Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Все это было так естественно и так очевидно, что никому в голову не приходило никаких сомнений. Считалось, что изучаемый объект — это одно, а наблюдатель — другое. Что процесс измерения никак не влияет на поведение изучаемой системы. Что в крайнем случае это влияние можно устранить с помощью приборов или исключить путем вычислений. Искусственность симбиоза движений, происходящих в изучаемых системах, и времени, текущего в мире наблюдателя, не вылезала наружу на протяжении многих лет. Поэтому ученые подспудно укрепились в мнении, что уравнения классической механики дают ценные практические результаты вполне закономерно, что за искусственность симбиоза расплачиваться не придется, что она никогда не даст о себе знать и не принесет никаких неожиданностей в будущем.

Вот почему открытия в области молекулярной и атомной физики, которыми ознаменовалось наступление XX века, произвели впечатление разорвавшейся бомбы. Оказалось: уравнения классической механики давали отличные практические результаты только потому, что энергия изучаемых механических движений в неисчислимое множество раз превышала энергию, необходимую для их наблюдения. Но энергия движения молекул, атомов и электронов сопоставима с энергией, необходимой для наблюдения. Поэтому в молекулярной или атомной физике каждое наблюдение искажает состояние системы и аннулирует добытые ранее значения других величин… Вот почему анализ процесса измерения в физике XX века выдвинулся на одно из первых мест и привлек к себе внимание крупнейших физиков как в нашей стране, так и за рубежом.

Тем большее изумление вызывает проницательность знаменитого шотландца Джеймса Максвелла, который еще в 1871 году, во времена абсолютного господства классических представлений, предугадал, какими удивительными парадоксами чревато убеждение в том, что нет принципиальной разницы между наблюдением макроскопических и микроскопических тел, между наблюдением за движением футбольных мячей и молекул…

Когда в 1911 году на Первом Сольвеевском съезде в Брюсселе Мария Кюри-Склодовская упомянула о демоне Максвелла, никто из участников съезда не выразил никакого удивления. За сорок лет ученые привыкли к этому странному воображаемому существу, которое, пребывая в полном одиночестве, не уставало тем не менее бросать вызов многочисленной научной рати. И вызов этот был не по мелочам, не шуточный: демон Максвелла брался сделать то, что по всем физическим законам сделать было невозможно! Он брался в неограниченном количестве получать работу от любой системы, находящейся в термодинамическом равновесии, в том самом «мертвом состоянии инерции», в котором энтропия достигает максимума, а время исчезает.

Но предоставим слово самому Максвеллу:

«Одним из наиболее точно установленных фактов в термодинамике является следующий: в системе, заключенной в оболочку, которая не допускает ни изменения объема, ни передачи теплоты, и в которой температура и давление одинаковы в любой точке, невозможно добиться неравномерности температуры или давления без затраты работы… Но если мы вообразим себе разумное существо, способности которого настолько обострены, что оно может следить за путем каждой молекулы, то такое существо, обладая качествами столь же существенно ограниченными, как и наши собственные, могло бы делать то, что в настоящее время для нас невозможно. Ведь мы знаем, что в сосуде, заполненном равномерно нагретым воздухом, молекулы движутся со скоростями далеко не равномерными, хотя средняя скорость любого произвольно взятого большого их количества будет почти точно равномерной. Теперь давайте представим себе, что сосуд разделен на две части А и В перегородкой, в которой есть маленькое отверстие) и что существо, которое может видеть отдельные молекулы, открывает и закрывает это отверстие, пропуская только наиболее быстрые молекулы из части А в часть В, и только самые медленные молекулы из части В в часть А. Оно, таким образом, будет повышать температуру в части В и понижать в части А без затраты работы…»

Выходит, маленький, не требующий никакого питания и снабжения демон только за счет замечательной тонкости и остроты чувств может обратить время вспять, может получать работу за счет теплового движения, содержащегося в атмосфере, океане и земной коре, сделав ненужным свет и тепло солнца, уголь и нефть, гидроэлектростанции. Короче говоря, маленький демон, придуманный Максвеллом, мог противостоять необратимости, ибо острота его чувств побеждала поистине космические последствия трения и теплообмена!