного тела. Однако мало кто знает, что М. Планк проделал все это, рассуждая о том, как возрастает энтропия в системе, состоящей из черного тела и излучателей энергии. Так что понятие энтропии и закон, которому подчиняется эта физическая величина, позволяют не только объяснить уже известные физикам явления, но и предсказать новые, которые действительно затем обнаруживаются в природе. А это и есть лучшее доказательство справедливости физических утверждений.Универсальность понятия энтропии потребовала и другого определения, более общего, чем определение через количество тепла и температуру. Развитие статистической физики позволило очень быстро найти такое определение. Величину энтропии, характеризующую данное состояние материальной системы, стали определять как логарифм вероятности для системы принять это состояние.Произнеся слово «вероятность», мы не можем не высказать здесь ряд дополнительных соображений. В природе совершаются события, о которых принципиально можно узнать лишь очень немногое. Например, вся мощь современной науки и техники не позволяет определить точку, в которую попадет артиллерийский снаряд после выстрела. Можно лишь приближенно указать некую площадь земной поверхности, в пределах которой заключена эта точка. С другой стороны, имеется возможность с достаточной степенью точности предсказать, как будет выглядеть эта площадь после, скажем, ста выстрелов, произведенных без изменения прицела. Выполнить это нам помогает наука — теория вероятностей. А с точки зрения информации можно отметить, что в определенных условиях наше знание о явлениях природы приобретает довольно своеобразную форму: почти ничего не зная об отдельных явлениях, мы можем знать достаточно много о массе таких явлений, если они совершаются в неизменяющихся условиях.Эта книга посвящена информации, ее свойствам и связанным с нею закономерностям. Во второй половине XX века получила бурное развитие техника переработки информации. Мы не станем затрагивать здесь вопросы этой переработки, поскольку даже самое поверхностное их рассмотрение требует отдельной книги. Наша задача состоит в другом: вскрыть единство информационных процессов, совершающихся в самых различных искусственных и естественных системах. Подобные процессы, как правило, оказываются заложенными в самой основе физических явлений. Поэтому читателя не должно смущать, что подчас мы не будем достаточно долго произносить слово «информация».Мы намерены показать, что, казалось бы, совершенно бессмысленная игра в вопросы и ответы, которой мы отвели столько места в начале главы, имеет самое непосредственное отношение не только к принципу действия тепловых двигателей, но и к описанию процессов, происходящих, например, в столь экзотических астрономических объектах, как черные дыры. Однако все это потребует от читателя соответствующей подготовки.В этой главе мы еще почти ничего не сказали ни об информации, ни об интуиции. Задача здесь состояла в том, чтобы ввести читателя в круг понятий, с которыми мы будем иметь дело в дальнейшем. И все же было сделано одно утверждение, проливающее уже достаточно яркий свет на природу информации: качество энергии, сказали мы, определяется ее информативностью.
