Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Будучи не в силах ни поверить в столь дерзкие обещания демона, ни найти изъяна в его устройстве и функционировании, современники Максвелла поспешили попросту отмахнуться от созданного его воображением демона. Мало ли что можно навыдумывать! Раз не существует демон в природе, значит, и говорить не о чем. Клаузиус так прямо и заявил: меня, мол, интересует не то, что может сделать теплота с помощью демонов, а то, что она может сделать своими собственными силами. Австрийский физик Л. Больцман подверг сомнению саму возможность существования демона: «…если бы все температурные разности выравнялись, то не могло бы возникнуть и никакое разумное существо». Но отмахнуться не значит объяснить. «Разумность» вовсе не лежала в основе действия максвелловского демона. Он мог быть не обязательно живым и разумным существом, но и прибором, и машиной, и мембраной, наконец. Его конкретное исполнение не играло принципиальной роли. Максвелл предложил теоретическую схему, и следовало либо принять ее, либо найти в ней теоретический изъян.

Теперь мы понимаем: не зная фундаментальных основ процесса наблюдения, считая, что наблюдение «ничего не стоит», найти изъян в схеме максвелловского демона невозможно. И в этом разгадка того странного отношения к нему большинства ученых на протяжении целого полустолетия. Демона признавали, но не принимали всерьез. Да, мол, есть такой демон Максвелла, деятельность которого противоречит физическим законам, а в чем там именно дело, мы объяснить не можем. Но это так, умозрительный парадокс, причудливая игра гениального ума. Более осторожные намекали: эта научная фантазия дает-де образное представление о возможных будущих успехах знания. И за этими осторожными словами угадывались перспективы поистине фантастические: электростанции, которые вечно вырабатывали бы электроэнергию, не требуя топлива.

«Будущие успехи знания» были действительно не за горами, но, не оправдав утилитарных надежд на получение даровой энергии, они оказались чрезвычайно важными для науки, показав, что наблюдение и измерение — процессы необратимые, не могущие протекать без выделения тепла, то есть без возрастания энтропии…

С 1930-х годов начались попытки «изгнания демона»; разные ученые в разных странах непрерывно атаковали его с разных сторон. Прежде всего было обращено внимание на то, что «система, заключенная в оболочку, которая не допускает ни изменения объема, ни передачи теплоты и в которой температура и давление одинаковы в любой точке», наполнена излучением абсолютно черного тела. А это значит: внутри такой оболочки невозможно отличить лучи, испускаемые летающими молекулами, от лучей, испускаемых стенками. Чтобы демон мог видеть молекулы, они должны быть освещены извне, то есть система не должна находиться в равновесии…

Но демон тоже оказался не так прост. Намереваясь снабдить все человечество даровой электроэнергией, располагая, таким образом, неисчерпаемыми ее запасами, неужели он не решился бы ответвить часть ее, до того чтобы посветить самому себе?

Это усложнило задачу ученых. Одно дело изгнать демона простым логическим рассуждением: мол, слеп, значит, не действует, значит, говорить больше не о чем. И совсем другое, когда нужно расчеты делать, доход-расход определять, балансы подводить. Доказывать, что доход — энергия, полученная за счет разделения быстрых и медленных молекул, — обязательно будет меньше, чем расход, вызванный потерями. Поиски этих потерь оказались весьма плодотворными для науки.

Прежде всего было уяснено: заслонка — род храповика или анкерного механизма, — чтобы пропускать молекулы только в одну сторону, должна обязательно превращать механическое движение в тепловое, то есть должна выделять теплоту, должна генерировать энтропию за счет необратимого трения. Сам демон тоже должен быть принципиально необратимым механизмом. Ведь если в его теле нет необратимых потерь, его рука, к примеру, толкнув заслонку, начала бы совершать бесконечно долгие колебания. Остановить их можно было бы только включением звена, в котором есть трение. А органы чувств демона? Допустим, что все процессы в них полностью обратимы: тогда глаза демона должны быть либо абсолютно прозрачными и пропускать все падающие на них световые лучи, либо абсолютно зеркальными и полностью отражать их. Чтобы видеть, глаз — не только демона, но и любого живого существа или светочувствительного прибора — должен необратимо поглощать свет, превращая его в тепловое движение. Другими словами, глаз должен быть подобием абсолютно черного тела, поэтому всюду, где мы сталкиваемся со зрением, мы обязательно обнаруживаем черный зрачок. Даже если бы нам удалось осуществить фантастическую мечту и с помощью шапки-невидимки стать абсолютно прозрачными, мы, чтобы остаться зрячими, все равно должны были бы оставить черными зрачки глаз. Не случайно поэтому у почти невидимых аквариумных прозрачных окуней единственная окрашенная точка — это зрачок глаза.