Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Рис. 9.10.

Двигатель Сциларда. По строкам сверху вниз: (1) одна молекула в коробке в тепловом контакте со стенками; (2) в момент внесения перегородки молекула может оказаться в правой или левой половине; (3) на основе информации о нахождении молекулы совершается выбор типа «0 или 1»: подсоединить механизм (например, лебедку) с одной или другой стороны коробки, чтобы молекула, сдвигая перегородку до упора, совершала полезную работу; (4) после завершения движения перегородка убирается; (5) система возвращается в исходное состояние «одна молекула в целой коробке в тепловом контакте со стенками».

Сцилард предложил эту схему в 1929 г.; общее ожидание состояло скорее в том, что такая штука не должна заработать, но требовались конкретные объяснения, почему именно. Прежде всего нужна осторожность при перенесении привычных макроскопических понятий на микроуровень. По объективным причинам здесь смешиваются понятие информации как абстракции (один бит – уменьшение нашего незнания вдвое, т. е. выбор «между 0 или 1», между левой и правой половинами коробки в данном случае) и свойства носителей этой информации, и даже свойства процессов, необходимых для обработки информации. Любые логические операции с информацией, они же вычисления, – это преобразования одной последовательности нулей и единиц («бит») в другую по тем или иным правилам. Но преобразуемые биты должны быть представлены (записаны) каким-то физическим способом – хотя бы в виде неких конфигураций минимального числа молекул. Логические преобразования, которым подвергается информация, имеют физическую сторону: соответствующие конфигурации молекул необходимо определенным образом менять. Немедленно возникает вопрос: какова в идеале минимальная энергетическая цена, которую надо платить за обработку информации? Ваш компьютер тоже платит энергетическую (а вы – денежную) цену за обработку информации: он греется тем сильнее, чем активнее вычисляет, т. е. выполняет эти самые логические операции; но сейчас речь идет об абсолютно идеализированных системах, а потому и об абсолютном минимуме энергозатрат, ниже которого опуститься нельзя в силу законов природы. Выяснилось, что необратимые логические операции (такие, по результату которых нельзя сказать, каковы были входные данные) с необходимостью требуют рассеяния некоторой энергии – перевода ее в тепловую форму, что означает увеличение энтропии. Коль скоро вычисления содержат необратимые операции, демон терпит поражение: тратит на обработку информации больше, чем выигрывает. Но к началу 1980-х гг. появилось понимание, что обработка информации возможна без логически необратимых шагов, что «отменяло» неизбежность рассеяния некоторого количества энергии в тепло. Демон снова приободрился. К этому моменту, надо сказать, он окончательно превратился из «сознательного» субъекта в некоторое подобие специализированного компьютера – что только способствовало ясности рассуждений[185]. Информацию о положении молекулы слева или справа он может получать, используя «очень слабый свет» (фотоны крайне низкой энергии) и тратя на это исчезающе мало энергии; команду, управляющую «лебедкой», он тоже может сформировать практически без энергозатрат.