Демон Максвелла

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.