Холодильник Эйнштейна

В силу этого в последние годы наблюдается всплеск интереса к связи информации с термодинамикой. Можно ли сказать, что она имеет исключительно практический характер и объясняется способом создания компьютеров и коммуникационных систем? Или же она на самом деле глубже? Если так, то каким образом столь призрачная вещь, как информация, которая включает в себя такие разнообразные понятия, как мысли, слова, музыка, изображения, фильмы и даже гены, может быть связанной с четко определенными физическими величинами, например энергией и энтропией? И всегда ли при обработке информации рассеивается теплота и увеличивается энтропия Вселенной?

Пионеры информационной эпохи не задавались такими вопросами. Подобно первым конструкторам паровых машин и холодильников, не понимавшим лежащую в основе функционирования этих аппаратов науку, создатели ранних вычислительных технологий плохо разбирались в фундаментальных принципах их работы.

* * *

В начале 1910-х годов “Американская телефонная и телеграфная компания”, или AT&T, переживала тяжелые времена. “Мамаша Белл”, как называли ее в народе, была основана тестем Александра Грэхема Белла в 1877 году, но к началу XX века уже не выдерживала конкуренции со множеством небольших предприятий, обеспечивающих местную телефонную связь в различных американских городах. Не желая сдавать позиции, руководство AT&T разработало план прокладки первой линии дальней телефонной связи, которая должна была соединить два побережья США.

С технологической точки зрения задача была грандиозной. Телефонный микрофон генерирует сложный сигнал — и не без нужды, ведь этот сигнал представляет собой электрическую копию множества разных звуков, из которых состоит речь. Наши голосовые связки создают колебания давления воздуха, которые микрофон пытается воссоздать в качестве колебаний электрического тока. Динамик преобразует последние обратно в колебания давления воздуха, то есть в звук. Трудностей здесь немало. Микрофон и динамик телефона искажают сигнал, как и соединительные кабели сети. Даже при использовании лучших проводов сила сигнала снижается по мере его движения по сети, и вскоре он растворяется в фоновом шуме, то есть в совокупности случайных электрических эффектов, которые осложняют движение сигнала по проводу. Здесь можно увидеть намек на связь информации с термодинамикой — в частности, с ее вторым началом. Хотя на заре XX века инженеры этого не понимали, процесс искажения сообщения, которое становится все более неразборчивым, сходен с процессом рассеяния тепла.

Чтобы решить задачу по прокладке линии дальней телефонной связи, AT&T наняла команду ученых, наставником которых был Роберт Милликен, ведущий американский физик, в 1923 году получивший Нобелевскую премию. Такая мудрая стратегия окупилась сполна, когда студенты Милликена усовершенствовали устройство, называемое электронной лампой. Это позволило телефонным мастерам спроектировать усилители сигнала, которые поддерживали приемлемо низкий уровень фонового шума. Теперь разговоры могли перемещаться на 5000 км по медным проводам, натянутым на линии из 130 тысяч деревянных столбов, идущей через всю Америку. 25 января 1915 года Александра Грэхема Белла попросили в рекламных целях повторить слова, которые он произнес 39 годами ранее в ходе первого в истории телефонного разговора со своим давним ассистентом Томасом Уотсоном. Тогда они находились в одном здании. Теперь Белл был в Нью-Йорке, а Уотсон — в Сан-Франциско. “Мистер Уотсон, идите сюда, вы мне нужны!” — сказал Белл.

“Доберусь через недельку!” — ответил Уотсон. В первой половине XX века электронные лампы стали краеугольным камнем телефонии и позволили наладить глобальную коммуникацию — как проводную, так и беспроводную — с использованием радиоволн.

Здесь можно провести аналогию с начальным периодом использования пара. Как мы помним, машины тогда были неэффективными и теряли значительно больше 90 % производимой теплоты. Не зная, как их усовершенствовать, люди просто сжигали больше угля. Применение электронных ламп подчинялось подобной логике, поскольку они не столько снижали уровень шума, сколько усиливали сигнал, чтобы звук не терялся. В обоих случаях инженеры накачивали в систему дополнительное количество энергии, чтобы компенсировать потерю основной ее части.