Тор Норретрандерс - Иллюзия пользователя. Урезание сознания в размерах
Но многие физики, современники Больцмана, критиковали его точку зрения. Мы не можем, говорили они, вывести подобный необратимый и безотзывный закон, как закон термодинамики, из законов Ньютона о движении и кинетике — физики бильярдного стола! Ведь обратимость придает картине мира Ньютона такое могущество: все уравнения можно обернуть во времени, все процессы суть одно и то же, движутся ли они вперед или назад.
На основании практически любого опыта, который мы получаем из нашей повседневной жизни и о котором можем упомянуть, мы можем заявить, что многие вещи в этом мире просто необратимы: когда что-то бьющееся падает на пол, оно не может восстановиться само по себе; тепло поднимается вверх по печной трубе, а беспорядок на столе со временем становится только еще беспорядочнее. Время проходит — и все гибнет. Все ломается. Вы когда-нибудь видели, чтобы разбитая тарелка вновь восстала из обломков?
Но это не интересовало критиков Больцмана, ведь теории Ньютона составляли саму суть физических теорий, и картина, в которой что-то безвозвратное выводилось из возвратного, необратимое из обратимого, выглядела для них в корне неверной. Физики того времени говорили, что Больцман неправильно понимает время.
Теория, согласно которой материя состоит из атомов, не была целиком принята учеными до рубежа 19 века. Теоретическая основа всех идей Максвелла и Больцмана о тепле как статистическом феномене огромных конгломератов молекул, подверглось жесткой критике. И так было вплоть до первой декады 20 века, когда такие физики, как Эйнштейн, Томсон и Бор установили раз и навсегда, что атомы действительно существуют.
В 1898 году в предисловии к книге о теории молекулярного движения в воздухе Больцман написал, что он убежден: «эти атаки базируются только на непонимании» и что он осознает: «он является всего лишь человеком, который пытается бороться с потоком времени».
Когда Больцману исполнилось 62 года, в 1906 году, он все еще не был чествуемым героем, несмотря на свой огромный вклад в развитие физики. Его мучили депрессии и боязнь чтения лекций. Он вынужден был оставить профессорскую деятельность в Лейпциге и оказаться в собственной научной изоляции.
В предыдущем году он написал в одной из популярных книг: «Я могу сказать, что остался единственным из тех, кто всем сердцем принимает старые теории; по крайней мере единственный, кто готов бороться за них изо всех сил».
Но силы его истощились. Во время летнего отдыха возле Триеста 6 сентября 1906 года Людвиг Больцман покончил жизнь самоубийством.
Объединение принципов обратимости в возвышенных уравнениях Ньютона и необратимости повседневной жизни не стало задачей Больцмана, несмотря на тот факт, что именно с этой проблемой столкнулся Максвелл в 1867 году, когда он ощутил своего непослушного демона, который на протяжении более чем столетней дискуссии, смог осветить и объяснить ту самую сложность, которая оказалось для Людвига Больцмана необратимой.
«Демон Максвелла жив до сих пор. После более чем 120 лет сомнительной жизни и по меньшей мере двух провозглашенных смертей, этот причудливый персонаж кажется более живым, чем когда-либо», — написали два американских физика, Харви Лефф и Эндрю Рекс в 1990 году, когда они опубликовали книгу об исторических источниках, иллюстрирующих историю демона Максвелла. Эту историю два физика считают незаслуженно забытой главой истории современной науки. «Демон Максвелла — это не более чем простая идея, — писали они. — Тем не менее он бросал вызов многим из лучших научных умов, и его литературная деятельность охватывает термодинамику, статистическую физику, теорию информации, кибернетику, пределы вычислений, биологические науки, историю и философию науки».
В 1867 году физик Питер Гатри Тейт написал своему близкому другу и университетскому приятелю Джеймсу Кларку Максвеллу, спрашивая его, не пробежится ли тот критическим взглядом по рукописи об истории термодинамики до ее публикации. Максвелл ответил, что будет счастлив это сделать, несмотря на то, что с подробностями истории термодинамики он незнаком. Но он, возможно, мог бы обнаружить одну или парочку дыр. После чего Максвелл продолжил свое письмо, указывая на одну огромную дыру в работе, которой он еще даже не видел: и эта дыра заключалась во втором законе термодинамики.
Идея Максвелла была проста: в контейнере с двумя отделениями — А и В — содержится газ. В перемычке, которая разделяет эти два контейнера, имеется дыра, которая может открываться и закрываться без приложения каких-либо усилий, другими словами, путем суперскольжения.
«А теперь представьте себе определенную сущность, которая узнала пути и скорости всех молекул посредством простого осмотра, и которая не может выполнять никакой другой работы, кроме как открывать или закрывать дыру в перемычке, пользуясь способом скольжения без массы», — написал Максвелл Тейту. Далее он продолжил описание того, как это маленькое существо открывает отверстие каждый раз, когда быстрая молекула из левой камеры направляется к нему. Когда медленная молекула из той же камеры приближается к отверстию, оно остается закрытым.
Таким образом из левой камеры в правую могу попасть только быстрые молекулы. И наоборот, только медленные молекулы из правой части камеры могут попасть в левую.
Результатом станет то, что в правой части камеры соберутся быстрые молекулы, а в левой — медленные. Количество молекул в обеих камерах остается тем же, но их средняя скорость меняется. В правой камере температура повышается, в то время как в левой она снижается. Разница создана. «И тем не менее не было выполнено никакой работы, — пишет Максвелл. — Был задействован только интеллект очень наблюдательного и ловкого существа».
Максвелл действительно обнаружил дыру во втором законе термодинамики: умное маленькое существо может создавать жар из обычного тепла, не производя при этом никакой работы. «Говоря коротко, — писал Максвелл, — если тепло — это движение конечных порций материи и если мы можем приложить к этим порциям инструменты, которые позволят работать с ними раздельно, то мы сможем воспользоваться преимуществом разницы движений различных пропорций для восстановления равномерно горячей системы, исходя из разницы температур или движения больших масс. Мы не можем этого сделать лишь потому, что недостаточно умны».
Мы слишком велики и неуклюжи, чтобы обойти второй закон термодинамики. Но если бы мы были немного более ловкими и наблюдательными, мы смогли бы разделить молекулы в воздухе нашей кухни, направив их в холодильник и в духовку — и это бы не отразилось в наших счетах за электричество.
Три года спустя Максвелл писал лорду Райли, другому физику: «Мораль такова: Второй закон термодинамики верен настолько же, насколько и утверждение о том, что если вылить в море какой-то объем воды, то мы никогда не сможем вновь получить тот же ее объем обратно».
Этим Максвелл хотел показать, что второй закон термодинамики имеет только статистическую ценность: это закон, который применим на нашем уровне, а не для крошечных и очень умных существ. Когда мы описываем мир таким, как мы его знаем, в форме очень больших скоплений молекул, закон увеличения энтропии и снижения доступности энергии действительно применим. Но если бы мы были чуть более умными, мы смогли бы получить тепло из холода, просто открывая окно, когда быстрые молекулы залетали бы в комнату по пути от холодного ночного воздуха (хотя это и происходило бы довольно редко), или когда медленные молекулы хотели бы покинуть комнату.
Вечный двигатель, основанный лишь на интеллектуальном наблюдении.
Идею о маленьком создании Максвелл опубликовал в своей книге «Теория тепла» в 1871 году, и три года спустя другой физик, Уильям Томсон, назвал это существо демоном — не злобной сущностью, а «разумным существом со свободной волей и достаточным уровнем тактильной организации и восприимчивости, чтобы наблюдать отдельные молекулы материи и оказывать на них влияние».
Демон Максвелла дразнит нас: причина, по которой нам приходится работать, чтобы получить тепло зимой, заключается в нашей собственной неадекватности, а не в неадекватности Вселенной. Все приходит в беспорядок и замешательство только по той причине, что мы слишком велики и неуклюжи, чтобы манипулировать отдельными компонентами материи.
Максвелл таким образом указал на разницу между описанием беспорядочного движения отдельных молекул туда-сюда — как доказано в возвышенных уравнениях Ньютона — и описанием конечных порций материи — как доказано представлением о тепловой смерти в термодинамике — которая через несколько лет приведет к реальной смерти Больцмана.
Термодинамика — это статистическая теория, которая говорит нам о мире, который мы можем узнать, но не можем получить, так как мы недостаточно умны. В действительности между различными формами энергии разницы нет — они одинаково доступны тому, кто знает, как ими пользоваться.
