«Из этого следует, что идея о рассеивании энергии исходит из объема наших знаний. Доступная энергия — это энергия, которую мы можем направить в любое желаемое русло. Рассеянная энергия — это энергия, на которую мы не можем наложить свои руки и направить по своему усмотрению — к примеру, это энергия спутанного перемещения молекул, которое мы называем теплом. Таким образом, беспорядок, как и соответствующий ему термин «порядок», являются не качествами материальных вещей как таковых, а существуют только в уме, который эти вещи воспринимает».
И Максвелл продолжает: «Книга заметок при условии, что она ведется аккуратно, не будет казаться беспорядочной человеку неграмотному или ее владельцу, который отлично ее понимает. Но для любого другого человека, который умеет читать, она покажется необъяснимо запутанной. Аналогично и понятие рассеянной энергии не может быть доступно существу, которое не может преобразовать ни одну из природных энергий себе на пользу, или тому, который может проследить движение каждой молекулы и захватить ее в нужный момент. Только существо в промежуточной стадии, которое может использовать определенные виды энергии, в то время как остальные от него ускользают, может считать, что энергия неизбежно переходит из доступной формы в рассеянное состояние».
Демон Максвелла смеется нам в лицо: второй закон термодинамики можно обойти, если только мы окажемся для этого достаточно умны. Вот только мы не настолько умны.
Изгнание этого демона стало основной темой научной картины Вселенной 20 века. Если только с концепцией демона Максвелла все в порядке, единственное, что стоит между нами и вечным движением — это наша собственная глупость. Просто потому, что смертные недостаточно умны, мы обречены в поте лица зарабатывать себе на жизнь.
Но есть ли цена, которую придется заплатить за то, чтобы стать такими же умными, как и демон Максвелла?
Глава 2. Отсеивание информации
Демон должен быть изгнан. Первые десятилетия 20 века стали одной длинной чередой побед идеи, что материя состоит из атомов и молекул. Идеи Максвелла и Больцмана, касающиеся статистического поведения больших скоплений подобных атомов и молекул, были подтверждены, несмотря на определенное сопротивление, которое оказалось для Больцмана столь фатальным.
В конце 19 века споры о существовании атомов все еще были настолько ожесточенными, что проблему демона Максвелла можно было до поры до времени оставить в покое. Но чем дальше мы продвигаемся к 20 веку, тем яснее становится, что с этим демоном у нас серьезная проблема. В конце концов, оказалось, что имеется проблема со вторым законом термодинамики — то есть если бы мы имели достаточно знаний о мире, все было бы так, как мы хотим. Но как нам известно, все совсем не так.
Венгерский физик Лео Сцилард в 1929 году выдвинул отличный вопрос: можно ли знать все о мире, не меняя его. Ответ был простым: нет, нельзя.
В документе под устрашающим названием «Об увеличении энтропии в термодинамических системах при влиянии мыслящих существ» Сцилард задался вопросом о цене обретения знаний и о том, сможет ли такая цена «спасти» второй закон от демона Максвелла.
Лео Сцилард сам дал ответ на собственный вопрос. Он выяснил, что цена знания для спасения второго закона была бы слишком высокой. Если вы хотите быть таким же умным, как и демон Максвелла, вам придется конвертировать огромное количество энергии, а, следовательно, создать огромное количество энтропии в противовес накоплению знаний. Демон получает свое преимущество, наблюдая за абсолютно каждой молекулой, будучи готовым закрыть отверстие немедленно. Но подобное преимущество перевешивается его ценой: чтобы быть готовыми закрывать и открывать заслонку между двумя камерами в нужный момент, нам придется изучить движение всех без исключения молекул. Так что нам придется измерить все частицы. А это имеет свою цену. Сцилард объясняет: «Можно предположить, что процедура изменения будет фундаментально связана с производством определенного среднего количества энтропии — и это восстановит соответствие со вторым законом».
Данная оригинальная идея существенно повлияла на науку этого столетия — от теории информации и компьютерных наук до молекулярной биологии.
Физики были в восхищении: демон был изгнан. Он работает только потому, что кое-что знает о мире — и это знание имеет высокую цену. С этого времени историки науки выступили вперед на поле научных баталий: «Почему Максвелл об этом не подумал?» Эдвард Е. Дауб задал этот вопрос в 1970 году в журнале истории и философии науки. Он ответил: «Потому, что его демон являлся созданием его теологии».
Теология Максвелла, установил Дауб, происходила от Исаака Ньютона, основателя современной физики. Ньютон говорил о Боге, который видит, слышит и понимает все «не совсем как человек, не материально, способом, который нам полностью не известен. Подобно тому, как слепой человек не имеет представления о цвете, мы не имеем представления о том, каким образом всемудрый Бог воспринимает и понимает все происходящее», — написал Ньютон.
Сцилард отринул божественное. «Демон Максвелла не был смертным, — написал Дауб, — так как он был создан по подобию Бога. И как Бог, он может видеть, не глядя, и слышать, не слушая. Если говорить коротко, он может получать информацию, не тратя при этом энергию. В общем, Сцилард сделал максвелловского привратника смертным».
Анализ демона Максвелла, который выполнил Лео Сциллард, начался с изучения знания как части физического мира — озарение, как нечто, имеющее цену; измерения как материальное действие; ощущения как акт метаболизма; знание как работа; термодинамика мышления; внутренняя жизнь разума, связанная с его физической сущностью.
Исключительно значимое событие в истории человеческого знания. Важная веха в восприятии человеком его окружения и самого себя.
И еще более примечательно то, что анализ Сциларда в конечном итоге оказался неверным. С помощью его аргументов невозможно изгнать демона. Они не выдерживают критики, несмотря на то, что в них верили около полувека — вплоть до 1982 года.
«Это одна из великих загадок социологии науки — почему этот очевидно неадекватный аргумент был столь широко и некритично принят, — написал в 1989 году физик Рольф Ландауэр, добавляя с едва скрытым нетерпением: — Лишь в последние годы появились четкие обсуждения, но они еще не получили широкого одобрения».
Ландауэр, который работает в исследовательских лабораториях IBМ в Йорктаун Хайз, Нью Йорк, сам является одной из ведущих фигур, стоявших за озарениями, которые привели к окончательному изгнанию демона. Его провел коллега Ландауэра по IBM Чарльз Беннет в 1982 году.
Изменение, получение информации не будут стоит ничего. Цену будет иметь избавление от этой информации. Знание не имеет цены. А мудрость — имеет.
Как это часто бывало в истории науки, неверное заключение оказалось исключительно плодовитым. Анализ Лео Сциларда не выдерживает критики, но от этого становится не менее интересным, ведь Сциларду удалось во многом ухватить самую суть проблемы.
На самом деле Сцилард вовсе не писал о том, что ему удалось изгнать демона Максвелла. Он пишет, как процитировано выше, «мы можем предполагать», что процесс измерения будет стоить нам выработки определенного количества энтропии — определенное количество существующей энергии станет недоступным. Он показывает далее, что количество произведенной энтропии будет по меньшей мере равно тому количеству энергии, которое будет произведено благодаря действиям демона, вооруженного своими знаниями.
Так что на самом деле Сцилард предполагает, что измерение будет иметь свою цену в форме возрастания энтропии. Но он этого не доказывает.
Но не так много людей заметили то, что озадачило Ландауэра. Каким образом аргумент Сциларда мог приниматься в течение половины столетия, если на самом деле он был неверным? Одна из главных причин этого, безусловно, тот факт, что способность демона опровергнуть один из самых фундаментальных законов физики казалась несколько обескураживающей. Второй закон был настолько фундаментальным для физики, что было ясно как день — демон Максвелла попросту не мог работать. Потому что, если бы он работал, мы смогли бы построить различные виды вечных двигателей и получать теплый воздух из морозного ночного воздуха. Так что никому не приходило в голову усомниться, что что-то здесь было не так — а Сцилард оказался опытным физиком, который обеспечил элегантный аргумент в пользу этого мнения.