ДЕМОНЫ МАКСВЕЛЛА

Положение резко меняется, когда мы получаем возможность наблюдать за молекулами. Значение энтропии остается постоянным в среднем, но оно может испытывать так называемые флюктуации, то есть изменяться на короткое время с обязательным последующим восстановлением. То, что мы наблюдали, как раз и было такой флюктуацией. Мы воспользовались этим и заставили систему совершать механическую работу. Как бы ни мала была эта работа, ситуация совершенно ясна. Вряд ли кто-нибудь возразит против того, что результат наблюдений за физической системой суть информация. А коли так, мы с неизбежностью приходим к выводу, что, располагая информацией об изолированной физической системе, находящейся в состоянии равновесия, мы все же можем заставить ее совершить механическую работу. Причем, и это очень важно, для совершения механической работы совсем необязательно присутствие наблюдателя. С тем же успехом можно покрыть всю поверхность сосуда измерителями давления (их называют датчиками) и построить автоматическую систему, вдавливающую внутрь некоторый участок поверхности в тот момент, когда укрепленные на ней датчики фиксируют отсутствие давления.Подобные датчики и связанные с ними автоматы — это члены сейчас уже достаточно обширного семейства так называемых демонов Максвелла. Английский ученый Дж. Максвелл, размышляя о втором начале термодинамики, предложил модель, содержащую фантастические существа — демоны. Эти демоны способны не только видеть каждую молекулу, но и определять ее скорость. Один из демонов открывает дверку, пропуская только быстрые молекулы, а другой — только медленные. Такое устройство с демонами позволяет отделить быстрые молекулы от медленных, а значит, снизить энтропию.Дж. Максвелл рассматривал свою модель как доказательство хотя бы принципиальной возможности нарушения второго начала термодинамики.В настоящее время доказано, что получать информацию о какой бы то ни было системе невозможно без воздействия на эту систему. Получить информацию о скорости молекулы демон может, лишь подействовав на молекулу и тем самым изменив ее скорость. Нарушения второго начала не происходит. Но то обстоятельство, что получение информации связано с затратами энергии, а располагая такой информацией, можно совершить механическую работу, то есть получить какое-то количество энергии, не может не привести нас к выводу, что информация суть физическая величина, которую, во всяком случае в термодинамических системах, можно измерять количеством затраченной или полученной энергии (механической работы).

ИНФОРМАЦИИ РАБОТАЕТ

Энергия, полученная при выполнении механической работы, в свою очередь, зависит от энтропии. Когда энтропия максимальна, система не содержит информации. Но стоит энтропии уменьшиться, например, в результате флюктуации, появляется информация, которая может быть использована для совершения .механической работы. Можно высказать следующее предположение. В любой изолированной физической системе сумма энтропии и информации есть величина постоянная, равная максимально возможному для этой системы значению энтропии. Количество информации в таком случае равно разности между максимально возможным и фактическим значениями энтропии. Наконец, приняв максимально возможное значение энтропии за начало отсчета, можно сказать, что количество информации равно энтропии, взятой с обратным знаком. Ученые придумали даже специальный термин «негэнтропия», то есть отрицательная энтропия.Чего же мы достигли на данном этапе рассуждений? Главное — мы показали, что информация суть физическая величина. Если измерять ее в единицах энтропии, то такие измерения для одинаковых количеств информации будут давать один и тот же результат независимо от условий, в которых измерения проводятся.Мы определили энтропию как логарифм статистического веса. Однако, во всяком случае в таких системах, как объем с газом, энтропия может быть определена непосредственно через значения других физических величин. В частности, для объема с газом приращение энтропии численно равно приращению количества тепла при данной температуре. Следовательно, энтропию, а значит, и информацию можно измерить, измеряя температуру и количество тепла.Мы высказали предположение о том, что качество энергии есть не что иное, как ее информативность. Сейчас это предположение можно считать доказанным для тепловой и механической энергии. Даже больше того, мы показали, что никакой специальной тепловой энергии не существует. То, что принято называть тепловой энергией, — это на самом деле энергия беспорядочного механического движения молекул. Беспорядочного — значит лишенного информации. Стоит, однако, внести в систему какое-то количество информации, движение упорядочивается и энергия системы приобретает новое качество.С этой точки зрения энергию паровой струи следует считать механической энергией. Таким образом, например, в паровой турбине преобразование тепловой энергии в механическую происходит без посредства поршня. За счет специальной конфигурации котла, трубопровода и сопла беспорядочное движение молекул в котле преобразуется в упорядоченное движение молекул в струе, вылетающей из сопла. Колесо же лишь преобразует поступательное движение паровой струи во вращательное движение вала. Сказанное отнюдь не противоречит сделанным в первой главе утверждениям относительно роли информации в процессе преобразования тепловой энергии в механическую. Мы просто показали здесь, что информация, которая вводится в систему выбором конфигурации трубопровода и сопла, существует и на более ранних этапах.Механическая энергия отличается от тепловой более высоким содержанием информации (информативностью).Однако у нас нет никаких оснований утверждать то же самое применительно к электрической, химической и другим видам энергии. Частично мы это сделаем в последующих главах.Мы доказали, что информация, которую можно получить, наблюдая за шарами на бильярдном столе или за молекулами в баллоне с газом, суть физическая величина, предложили способ и единицу измерения этой физической величины. Но из всего сказанного здесь отнюдь не следует, что эта информация — то же самое, что и информация, получаемая в процессе отгадывания чисел или при чтении художественной литературы.Это тоже предстоит доказать, и мы сделаем попытку привести такое доказательство в дальнейшем. Однако на этом пути нас подстерегает одна трудность, к рассмотрению которой мы и переходим в следующей главе.На всем протяжении этой главы речь шла об информации. Ну а как же интуиция? Ограничимся пока замечанием, что, если бы демоны Максвелла все-таки могли нарушать второе начало термодинамики, они явно делали бы это на основании интуиции.

СПОР ГИГАНТОВ

СПОР ГИГАНТОВВ 1905 году А. Эйнштейн высказал гипотезу о двойной, корпускулярно-волновой, природе света. И соотношение неточностей Гейзенберга, и корпускулярно-волновая двойственность объектов микромира представляли собой существенное препятствие для всяких попыток создания теории атома. Стремясь преодолеть эти препятствия, Н. Бор сформулировал то, что он сам назвал принципом дополнительности.«С этой точки зрения, — писал Н. Бор, имея в виду принцип неточностей, — именно невозможность определения орбиты электрона в атоме создает необходимые условия для недвусмысленного определения энергии атома. Мы должны рассматривать невозможность определения орбиты как важный шаг вперед в нашем понимании атома».Корпускулярно-волновая двойственность означает, по мнению Бора, что сведения о положении частицы мы дополняем сведениями о ее скорости, а представление об электроне как частице — пониманием его как волны. «Как бы ни противоречили друг другу на первый взгляд эти явления, — доказывал Н. Бор, — следует понять, что они дополняют друг друга в том смысле, что, взятые вместе, они дают нам всю информацию об атомном объекте, которую можно выразить понятным языком, не прибегая к экивокам!»Появилось слово «информация», и читатель наконец-то понял, зачем понадобилось ворошить события, происходившие в 20-х годах нашего века. Согласно Н. Бору знать окружающий нас мир можно лишь на основе дополнительности, то есть полная картина явления получается в том случае, если сведения о положении дополняются сведениями о скорости. Но одновременное точное знание. положения и. скорости запрещено принципом Гейзенберга. Значит, такая картина, состоящая из двух взаимодополняющих друг друга частей, по необходимости ограничена и ставит предел в познании даже самых простых вещей.Подобное утверждение противоречит самому духу физики, которая неизменно продвигалась вперед и для которой препятствия в понимании того или иного явления служили лишь указаниями на то, в каком направлении надо сконцентрировать усилия. Этого не мог не чувствовать Н. Бор. Отсюда и сама сущность его формулировки принципа дополнительности: объяснить мир — это значит сформулировать ряд физических законов, которым подчиняются все наблюдаемые явления.В октябре 1927 года состоялась пятая физическая конференция Сольвеевского института. Обратясь к Н. Бору с просьбой рассказать о науке познания и ее основах, устроители конференции предоставили ему полную возможность высказаться по поводу принципа дополнительности.После доклада Н. Бора со своего места поднялся А. Эйнштейн. Ему не нравилась неопределенность. Он не желал отказываться от реальности, Он не считал, что дополнительность является приемлемым или необходимым решением. «Слабость теории заключается в том, что, с одной стороны, невозможны более тесные связи С волновой концепцией, а с другой стороны, она оставляет на волю случая время и направление элементарных процессов», — подытожил он свое выступление.Спор А. Эйнштейна и Н. Бора продолжался в кулуарах на протяжении всей конференции. На центральный вопрос: можно ли с помощью квантовой механики исчерпывающе описать наблюдаемое явление — А. Эйнштейн уверенно ответил: нет!— Я глубоко убежден, — сказал он, — что статистический характер квантовой теории связан с тем, что теория имеет дело с неполным набором величин, необходимых для описания физических систем.