В реальности, где живут физики, поселились демоны. Не те, что с рогами и копытами, а те, что живут в формулах и мысленных экспериментах. В 1814 году один ученый создал монстра, который видел все наперед. Через 50 лет другой физик придумал существо, способное обращать время вспять. А потом появился третий — маленький демон с дверцей, который едва не разрушил второй закон термодинамики. Почти 200 лет наука пыталась приручить эту троицу. И только сейчас исследователи начинают понимать, что демоны не нарушали законы природы — они показали дорогу в другой мир.
Демон, который знал все
В 1814 году французский ученый Пьер-Симон Лаплас задумался над простым вопросом. Если законы Ньютона работают для падающего яблока, можно ли применить ту же логику ко всему остальному? Он предложил представить некий «интеллект» — позже это существо назовут демоном, — который обладает идеальным знанием.
Этот гипотетический демон знает положение и скорость каждой частицы во Вселенной. Он понимает все законы природы. Для него не существует неопределенности. Он может рассчитать будущее любой галактики, любой песчинки и любого человека до конца времен. «Будущее, как и прошлое, предстало бы перед его глазами», — писал Лаплас.
Такая идея больно бьет по нашему самолюбию. Если у Вселенной есть готовый план, где же тогда свобода воли? Выходит, мы просто идем по рельсам, не замечая этого, а наше ощущение выбора — лишь побочный эффект собственного незнания?
К счастью, с этим демоном физики разобрались довольно быстро. Они нашли как минимум две причины, по которым такое существо никогда не сможет появиться.
Первая проблема — скорость света. Теория относительности Эйнштейна запрещает передавать информацию быстрее этого порога. Допустим, где-то на краю галактики происходит событие, которое повлияет на Землю через миллион лет. Демон Лапласа должен знать о нем прямо сейчас, чтобы вычислить наше будущее. Но информация об этом событии просто не успела до него долететь. Она путешествует со скоростью света и прибудет только через миллион лет. Значит, демон живет в прошлом и не может знать всего.
Вторая проблема оказалась еще серьезнее. В 1920-х годах родилась квантовая механика, и она разрушила лапласовскую картину мира до основания. Оказалось, невозможно точно знать, где находится частица и куда она движется, в один и тот же момент. Это не баг приборов, а фундаментальное свойство природы. Демон может знать только вероятность. Он не в силах подсмотреть за каждой песчинкой.
Мир оказался не набором бильярдных шаров, которые катятся строго по линиям, а огромной волной вероятностей. Даже если демон сможет уследить за всеми возможными вариантами развития событий, он не узнает, какой из них случится на самом деле.
Демон, который развернул время
Второй демон появился в разгар промышленной революции. Ученые пытались понять природу тепла и беспорядка. Австрийский физик Людвиг Больцман придумал, как объяснить энтропию — свойство Вселенной скатываться в хаос. Замки из песка рассыпаются, лед тает, металл ржавеет. Больцман считал, что если присмотреться к отдельным молекулам газа в комнате, то можно увидеть причину этого беспорядка.
Но его коллега Йозеф Лошмидт усомнился в этом подходе. В 1876 году он предложил простой, но убийственный мысленный эксперимент. Представьте, что Вселенная замерла на месте. У каждой молекулы есть положение и направление полета. А теперь, сказал Лошмидт, давайте развернем направление каждой частицы в обратную сторону. Позже этот эксперимент назвали демоном Лошмидта, хотя сам ученый никаких демонов не придумывал.
Этот сценарий породил настоящую головную боль у физиков. На уровне частиц ничего страшного не происходит. Законы физики не нарушаются. Но если мы отвлечемся от микромира и посмотрим вокруг, то увидим ужас: лужи сами собой собираются в идеальные кубики льда, разбитые чашки склеиваются, мир начинает проигрываться задом наперед.
Вопрос, который поставил Лошмидт, звучал издевательски: если на микроуровне так легко обратить время вспять, почему в нашей большой жизни время течет только вперед?
В 1950-х годах физик Эрвин Хан попытался проверить эту идею. Он воздействовал радиоволнами на атомы водорода в молекулах воды и заставил их на мгновение крутиться в унисон. Энтропия системы временно понизилась. Создалось впечатление, будто время пошло вспять. Но как только Хан выключил передатчик, атомы снова рассыпались в хаотичном танце.
Оказалось, энтропия не железный закон, а статистическая закономерность. Системы могут становиться упорядоченнее, но лишь на очень короткое время. Почему же хаос побеждает всегда? Потому что Вселенная родилась в невероятно аккуратном состоянии. Энтропия была низкой, все детальки лежали на своих местах. С тех пор у нее только один путь — в сторону разрушения. Испортить идеальный порядок можно миллионом способов, а улучшить его — почти никак.
Демон Лошмидта теоретически может развернуть каждую частицу. Но он плывет против течения. Законы вероятности против него. Кстати, именно спор с Лошмидтом заставил Больцмана пересмотреть свои взгляды и создать знаменитое уравнение, которое теперь высечено на его надгробии.
Самый хитрый демон
Третий и самый знаменитый демон появился раньше всех — в 1867 году. Его придумал шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Он тоже интересовался вторым законом термодинамики, но подошел к проблеме с другой стороны. Что, если не перематывать Вселенную назад, а вмешаться в ее работу, молекула за молекулой?
Максвелл предложил представить ящик с газом, разделенный перегородкой с маленькой дверцей. Возле дверцы сидит крошечное существо — позже физик Уильям Томсон назвал его демоном. Это существо умеет открывать и закрывать дверцу. Оно следит за молекулами. Быстрые (горячие) молекулы пропускает в одну сторону, медленные (холодные) — в другую.
Со временем в одной половине ящика соберутся только быстрые частицы, в другой — только медленные. Температура в отсеках станет разной, а значит, появится энергия, которую можно использовать. Но второй закон термодинамики говорит, что тепло не может само переходить от холодного тела к горячему без затрат работы. Демон Максвелла делал именно это. Он словно создавал энергию из ничего.
Сначала физики искали простые отговорки. Может, демон тратит энергию, когда открывает дверцу? Но в теории эти затраты можно сделать сколь угодно маленькими. Парадокс оставался.
Тогда ученые заподозрили, что платить приходится не энергией, а чем-то другим. Демон должен запоминать, где какая молекула находится. Ему нужна память. И вот тут кроется главный секрет.
В 1920-х годах венгерский физик Лео Сцилард упростил эксперимент до предела. В ящике летает всего одна молекула. Демон и с ней может совершать полезную работу. Но чтобы понять, где молекула находится, демон должен потратить энергию на наблюдение.
Окончательную точку поставил физик Рольф Ландауэр из IBM в 1960-х годах. Он объяснил: чтобы работать дальше, демону нужно очищать память. А процесс стирания информации неизбежно выделяет тепло и повышает энтропию. Закон термодинамики спасен.
Но самое интересное открытие ждало ученых впереди. Оказалось, информация — это такой же физический ресурс, как уголь или нефть. Знание о системе чего-то стоит. При правильных условиях информацию можно использовать как топливо.
Сегодня демон Максвелла превратился в талисман новой области науки. Инженеры создают «информационные двигатели», которые работают на стыке энергии и знания. В 2024 году исследователи собрали квантовую версию двигателя Сциларда прямо внутри квантового компьютера. Вместо демона они использовали микроволновые импульсы. Эти импульсы отсеивали энергичные кубиты от вялых и создавали разницу энергий. Получилась батарейка.
До зарядки смартфона такими методами пока далеко. Но ученые верят: крошечные квантовые моторы смогут двигать частицы или переключать состояния кубитов, используя информацию как горючее.
Получается, демона Максвелла не изгнали. Он возродился. Только теперь он не нарушает законы физики, а показывает нам обходные пути, по которым природа позволяет превращать знание в силу.
Три воображаемых чудовища проверяли на прочность наши теории и интуицию. Демон Лапласа пал жертвой квантовой неопределенности. Демон Лошмидта проиграл статистике и вероятностям. А демон Максвелла стал символом новой технологической эры, где информация правит миром. Физики не против таких демонов — они помогают двигать науку вперед.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости