Беседы об информатике

Как видите, Н. Винер последовательно придерживается шенноновской теории и уподобляет количество информации термодинамической энтропии. Но зачем же наделять демона свойствами физической системы? Наверное, Максвелл ввел в свою модель демонов, а не некие гипотетические механизмы именно потому, что понимал: стоит только произнести слово «механизм», как модель потеряет смысл. Демон потому и демон, что он имеет право не подчиняться законам физики. А большинство среди тех, кто в дальнейшем обсуждал Максвелловых демонов, почему-то не понимал этого. Суть совсем не в том, какую природу имеет канал передачи информации от молекулы к демону. Суть в том, что согласно воззрениям современной физики такой объект, как молекулу, вообще нельзя локализовать в пространстве и, следовательно, определить, находится она вблизи отверстия или далеко от него.

В этом вопросе интересно до конца разобраться. Давайте несколько модифицируем максвелловскую модель. Пусть это будет не ящик, а цилиндр с поршнем. В исходном состоянии поршень выдвинут насколько это возможно, а в пространстве перед поршнем имеется одна-единственная молекула. Молекула эта непрерывно движется, ударяясь о стенки цилиндра и о днище поршня. Каждый раз при ударе о днище поршня молекула передает ему определенное количество движения. Суммарное воздействие всех ударов проявляется как давление на поршень, во всяком случае, так написано в подавляющем большинстве учебников физики.

Мысленно разделим объем цилиндра перед поршнем на две половины. Теперь о молекуле можно знать лишь одно из двух: в данный момент она находится в половине, примыкающей к поршню, или нет. Если молекула находится в дальней половине, то можно вдвинуть поршень в цилиндр, не испытав никакого противодействия со стороны молекулы, которая согласно нашему знанию находится в этот момент далеко. После того как поршень вдвинут, объем перед поршнем уменьшится вдвое, значит, вдвое участятся удары молекулы о днище поршня, вдвое увеличится давление. Под действием этого давления поршень снова вернется в исходное положение, совершив при этом некоторую работу.

Задача демона в этом примере существенно упрощается, хотя бы потому, что вполне достаточно знать местоположение молекулы, да и то с очень малой точностью, один-единственный раз. Остается добавить, что, не зная ничего о положении молекулы, в среднем в половине случаев, вдвигая поршень, вы будете наталкиваться на молекулу и совершать работу, а в остальных случаях работу будет совершать молекула. Суммарная работа в среднем окажется равной нулю. Дает ли описанная модель что-нибудь новое? Беда в том, что классические представления еще сильны у большинства из тех, кто пытается говорить о современной физике. Не избежал этого и Н. Винер, возложивший всю ответственность за неосуществимость модели Максвелла на одних лишь демонов. Как же все это выглядит на самом деле?

Начнем с того, что молекула в той же степени волна, в какой и частица. Согласно теории Шредингера в замкнутом объеме с заключенной в нем молекулой существуют пространственные волны, занимающие весь объем этого ящика. Более того, волны разлагаются на ряд гармонических составляющих, каждая из которых соответствует одному из стационарных состояний молекулы. Длина волны, или частота, каждой гармонической составляющей прямо зависит от размеров объема, занимаемого молекулой, — с уменьшением объема частота увеличивается. Здесь полная аналогия со струной, имеющей основной тон и обертоны: чем короче струна, тем выше основной тон и соответствующие обертоны.

Вдвигая поршень, вы уменьшаете объем, занимаемый молекулой, а значит, увеличиваете соответствующие частоты. Частота пропорциональна энергии. Вдвигая поршень, вы увеличиваете энергию молекулы, и сделать это можете, только совершив работу. Совсем не обязательно, чтобы молекула сталкивалась (такое может случиться только в классической физике) с днищем поршня. Модель Максвелла так же, как и предложенная нами модель, неосуществима потому, что молекулу нельзя точно локализовать в пространстве, независимо от того, следит за ней демон или не следит.

Точка зрения шофера

Следует ли из всего сказанного, что информация не имеет ценности или, ограничиваясь кругом понятий, использованных Максвеллом, что информация никак не связана с работой или энергией? С таким вопросом лучше обратиться к шоферу. Каждый шофер хорошо знает, что такое опережение зажигания. При работе четырехтактного бензинового двигателя чередуются такты выхлопа, всасывания рабочей смеси, сжатия рабочей смеси и рабочего хода, которому должно предшествовать зажигание. Зажигание рабочей смеси производится электрической искрой, которая должна проскочить в строго определенный момент времени, тогда, когда поршень чуть-чуть не дошел до своей верхней точки. Это «чуть-чуть» и называется опережением.