Роман Бабкин - Информационный Завет. Основы. Футурологическое исследование

Однако, по мысли Максвелла, если в резервуаре окажется некий хитрый механизм или таинственное существо (тот самый демон), то всё пойдёт не так. Более того: случится нечто противоположное. Демон (исключительно из присущего ему от рождения вредного характера) начнёт сортировать пролетающие мимо молекулы. Горячие отправит к таким же горячим, а холодные – к холодным. В результате одна половина резервуара со временем будет нагреваться, а другая – охлаждаться. Очевидно, Второе начало термодинамики (фундаментальный закон Природы, как-никак) нарушается 22 .

Что хотел показать Максвелл этим парадоксом? Он привлёк внимание к вероятностной природе теплового обмена. Никакого демона, конечно, нет, зато есть вероятность того, что горячие молекулы соберутся в одной половине резервуара, а холодные – в другой. Расчёты показывают, что она ничтожна мала, но не является нулевой. Раз так – значит, вредный демон может существовать и нарушать законы мироздания.

Парадокс потребовал значительного интеллектуального напряжения. Лишь спустя 62 года он был успешно объяснен физиком Лео Силардом ( Leo Szilard ). Ключ к объяснению состоит в том, что демон рассматривается не как часть резервуара с газом, а как часть системы «резервуар – внешняя среда». При этом, чтобы выполнять свою работу, он должен что-то «кушать». Т.е. получать энергию из внешней среды. Тогда, увеличивая температуру внутри резервуара, демон уменьшает её за его пределами. Таким образом, действие Второго начала термодинамики сохраняется 30 .

«Демон Максвелла» обнажил ограниченность научных знаний. Гипотетический эксперимент показал, что значение информационного обмена в законах Природы следует переосмыслить.

Как вообще возможен демон Максвелла? Откуда берётся, пускай, бесконечно малая вероятность самопроизвольного (без внешнего подвода энергии) нагревания газа в резервуаре?

Совершенно не случайно для демонстрации парадокса Максвеллом был выбран образ демона. Демон – мыслящее существо. Или, как сказали бы мы сейчас, существо информационное.

Чтобы делать свою работу правильно, демон должен обладать информацией. Т.е. уметь определять, какие молекулы горячие, а какие – холодные. Молекул в газе много, и работы у демона много. Каждая операция сортировки, каждое вмешательство демона – новая порция информации для него. Когда работа демона будет окончена, температура в резервуаре станет максимально высокой, а сам он – переполнен максимальным количеством информации. Следовательно, между энергией и информацией есть какая-то связь.

Именно это имел в виду Максвелл, когда воображал своего демона. Мера информации связана с энергетическим обменом. Чем больше информации, тем больше энергии. И наоборот. Чтобы описать систему с высокой температурой (т.е. там, где молекулы движутся очень быстро), нужно создать много информации. Описание системы, содержащей мало энергии, требует минимального количества информации. В любом случае получается, что информация – это такая же фундаментальная сущность, как и энергия.

Максвелл был очень продуктивным учёным. Сегодня он больше известен своими фундаментальными работами по классической электродинамике. На разработку теории информации, где он мог достичь не меньших высот, вероятно, просто не хватило времени. Однако вывод о глубокой взаимосвязи информации и энергии – первый важный шаг в понимании истинной природы информации – не был забыт.

Через девять лет после «демона Максвелла» мир побеспокоил «демон Лошмидта». Случилось это при следующих обстоятельствах.

Выдающийся учёный, профессор математики Людвиг Больцман ( Ludwig Boltzmann ) в 1872 году опубликовал свою знаменитую H -теорему. Её суть сводилась к тому, что в любой замкнутой системе со временем энтропия (неупорядоченность) возрастает и достигает максимума в состоянии равновесия. Строго говоря, теорема относилась к термодинамическим системам, т.е. описывала поведение материи и энергии на макро-уровне (например, объём любого газа или жидкости). Взаимодействие между элементами системы на микро-уровне (между атомами и молекулами газа или жидкости) не учитывалось. Это допущение было обозначено как гипотеза молекулярного хаоса 2 . Такое же предположение сделал Максвелл, когда придумывал своего демона.

Больцман обоснованно полагал, что вероятность того, что термодинамическая система будет вести себя так, как будто в неё вселился демон Максвелла, крайне мала. Поэтому его H -теорема вполне могла претендовать на некий универсальный закон Природы – закон возрастания энтропии 3 . Позже была предложена формула для этого закона: