Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Тепловыделение, генерирование энтропии должно сопровождать работу не только глаза, но и всех других органов чувств. Чтобы видеть, слышать, осязать, обонять, живое существо в органах чувств должно выделять теплоту, должно генерировать энтропию. Работа органов чувств животного, как и работа приборов, выполняющих такие же функции, немыслима без протекающих в них необратимых процессов и обязательно сопровождающего такие процессы тепловыделения. И в органах чувств тепловыделение не потеря, а непременное условие, без выполнения которого их действие в принципе невозможно.

В 1929 году венгерский физик Л. Сцилард обнаружил у максвелловского демона еще один источник потерь. Сцилард обратил внимание на такую деталь: чтобы открывать и закрывать заслонку, демону мало увидеть подлетающую молекулу. Ему еще надо отличить быструю молекулу от медленной, чтобы перед первой распахнуть заслонку, а перед второй — захлопнуть. Так вот, для такого различения демон должен сравнить скорость подлетающей молекулы с некоторой цифрой, обозначающей как бы водораздел между быстрыми и медленными молекулами. Чтобы сохранить эту цифру и сравнивать с ней значения скорости подлетающих молекул, демону требуется память, то есть следы былых изменений, зафиксированные в мозгу благодаря выделению теплоты, благодаря генерированию энтропии. Выходит, демон Максвелла должен быть одновременно и демоном Лапласа. Но даже и это еще не все. Для успешного выполнения задачи, заданной ему некогда Максвеллом, демон должен быть еще и метрологом…

В самом деле, откуда демон может узнать, какова скорость подлетающей к нему молекулы? Быстрая она или медленная? Очевидно, он должен произвести измерение скорости. А это измерение требует тем больше работы, чем больше требуемая точность. И вся эта работа должна быть необратимо превращена в теплоту в процессе измерения…

Э-э-э! Да это не демон, а целая лаборатория! И все это нагорожено ради того только, чтобы пропустить или не пропустить через отверстие одну-единственную молекулу! Тут считать да считать, и никто не даст никакой гарантии, что все эти расчеты — достаточное основание для надежного изгнания демона.

К счастью, во всех этих расчетах нет необходимости. Демон действительно невозможен, но совсем по другим причинам, чем те, которые выдвигались. Ключ к его изгнанию дал сам Максвелл, который некогда писал: «Лишь только мы начинаем видеть раздельно молекулы, тепло разрешается в движение», причем в движение обратимое, очищенное от потерь на трение и теплообмен. Если демон состоит из таких же атомов и молекул, в его теле «тепло тоже разрешается в движение». Он тоже оказывается полностью обратимым механизмом, и как таковой не в состоянии ни видеть, ни слышать, ни запоминать, ни пошевелить рукой.

Сделать все это он смог бы лишь в том случае, если бы он состоял из частиц, размер которых во столько раз меньше размера молекул, во сколько молекула меньше человека. По данным английского физика Фурнье Дальба, размеры этих частиц должны быть примерно в 10¹⁰ раз меньше, чем молекулы. А это означает, что в таком случае демон Максвелла принадлежал бы совершенно иному миру — инфрамиру, как называл его Дальб. Если бы в этом, подчеркиваем, гипотетическом мире существовало, если так можно выразиться, инфратепловое движение, демон мог бы обрести зрение, ибо стали бы возможны необратимые процессы, необходимые для работы органов чувств. В таком мире можно было бы и получать работу от системы, которая нам представляется находящейся в термодинамическом равновесии. Вопрос только в том, возможен ли такой мир. Ведь тогда можно предположить и существование «супра-мира», для обитателей которого планеты все равно что для нас молекулы. Они могут считать: никакой энергии нельзя получить от движущихся крохотных на их взгляд планет, от которых мы получаем энергию запросто — например с помощью приливных станций, использующих энергию вращения Луны вокруг Земли.

Хотя демон Максвелла изгоняется не тем путем, который рисовался многим ученым, их исследования оказались очень важными для науки, заложив основу современной теории информации. Но поразительнее всего то, что в результате их многолетних усилий лишь постепенно прояснялась картина, которую русский физик Н. Умов ясно представлял себе еще в 1901 году. В своей статье «Физико-механическая модель живой материи» он писал:

«Без затухания, без излучения, словом — без рассеяния энергии, ни один орган не мог бы исполнять своего назначения и не мог бы иметь прочного существования. Если бы световые вибрации сохранялись в сетчатой оболочке нашего глаза, мы имели бы постоянно возрастающее ощущение блеска и в результате — отсутствие отчетливости ощущений и слепоту. То же самое мы могли бы сказать и о барабанной перепонке, если бы в ней сохранялась энергия звуковых волн, падающих на нее в течение нашей жизни…