Холодильник Эйнштейна

Далее излагается поразительная и забавная мысль. “Представьте себе крошечное существо, — пишет Максвелл, — которое знает траектории и скорости всех молекул, благодаря простому наблюдению, но может лишь открывать и закрывать отверстие в перегородке посредством сдвига без переноса массы”.

“Крошечное существо” Максвелла может открывать и закрывать сдвижную дверцу в перегородке, разделяющей сосуд. Важно отметить, что делается это посредством “сдвига без переноса массы”, то есть не требует энергии. Это, в свою очередь, означает, что “существу” не нужна энергия для открытия и закрытия дверцы. Главным образом ему нужна способность получать информацию об отдельных молекулах по обе стороны перегородки. В частности, существо внимательно следит за молекулами, которые случайным образом подходят к дверце в перегородке, разделяющей сосуд. Существо проявляет особенный интерес к необычно медленной молекуле, которая находится в горячей части сосуда, но скорость которой ниже средней скорости молекул в холодной части. Когда существо замечает, как одна из таких молекул приближается к дверце, оно открывает дверцу. В результате медленная молекула перемещается из горячей половины сосуда в холодную.

Подобным образом существо ищет быстрые молекулы в холодной части, высматривая любую молекулу, скорость которой выше средней скорости молекул в горячей части. Замечая, как одна из таких молекул приближается к дверце, существо открывает дверцу. Быстрая молекула перемещается из холодной половины сосуда в горячую.

Через некоторое время, отмечает Максвелл, происходит нечто необычайное. Все больше быстрых молекул оказывается в горячей части сосуда, и все больше медленных молекул собирается в холодной части. Получается, что холодная половина становится холоднее, а горячая — горячее, а это прямо противоречит второму началу термодинамики, которое гласит, что теплота не может перемещаться из горячей зоны в холодную без потребления работы. Но здесь, как пишет Максвелл, “не выполняется никакой работы, а используется лишь разум очень наблюдательного и ловкого существа”.

Максвелл не пытался описать, как существо работает, не потребляя энергии, и как устроить в перегородке дверцу, лишенную массы. Эти идеи причудливы и нереалистичны, ведь своим мысленным экспериментом Максвелл намеревался доказать истинность второго начала термодинамики. В том же письме к Тэйту он утверждает, что если бы мы могли распознавать и эксплуатировать движения отдельных молекул, то могли бы и обратить второе начало. Но в реальности осуществлять такие наблюдения невозможно. Или, как пишет Максвелл, “мы для этого недостаточно умны”.

В 1871 году, через четыре года после того, как Максвелл предложил этот мысленный эксперимент в письме к Тэйту, он описал его снова в учебнике “Теория теплоты”. Вскоре после этого идея, похоже, попалась на глаза Уильяму Томсону, который изложил свои соображения в опубликованной в 1874 ^Г°ДУ статье, где назвал “крошечное существо” Максвелла “демоном”. Прозвище прижилось. Томсон, как и Максвелл, подчеркнул абсурдность демона, чтобы показать, что в реальном мире, где демонов не существует, теплота самопроизвольно перемещается лишь из горячей зоны в холодную, но не наоборот. Второе начало термодинамики было в безопасности.

Следующие шесть десятилетий демон Максвелла жил в относительной безвестности. Затем, в 1929 году, он вернулся, чтобы подразнить нас наличием возможной связи между информацией, энергией и энтропией. На этот раз его воскресил ученый Лео Сцилард, с которым мы уже встречались в пятнадцатой главе.

В 1929 году Сцилард жил в Берлине и вместе с Эйнштейном занимался разработкой безопасных холодильников. В своей докторской диссертации он также анализировал статистические основы термодинамики. Таким образом, Сцилард прекрасно понимал тему как с теоретической, так и с практической стороны. Демон Максвелла захватил его воображение. Но если Максвелл и Томсон считали демона способом проверить состоятельность второго начала термодинамики, то Сцилард считал, что он может быть полезен для изучения физики информации.

Сцилард упростил задачу, которую Максвелл поставил своему демону. В изначальном варианте мысленного эксперимента шотландец предположил, что демону придется снова и снова измерять скорость множества разных молекул, чтобы в итоге обратить вспять второе начало термодинамики. В статье с блестящим названием “Снижение энтропии благодаря вмешательству разумных существ” Сцилард заявил, что демону не обязательно выполнять столь грандиозную задачу, чтобы проворачивать свою шалость.

Двигатель, функционирующий благодаря единственной молекуле