Информация или интуиция?

ЭНЕРГИЯ И ЭНТРОПИЯ

К середине XIX века считалось, что причина движения найдена и получила свое название — это энергия. Энергия есть способность материальной системы совершать работу. Энергия не может взяться из ничего и не может исчезнуть. Этот закон, ставший краеугольным камнем здания классической физики, был открыт еще в XVIII веке великим М. Ломоносовым.Во вселенной разлит определенный запас энергии (все полно демонов?). Каждая материальная система также обладает некоторым запасом энергии. Обладать запасом энергии значит быть способным совершать работу, в частности, двигаться. Энергия может переходить из одной формы в другую. Уже известны такие формы, как механическая, химическая, электрическая. Но главная форма энергии, конечно же, тепловая. Именно в этой форме постоянно, бесплатно и в огромных количествах поставляет энергию Солнце. К тому же век пара и электричества — это в первую очередь век паровых машин или, как их вежливо называют в учебниках физики, тепловых двигателей.Казалось бы, все ясно. Но не тут-то было! Энергия обусловливает способность материальной системы совершать движения, это верно. Но энергия не есть причина этих движений. Вот на вершине горы лежит камень. Этот камень обладает потенциальной энергией. Чем тяжелее камень и чем выше гора, тем больше запас потенциальной энергии. Но этот камень почему-то не падает вниз. А другой камень, может быть, даже меньших размеров и, соответственно, с меньшим запасом потенциальной энергии, вдруг покатился вниз, да еще увлек за собой целую лавину камней.Так в чем же причина движения? Вопрос этот мучил многих. Размышлял над ним и немецкий ученый Р. Клаузиус. Всем, кто строил и исследовал тепловые двигатели, был хорошо известен следующий факт. Тепло охотно переходит от нагретого тела к холодному и никогда не переходит в обратном направлении. Если в стакан, налитый до половины холодной водой, долить кипятку, кипяток и холодная вода перемешаются и вся вода в стакане постепенно приобретет одинаковую температуру. При переходе тепла от нагретого тела к холодному может быть совершена работа. Наоборот, если имеются два тела с одной и той же температурой, то нагреть одно из них и охладить другое можно, только затратив определенное количество работы.Заинтересовавшись этими фактами, Р. Клаузиус заметил и нечто другое. Тепловую энергию можно преобразовать в механическую, электрическую или химическую. При этом на единицу затраченной тепловой энергии будет получена в точности единица энергии другого вида — никаких потерь здесь не происходит. Но если снабдить некоторую материальную систему запасом, скажем, химической или электрической энергии и затем предоставить эту систему самой себе, то в ней начнутся различные, подчас очень сложные преобразования и в конце концов, если не вся, то большая часть электрической или химической энергии перейдет в тепловую.Подметил Р. Клаузиус и многое другое. Высокие остроконечные горы постепенно, хотя для этого требуются целые геологические периоды, осыпаются, становятся более пологими. Ущелья, напротив, заполняются осадочными породами. Реки мельчают, заболачиваются. Извилистые русла рек постепенно спрямляются. Какой бы прочный дом вы ни построили, он постепенно разрушится. Создается впечатление, что все процессы в природе каким-то образом направлены.Р. Клаузиус ввел новую физическую величину, чтобы как-то оценить подобные преобразования, и назвал ее энтропией. Для всякой материальной системы энтропия — это мера близости системы к состоянию равновесия. Если система находится в состоянии равновесия, в ней невозможно движение, а энтропия ее максимальна. Например, если в некотором сосуде заключена жидкость и в любой точке внутри сосуда температура этой жидкости одна и та же, то, как уже говорилось, тепло не сможет переходить из одной области сосуда в другую. Работа внутри такого сосуда, обусловленная тепловыми процессами, совершаться не может, а энтропия системы «сосуд с жидкостью» будет максимальной.Повторим еще раз, потому что это очень важно. Пусть имеется материальная система, обладающая любым сколь угодно большим запасом Энергии и не взаимодействующая с другими системами. Если, однако, энтропия этой системы равна своему максимально возможному для данной системы значению, никакая работа внутри системы совершаться не может. Иначе говоря, если в данной системе вообще возможны некие процессы, которые мы определяем как процессы преобразования, или эволюции, то они неизбежно заканчиваются при достижении энтропией своего максимально возможного значения.И наоборот, пусть некая материальная система характеризуется некоторым значением энтропии, не равным максимально возможному для этой системы значению. Величина, показывающая, сколько не хватает до максимально возможного значения энтропии, и есть в определенном смысле мера способности системы совершать внутри себя работу. С другой стороны, эта величина равна разности между некоторым постоянным значением энтропии (для данной системы) минус реальное значение энтропии. Можно условиться принимать постоянную за начало отсчета, то есть за нуль. Тогда мера способности системы совершать работу будет представлять собой реальное значение энтропии, взятое со знаком «минус». Мы просим читателя как следует запомнить только что сказанное. В дальнейшем нам удастся прийти к довольно неожиданному выводу.Первоначально энтропию определяли для тепловых систем, причем полагали, что изменение энтропии пропорционально изменению количества тепла при данной температуре. Тот факт, что тепло всегда переходит только от более нагретого тела к менее нагретому, теперь можно сформулировать иначе: все самопроизвольные процессы в тепловых системах происходят всегда в сторону возрастания энтропии. Это утверждение, впервые высказанное Р. Клаузиусом, получило название второго начала термодинамики в отличие от первого начала — закона сохранения энергии, гласящего, что энергия не может возникнуть из ничего или исчезнуть бесследно.Уже отмечавшиеся нами наблюдения, а также многие-многие другие привели к выводу, что область действия второго начала термодинамики отнюдь не ограничивается тепловыми двигателями. Стало ясно, что так же, как и закон сохранения энергии, второе начало термодинамики или, как его иначе называют, закон неубывания энтропии, является фундаментальным физическим законом, справедливым для всех без исключения материальных систем.Размышления над вторым началом термодинамики привели к довольно жуткой картине — так называемой тепловой смерти вселенной. Действительно, раз тепло всегда переходит лишь от более нагретого тела к более холодному, рано или поздно во всей вселенной должна установиться одна и та же температура — звезды погаснут, а планеты нагреются, прекратятся все процессы и, конечно, жизнь во всех ее проявлениях. И что самое обидное, общего количества энергии, то есть способности совершать работу, в такой уравновешенной вселенной будет ровно столько же, сколько сейчас или, скажем, несколько миллиардов лет тому назад. Способность к движению сохранится, а вот причина, побуждающая систему к движению, исчезнет. К счастью, на самом деле все обстоит не так трагично. Правда, доберемся мы до объяснения истинного положения вещей лишь к самому концу книги.Пока что нам стало ясно одно: причина движения, которую тщетно искали ученые, начиная с самых древних времен, найдена, Современная наука утверждает: причина движения суть физическая величина, получившая название энтропии и взятая с обратным знаком. Чем дальше система от состояния равновесия, чем меньше истинное значение энтропии по сравнению с максимально возможным — тем больше движения может совершиться в такой системе.Правда, здесь снова возникает вопрос. Многочисленные адепты самых разнообразных религий также претендовали на то, что они знают, в чем причина движения. Эту причину они усматривали, смотря по вкусу, в божестве, божествах, демонах, вселенской идее или вселенском разуме, как у Аристотеля и Платона. В конце концов бог или демон — это всего лишь слова. Может быть, и энтропия — всего лишь слово, пришедшее на смену устаревшему и мало убедительному понятию вселенского разума?Нет, это не так. Оказывается, отталкиваясь от первого и второго начал термодинамики, чисто формально производя одни лишь математические преобразования, можно вывести практически все законы классической физики. История физики знает и весьма яркие примеры использования закона неубывания энтропии в достаточно далеких на первый взгляд областях. Всем известно, например, что М. Планк открыл свой знаменитый закон квантования энергии, положивший начало квантовой физике, и ввел новую фундаментальную физическую константу — постоянную Планка, — исследуя процессы излучения черного тела. Однако мало кто знает, что М. Планк проделал все это, рассуждая о том, как возрастает энтропия в системе, состоящей из черного тела и излучателей энергии. Так что понятие энтропии и закон, которому подчиняется эта физическая величина, позволяют не только объяснить уже известные физикам явления, но и предсказать новые, которые действительно затем обнаруживаются в природе. А это и есть лучшее доказательство справедливости физических утверждений.Универсальность понятия энтропии потребовала и другого определения, более общего, чем определение через количество тепла и температуру. Развитие статистической физики позволило очень быстро найти такое определение. Величину энтропии, характеризующую данное состояние материальной системы, стали определять как логарифм вероятности для системы принять это состояние.Произнеся слово «вероятность», мы не можем не высказать здесь ряд дополнительных соображений. В природе совершаются события, о которых принципиально можно узнать лишь очень немногое. Например, вся мощь современной науки и техники не позволяет определить точку, в которую попадет артиллерийский снаряд после выстрела. Можно лишь приближенно указать некую площадь земной поверхности, в пределах которой заключена эта точка. С другой стороны, имеется возможность с достаточной степенью точности предсказать, как будет выглядеть эта площадь после, скажем, ста выстрелов, произведенных без изменения прицела. Выполнить это нам помогает наука — теория вероятностей. А с точки зрения информации можно отметить, что в определенных условиях наше знание о явлениях природы приобретает довольно своеобразную форму: почти ничего не зная об отдельных явлениях, мы можем знать достаточно много о массе таких явлений, если они совершаются в неизменяющихся условиях.Эта книга посвящена информации, ее свойствам и связанным с нею закономерностям. Во второй половине XX века получила бурное развитие техника переработки информации. Мы не станем затрагивать здесь вопросы этой переработки, поскольку даже самое поверхностное их рассмотрение требует отдельной книги. Наша задача состоит в другом: вскрыть единство информационных процессов, совершающихся в самых различных искусственных и естественных системах. Подобные процессы, как правило, оказываются заложенными в самой основе физических явлений. Поэтому читателя не должно смущать, что подчас мы не будем достаточно долго произносить слово «информация».Мы намерены показать, что, казалось бы, совершенно бессмысленная игра в вопросы и ответы, которой мы отвели столько места в начале главы, имеет самое непосредственное отношение не только к принципу действия тепловых двигателей, но и к описанию процессов, происходящих, например, в столь экзотических астрономических объектах, как черные дыры. Однако все это потребует от читателя соответствующей подготовки.В этой главе мы еще почти ничего не сказали ни об информации, ни об интуиции. Задача здесь состояла в том, чтобы ввести читателя в круг понятий, с которыми мы будем иметь дело в дальнейшем. И все же было сделано одно утверждение, проливающее уже достаточно яркий свет на природу информации: качество энергии, сказали мы, определяется ее информативностью.