Чтение онлайн

С позиций такой теории «частиц в движении» представлялось возможным, чтобы поток тепла не прекратился и после достижения теплового равновесия.

Представьте себе, например, два сосуда с газом, соединенных узкой трубкой. Вся система находится в тепловом равновесии. Это значит, что средняя энергия молекул в любой достаточно заметной порции газа (не меньшей, скажем, чем можно разглядеть в микроскоп) равна средней энергии любой другой достаточно заметной его порции.

Это не значит, что энергии всех до единой молекул одинаковы. Среди них есть молекулы, движущиеся быстро, есть движущиеся очень быстро и даже движущиеся необыкновенно быстро. Есть и медленные молекулы, и очень медленные, и очень-очень медленные. Однако здесь царит полнейший хаос и отчаянная давка. Более того, они еще и сталкиваются друг с другом миллионы раз в секунду, так что скорость и энергия каждой из них постоянно меняются. Поэтому всякая достаточно заметная порция газа имеет свою справедливую долю и быстрых, и медленных молекул, а в результате — и ту же температуру, какую имеет всякая другая достаточно заметная порция.

Но что, если — пусть это будет редкая случайность — несколько молекул высокой энергии вдруг перешло бы по соединительной трубке из правого сосуда в левый, а несколько молекул низкой энергии — из левого в правый? Тогда левый сосуд нагрелся бы, а правый охладился (хотя общая средняя температура осталась бы той же самой). Итак, несмотря на тепловое равновесие, возник бы поток тепла и энтропия понизилась бы.

На самом деле есть некоторая бесконечно малая вероятность (невообразимо близкая к нулевой), что это случится просто благодаря хаотическому движению молекул. Разницей между «нулем» и «почти-почти-почти нулем» в практике можно пренебречь, но с точки зрения теории она колоссальна; так вот, по теории «тепловой жидкости» возможность переноса при температурном равновесии равна нулю, а по теории «частиц в движении» она равна «почти-почти-почти нулю».

Максвеллу нужен был какой-то эффектный драматический образ, для того чтобы эта разница стала предельно выпуклой.

Вообразите, сказал Максвелл, что в трубке, соединяющей сосуды с газом, сидит крошечный демон. Пусть он пропускает быстрые молекулы только справа налево, а медленные — только слева направо. Тогда быстрые молекулы соберутся в левом, а медленные — в правом сосуде. Левый сосуд нагреется, а правый охладится. Энтропия повернет вспять.

Если, однако, теплота представляет собой непрерывную текучую жидкость, то «демон Максвелла» ничего подобного сделать не сможет. Так Максвелл успешно упразднил расхождение между теорией «тепловой жидкости» и теорией «частиц в движении».

Демон Максвелла, кроме того, дал возможность уйти от роковой неизбежности возрастания энтропии. Как я уже объяснял в предыдущей главе, возрастание энтропии означает увеличение беспорядка, истощение, износ.

Коль скоро энтропия обязана непрерывно и безудержно повышаться, везде во Вселенной когда-то должна установиться одна и та же температура. В таких условиях жизнь, как всякое движение, невозможна (разумеется, это более чем далекое будущее). Некоторые представители человеческого рода воспринимают это почти как посягательство на их личное бессмертие. Поэтому существует сильная психологическая потребность не признавать, что энтропия должна расти.

В демоне Максвелла сторонники этой точки зрения находят опору своей позиции. Конечно, демона не существует, но его главная функция заключается в умении выбирать между движущимися молекулами. Научные возможности человечества все расширяются, и может прийти день, когда оно создаст какое-нибудь устройство, выполняющее функцию демона Максвелла. Неужели человечество не сможет тогда понизить энтропию?

Увы, в этом рассуждении есть изъян. Мне больно говорить это, но Максвелл сплутовал. В присутствии демона газ нельзя считать самостоятельной изолированной системой. Полная система состоит в этом случае из газа и демона. В процессе выбора между быстрыми и медленными молекулами повышение собственной энтропии демона с избытком перекрыло бы то небольшое понижение энтропии, которое он произвел бы в газе.

Я, конечно, понимаю: вы сильно сомневаетесь в том, что я когда-нибудь действительно занимался изучением каких бы то ни было демонов, не говоря уже о демоне специальной, максвелловской разновидности. Тем не менее я убежден в истинности своего утверждения, ибо каждый кирпичик всего здания человеческой науки требует, чтобы энтропия демона вела себя именно так.

И если человек изобретет когда-нибудь устройство, которое будет выполнять функцию демона, вы можете биться об заклад, что повышение энтропии этого устройства будет больше понижения энтропии, которое ему удается осуществить. Это как раз тот случай, когда можно смело спорить на что угодно.

Энтропию нельзя понизить, и это просто факт. Никто и никогда ни при каких обстоятельствах не измерил понижение энтропии и не доказал, что в конечном счете оно произошло в какой-либо независимой части Вселенной.

Но в строгом смысле понятие энтропии применимо только к проблемам, связанным с потоками энергии. Можно дать ее точное математическое определение через количество теплоты и температуру и везде, где речь идет о теплоте и температуре, точно измерить ее. Что же произойдет, если мы выйдем за рамки этих случаев и распространим понятие энтропии на другие явления? Тогда энтропия потеряет строгий научный смысл и станет лишь довольно расплывчатой мерой упорядоченности или грубым мерилом общих свойств всех стихийных изменений.

Но можно ли хотя бы здесь, за пределами строгих количественных связей, построить рассуждение, которое доказало бы, что где-то произошло то, что мы называем понижением энтропии в широком смысле этого слова?

Вот пример, приведенный моим другом в одном довольно горячем споре. Он сказал:

«Как только мы покидаем мир энергии, понижение энтропии идет как ни в чем не бывало. Люди это делают все время. Вот большой толковый словарь Уэбстера. В нем вы найдете все слова шекспировского „Гамлета“ и „Короля Лира“, расположенные в особом порядке. Шекспир взял эти слова, разместил их в ином порядке и создал свои пьесы. По-видимому, слова в пьесах являют собой более высокую и более значительную степень порядка, чем слова в словаре. Значит, в каком-то смысле здесь произошло понижение энтропии. А где соответственное повышение энтропии в самом Шекспире? Создавая свои пьесы, он ел столько же и тратил столько же энергии, сколько потратил бы, бражничая все это время в таверне „Русалка“».

Боюсь, здесь мой друг припер меня к стене. Поэтому мне пришлось снова прибегнуть к своей старой уловке, особенно удобной, когда нужен выход из такого безнадежного положения. Я переменил тему разговора.

Но с тех пор я не раз мысленно возвращался к этому вопросу. Так как я чувствую (интуитивно), что повышение энтропии — всеобщая необходимость, то мне, по-видимому, следовало бы построить какое-нибудь доказательство того, что закон возрастания энтропии приложим и к творчеству Шекспира.