Купить Джим Аль-Халили Парадокс. Девять великих загадок физики

Посмотреть изображения на сайте продавца

835 ₽

Добавить в корзину

* Цена актуальна на 08.09.2019 22:32.
Конечная стоимость товара может отличаться от заявленной
уточнить цену и наличие на сайте интернет магазина

Купить Джим Аль-Халили Парадокс. Девять великих загадок физики в интернет магазинах по следующим ценам

* Цены актуальны на 08.09.2019 22:32.
Конечная стоимость товара может отличаться от заявленной.

Для того чтобы приобрести продукт по цене дешевле, чем в обычных магазинах, Вам нужно перейти по ссылке "Купить Джим Аль-Халили Парадокс. Девять великих загадок физики". Перед покупкой Вы сможете уточнить наличие и проверить цену на сайте интернет магазина. Вы так же сможете выбрать удобный способ доставки товара(пункт выдачи, почта России и другие) и использовать различные варианты оплаты товара, наиболее удобные для Вас. Информацию о различных способах доставки и оплаты Вы сможете узнать на сайте интернет магазина, после перехода по ссылке

Описание товара

На протяжении всей истории человечества ученые выдвигали идеи и разрабатывали теории, которые сначала казались попросту бессмысленными. Такие феномены называются "парадоксами". Парадоксы, о которых рассказывает эта книга, взяты из физики и астрономии, они ставили в тупик многих величайших интеллектуалов. Например, может ли кот одновременно быть и жив, и мертв? Почему Ахилл никогда не обгонит черепаху, независимо от того, как быстро он будет бежать? Каким образом человек может оказаться на.. подробное описание на сайте интернет продавца

12+
Автор: Аль-Халили Джим
Переводчик: Бандура Оксана
Редактор: Гринчик Н.
Издательство: Питер, 2016 г.
Серия: Pop Science

Аннотация к книге "Парадокс. Девять великих загадок физики"

На протяжении всей истории человечества ученые выдвигали идеи и разрабатывали теории, которые сначала казались попросту бессмысленными. Такие феномены называются "парадоксами". Парадоксы, о которых рассказывает эта книга, взяты из физики и астрономии, они ставили в тупик многих величайших интеллектуалов. Например, может ли кот одновременно быть и жив, и мертв? Почему Ахилл никогда не обгонит черепаху, независимо от того, как быстро он будет бежать? Каким образом человек может оказаться на десять лет старше собственного брата-близнеца? Прочитав эту книгу, вы познакомитесь с некоторыми поразительными научными изысками, открывшимися человеческому познанию. Читать книгу Парадокс. Девять великих загадок физики - Джим Аль-Халили.

Привет, Хаброжители! Мы начали издавать новую серию книг «Pop Science», обзор которых мы сделали на Geektimes .
Здесь мы представим отрывок из книги:

Парадокс Ферми можно сформулировать так.

Поскольку Вселенная настолько велика, ее размеры настолько необъятны и в одном только Млечном Пути светят сотни миллиардов звезд, многие из которых имеют вокруг себя планетар-ные системы, то в случае, если Земля не является в высшей степени нетипичным местом в том, что касается условий для развития жизни, Вселенная должна кишеть такими планетами, в том числе населенными разумными цивилизациями. Многие из них должны иметь технологии, позво-ляющие путешествовать в космосе, и к настоящему моменту они уже должны были посетить нас.
Где же они все в таком случае?

Для Ферми было очевидным, что если наша Солнечная система не уникальна в том, что содержит (хотя бы) одну обитаемую планету, то у инопланетных цивилизаций, имеющих минимальные амбиции по экспансии и достаточно развитые космические технологии, было достаточно времени, чтобы к настоящему моменту колонизировать всю Галактику. Вместе с другими учеными они рассчитали, что любому виду достаточно будет 10 миллионов лет, чтобы сделать это. Хотя это может показаться довольно длительным периодом времени и несколько произвольным значением, важно отметить, что это всего лишь крошечная часть (в этом случае одна тысячная) возраста нашей Галактики, и не забывайте, что вид Homo sapiens появился всего лишь около 200 000 лет назад.

Таким образом, данный парадокс можно свести к следующим двум вопросам.

1. Если жизнь не является чем-то особенным, то где же все остальные?
——2. Если же является, то как вышло, что Вселенная настроена настолько тонко, что жизнь смогла возникнуть только на Земле?

Если подумать о способности жизни возникать и процветать на нашей планете даже в самых суровых условиях, то почему жизнь не может зародиться на других планетах, подобных Земле? Возможно, проблема заключается не в распространении зародившейся жизни, но в первую очередь в ее изначальном появлении. Прежде чем мы выясним, смогли ли ученые разрешить этот парадокс и множество сопутствующих вопросов, вкратце рассмотрим несколько решений, предлагаемых чаще всего.

1. Инопланетяне существуют и на самом деле уже посетили нас . Этот первый вариант я отброшу на том законном основании, что у нас нет никаких заслуживающих доверия фактов, поддерживающих фантастические иллюзии любителей НЛО и конспирологов. Несмотря на это, многие люди продолжают пребывать в уверенности, что пришельцы уже прилетали к нам на своих тарелках: то ли несколько тысяч лет назад заскочили ненадолго, чтобы построить пирамиды, то ли все еще находятся среди нас, похищая невинных жертв, чтобы проводить над ними причудливые эксперименты.

2. Инопланетяне существуют, но не вступают с нами в контакт . Есть множество причин, почему успешная и развитая внеземная цивилизация может предпочесть никак не сообщать нам о своем существовании. К примеру, возможно (в отличие от нас), они не хотят дальше расселяться по Галактике или предпочли бы оставить нас в покое до тех пор, пока мы не разовьемся достаточно, чтобы заслужить членство в галактическом клубе. Несомненно, эта версия предполагает, что все инопланетные цивилизации мыслят сходным с нами образом.

3. Мы просто ищем не в том месте . Мы прислушиваемся к сигналам из космоса уже 50 лет и должны были к настоящему моменту услышать хоть что-нибудь. Но, возможно, нам стоит поискать в какой-то определенной области неба или настроить наши приемники на нужную частоту, или эти сигналы и сообщения уже достигли нас, но мы не смогли их расшифровать.

4. Жизнь в других местах регулярно уничтожается . Возможно, мы не ценим привилегированное положение Земли. Может быть, в других солнечных системах существуют пригодные для жизни планеты, но они регулярно испытывают катастрофы планетарного, звездного или галактического масштаба (ледниковые периоды, кометы и метеоры, крупные звездные вспышки или гамма-всплески). В местах, где такие события происходят часто, жизни не хватит времени, чтобы развился разумный вид, способный к космическим путешествиям. Или верно обратное: условия на других планетах настолько комфортны, что жизнь не претерпевает периодов массовых вымираний, которые, как считается, необходимы для того, чтобы обеспечить биоразнообразие и тем самым привести к появлению разумных видов.

5. Саморазрушение . Некоторые предполагают, что вся разумная жизнь во Вселенной неизбежно уничтожает сама себя либо путем войны или эпидемии, либо разрушая свою среду обитания примерно в то время, когда она становится достаточно развитой технологически, чтобы путешествовать в космосе (если это правда, нам это не предвещает ничего хорошего).

6. Пришельцы просто слишком… чужие . Мы склонны считать, что инопланетяне должны быть похожи на нас, иметь технологии, подобные тем, которые мы предполагаем развить в будущем. Хотя у нас есть основания думать так, поскольку вся жизнь должна следовать одним и тем же законам физики и быть ими же ограниченной, может оказаться, что нам просто не хватает воображения, дабы понять разумную жизнь, существенным образом отличающуюся от нас. Разумеется, я не имею в виду, будто мы думаем, что они должны быть похожи на пришельцев из кино, но мы склонны предполагать, что это будет углеродная форма жизни, имеющая глаза и конечности и общающаяся посредством обмена звуковыми волнами.

7. Мы по-настоящему одиноки во Вселенной . Возможно, условия, необходимые для появления какой-либо жизни, встречаются настолько редко, что это случилось лишь в очень небольшом количестве мест, и Земля - единственная планета, на которой развилась разумная жизнь, способная обуздать природу таким образом, чтобы иметь возможность посылать сигналы о нашем существовании в глубины Вселенной. Или наша планета действительно стала единственным местом, где вообще возникла жизнь.

Вышеописанные варианты - всего лишь предположения и при этом по большей части не очень обоснованные. Сам Ферми считал, что где-то в Галактике может существовать разумная жизнь, однако расстояния между звездами слишком огромны и, учитывая барьер скорости света, дорога заняла бы слишком много времени, следовательно, ни одна цивилизация не сочла бы визит к нам достойным таких усилий.

Чего Ферми не учел, так это того, что мы можем узнать о существовании технически развитых инопланетян, даже если они никогда не покидали родной планеты. В конце концов, мы заявляем Галактике о своем присутствии на протяжении почти столетия. С тех пор как мы начали использовать радио и телевидение для передачи информации по миру, часть наших сигналов просачивается в космос. Инопланетная цивилизация, живущая в нескольких десятках световых лет от нас, которой придет в голову направить свои радиотелескопы на наше Солнце, заметит необычайное количество слабых, но достаточно сложных радиосигналов, свидетельствующих о том, что на одной из планет в этой системе есть жизнь.

Учитывая, что мы считаем законы физики одинаковыми во всей Вселенной, а также что одним из простейших и универсальнейших средств передачи информации являются электромагнитные волны, следует ожидать, что любая технически развитая цивилизация на каком-то этапе своей жизни будет использовать это средство связи. А в этом случае какие-то ее сигналы должны просочиться в окружающий космос, распространяясь по Галактике со скоростью света.

Прошло совсем немного времени, и астрономы XX века начали рассматривать возможность прослушивания сигналов из космоса с помощью недавно изобретенных радиотелескопов. Серьезный же поиск внеземной жизни начался с одного человека.

Дрейк и его уравнение

Первым настоящим охотником за внеземными цивилизациями стал астроном Фрэнк Дрейк, работавший в Национальной радиоастрономической обсерватории в Грин Бэнк, штат Западная Виргиния. В 1960 году он поставил эксперимент по поиску признаков жизни в отдаленных звездных системах путем прослушивания электромагнитных сигналов в радиоволновом диапазоне. Проект получил название «Озма» - в честь принцессы Озмы, правительницы Изумрудного города страны Оз из книги Фрэнка Баума.

Дрейк направил свой радиотелескоп на две близлежащие солнцеподобные звезды - Тау Кита и Эпсилон Эридана, расположенные соответственно в 12 и 10 световых годах от Земли. Обе звезды казались подходящими кандидатами для того, чтобы вокруг них вращались обитаемые планеты. Он настроил антенну на прием сигналов определенной частоты, соответствующей довольно специфическому электромагнитному излучению, испускаемому водородом - самым легким, простым и распространенным элементом во Вселенной, что делало его наиболее вероятным вариантом выбора для инопланетной цивилизации, желающей дать о себе знать. Дрейк записывал данные и тщательно проверял их на наличие какого-либо сигнала поверх фонового шума. Спустя несколько месяцев изучения записей, сделанных на протяжении многих часов, единственный интересный сигнал оказался сигналом летевшего очень высоко самолета. Но Дрейк не разочаровался. Он никогда не забывал, что процесс поиска подобен покупке лотерейного билета: если бы что-то нашлось, он считал бы себя счастливчиком.

Неудача не остановила Дрейка, и в следующем году он организовал первую конференцию SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence - программа поиска внеземного разума), пригласив на нее всех знакомых ему ученых, заинтересованных в предмете на тот момент (их было всего 12).

Дрейк разработал математическую формулу для расчета в нашей Галактике числа цивилизаций (N), чьи радиосигналы можно уловить с Земли. Он вывел это значение путем умножения семи чисел. Получившееся уравнение, названное его именем, выглядит следующим образом:

N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L.

На самом деле уравнение довольно легко объяснить. Я пройдусь по значениям всех символов и укажу в скобках значение, которое Дрейк подставил в свои первые расчеты, так что вы увидите, как он получил конечный результат. Символ R* означает количество но-вых звезд, формирующихся в Галактике каждый год (Дрейк предположил, что это значение равно 10 звездам в год). Символ fp обозначает долю звезд, имеющих планетарные системы (0,5); ne - число планет в каждой звездной системе, условия на которых пригодны для жизни; fl, fi и fc обозначают соответственно долю планет, пригодных для жизни, на которых действительно развивается жизнь (1); долю обитаемых планет, на которых развивается разумная жизнь (0,5); долю цивилизаций, развившихся до технического уровня, позволяющего им посылать в космос уловимые сигналы, сообщающие об их присутствии (1). Наконец, L соответствует периоду времени, на протяжении которого эта цивилизация продолжает посылать в космос уловимые сигналы (10 000 лет). Умножив эти семь чисел, Дрейк получил ответ N = 50 000.

Это внушительное число подчеркивает проблему парадокса Ферми. Однако насколько можно доверять этому значению? Разумеется, ему совершенно нельзя доверять. Даже если бы этих семи чисел было достаточно, значения, приписанные ряду из них, были взяты с потолка. Первые три символа (R*, fp и ne) зависят от величин, которые не были известны полвека назад, но теперь благодаря прогрессу в конструкции телескопов мы начинаем приближаться к их точным значениям. В частности, этому поспособствовало недавнее открытие множества планет за пределами нашей Солнечной системы, называемых внесолнечными планетами.

Однако следующие три множителя представляют собой вероятности, имеющие отношение к появлению разумной и способной к контакту жизни. Каждый из них может принимать практически любое значение от 0 (невозможно) до 1 (наверняка). Дрейк выбрал крайне оптимистичные цифры. Он считал, что если на какой-то землеподобной планете имеются подходящие условия, то появление жизни неизбежно (fl = 1). А если жизнь зародилась, вероятность возникновения разумного вида равна 50 % (fi = 0,5). Если же такой вид появился, он определенно дойдет в своем развитии до разработки технологии, включающей отправку электромагнитных волн в космос (неважно, сознательно это посылаемые сообщения или нет) (fc = 1).

Но числовые значения мало что значат. Уравнение Дрейка имело куда большее значение, чем просто оценка числа инопланетных цивилизаций в нашей Галактике. Оно открыло всемирную охоту за сигналами из космоса, которая не заканчивается и по сей день.

Проект SETI

Аббревиатура SETI обозначает ряд проектов, осуществляемых по всему миру уже много лет и направленных на активный поиск вне-земных сигналов. Мы прислушиваемся к потенциальным сигналам из космоса, передаваемым с помощью электромагнитных волн, с тех самых пор, как ученые поняли, как посылать и принимать сигналы. Один из первых таких случаев восходит к концу XIX века.

В 1899 году, занимаясь изучением атмосферного электричества во время грозы в своей лаборатории в Колорадо-Спрингс и используя при этом свой недавно собранный высокочувствительный приемник, электротехник и изобретатель сербского происхождения Никола Тесла обнаружил слабые сигналы, идущие группами, образующими числовой код из одного, двух, трех и четырех «гудков», которые, как он был уверен, брали начало на Марсе. Свое эмоциональное состояние, вызванное этим открытием, Тесла описал в интервью журналу в 1901 году:

«Никогда не забуду то первое чувство, когда я осознал, что наблюдаю явление, которое, возможно, будет иметь огромные последствия для всего человечества… Увиденное, безусловно, меня испугало, словно передо мной было нечто загадочное, если не сказать сверхъестественное… [Электрические сигналы] были периодическими и носили столь явный характер упорядоченной последовательности чисел, что не могли быть вызваны ни одной известной мне в то время причиной… Спустя некоторое время я осознал, что наблюдаемые мной возмущения могли быть посланием разумного существа».

Хотя Теслу критиковали за такие заявления, загадка обнаруженных им сигналов так и осталась без ответа.

Первым серьезным поиском возможных радиосигналов от разумных инопланетян стал краткосрочный проект, реализованный в Америке в 1924 году. В то время все еще считалось, что наиболее вероятным домом внеземной цивилизации является наш сосед Марс и что, если марсиане собираются вступить с нами в контакт, они сделают это в тот момент, когда две планеты окажутся максимально близко друг к другу. Это происходит во время так называемого противостояния, когда Земля проходит между Марсом и Солнцем. Одно из таких противостояний случилось между 21 и 23 августа 1924 года, когда Марс приблизился к Земле ближе, чем за последние несколько тысяч лет (этот рекорд был побит в августе 2003 года, а в следующий раз это произойдет в 2287 году). Ученые решили, что, если марсиане существуют, они используют это противостояние для передачи сигналов на Землю. Военно-морские силы США восприняли эту идею достаточно серьезно, чтобы огласить «национальный день радиотишины», попросив граждан по всей стране выключать радиоприемники на пять минут в начале каждого часа в течение 36-часового периода прохождения Марса около Земли. В Военно-морской обсерватории США, расположенной в Вашингтоне, радиоприемник был поднят на высоту 3 км на дирижабле, и все военно-морские базы страны получили команду отслеживать радиоволны в поиске чего-либо необычного. Но они не услышали ничего, кроме атмосферных помех и сигналов частных радиостанций, не соблюдавших режим радиотишины.

Именно после первоначального проекта Фрэнка Дрейка движение SETI стало разворачиваться по-настоящему, распространяя свои поиски далеко за пределы Солнечной системы. Чтобы вы поняли, насколько сильно радиотелескопы уже расширили доступный нам диапазон, две звезды, на изучении которых Дрейк сосредоточился в 1960 году, находятся на расстоянии примерно 10 световых лет от нас - это в два миллиона раз дальше, чем Марс. Это как если бы вы приставили к стене стакан, чтобы послушать, о чем говорит сосед, и, не услышав ничего, решили вместо этого попробовать подслушать разговор в Нью-Йорке, находясь при этом в Лондоне. Очевидно, критически важным моментом было определить, куда именно направить антенну радиотелескопа.

Институт SETI в Калифорнии был основан в 1984 году, а спустя несколько лет стартовал проект «Феникс» под руководством астронома Джилл Тартер, ставшей прообразом главной героини романа Карла Сагана «Контакт». В период между 1995 и 2004 годом в рамках проекта «Феникс» с помощью радиотелескопов, расположенных в Австралии, США и Пуэрто-Рико, осуществлялось наблюдение за 800 солнцеподобными звездами, расположенными в пределах 200 световых лет от Земли. Но ничего так и не обнаружили. Правда, проект стал надежным источником информации, необходимой для исследования возможности существования инопланетной жизни. Вместе с коллегой-астрономом Маргарет Тернбулл Джилл Тартер составила каталог ближайших звезд, которые потенциально могут иметь планетарные системы, где может обнаружиться жизнь (так называемые потенциально обитаемые звезды). Каталог, известный как HabCat, в настоящее время содержит 17 000 звезд, большинство из которых находится в пределах нескольких сотен световых лет от Земли и имеет подходящие свойства и характеристики, чтобы вокруг них могли вращаться планеты земного типа.

В 2001 году соучредитель компании «Майкрософт» Пол Аллен согласился профинансировать начальный этап строительства новой антенной решетки в рамках проекта SETI. Ее назвали антенной решеткой Аллена (Allen Telescope Array, ATA); строительство все еще продолжается в нескольких сотнях миль на северо-восток от Сан-Франциско. В готовом виде она будет состоять из 350 антенн (каждая 6 м в диаметре), работающих сообща. Первый этап строительства закончился в 2007 году, когда к работе были подготовлены 43 антенны, но в начале 2011 года проект приостановили из-за урезания государственного финансирования исследований. Вскоре после этого была организована инициативная группа для сбора средств среди частных инвесторов, готовых помочь. Подписались тысячи человек, в том числе кинозвезда Джоди Фостер, сыгравшая роль персонажа Джилл Тартер в голливудской экранизации романа «Контакт» Карла Сагана. По некоторым причинам все это греет мне душу.

Никто не собирается сдаваться, серьезный поиск внеземных цивилизаций только начинается. На сегодняшний день мы тщательно изучили всего несколько тысяч звезд в ограниченном диапазоне частот электромагнитного спектра. С помощью антенной решетки Аллена планируется исследовать 1 миллион звезд в пределах 1000 световых лет. Диапазон частот также расширяется. Дрейк поступил разумно, выбрав для начала частоту межзвездного водорода, равную 1,42 ГГц. Наши небеса - довольно шумное место, они заполнены радиоволнами, идущими из всевозможных источников, включая галактический шум и шум заряженных частиц, проходящих через магнитное поле Земли, равно как и космическое фоновое излучение - отголосок ранней Вселенной. Но диапазон частот, который планируется исследовать с помощью антенной решетки Аллена, лежит между 1 и 10 ГГЦ и известен как микроволновое окно прозрачности (это особенно тихая область электромагнитного спектра, идеально подходящая для поиска сигналов от инопланетян).

Однако в последние годы появились более серьезные академические исследования, направленные не на поиски разумной жизни, а на поиски планет земного типа, где она может существовать. Сегодня охота за экзопланетами представляет одну из самых горячих областей исследований.

Экзопланеты

Уверен, что не только я нахожу поиск и изучение внесолнечных планет (или экзопланет) невероятно захватывающим. Одно дело наб-людение и изучение звезд - в конце концов, мы многое знаем об их составе и движении благодаря испускаемому ими свету. Но планеты - это совсем другое. Они не только намного меньше звезд, но к тому же испускают лишь отраженный звездный свет, следовательно, их яркость в миллионы раз меньше яркости самой тусклой звезды. Поэтому любые свидетельства их существования обычно можно получить только непрямым путем. Наиболее распространен так называемый транзитный метод (когда планета проходит на фоне звезды, в светимости последней обнаруживается крошечный провал). Другой метод состоит в определении небольшого гравитационного воздействия, оказываемого планетой на куда более массивную звезду, вызывающего ее небольшое колебание. Этот эффект можно обнаружить либо по изменению частоты света, испускаемого звездой, приближающейся к нам или удаляющейся от нас (доплеровское смещение), либо по изменению ее положения.

Особенный интерес у астрономов вызывают планеты, подобные Земле, поскольку они твердые и имеют гравитацию, близкую к земной, а также располагаются на таком расстоянии относительно своей звезды, что на их поверхности может существовать жидкая вода (а это потенциально позволяет им стать колыбелью жизни).

На момент написания этих строк было открыто около 700 экзопланет. Но с большой вероятностью это число будет быстро расти. В 2009 году НАСА запустило миссию «Кеплер» (космический корабль, оборудованный приборами, необходимыми для обнаружения экзопланет). В феврале 2011 года исследовательская группа «Кеплер» огласила список из 1235 потенциальных экзопланет, включая 54 планеты, расположенные в зоне обитаемости (шесть планет имеют размеры, приближенные к земным).

По оценке ученых, Млечный Путь содержит как минимум 50 миллиардов планет и по меньшей мере 1 % из них (500 миллионов) находятся в зоне обитаемости. По другим данным, число потенциально обитаемых планет, подобных Земле, составляет более 2 миллиардов. Из них 30 000 находятся в пределах 1000 световых лет от Земли.

На сегодняшний день воображение научного сообщества захватили две подтвержденные экзопланеты, расположенные в зоне обитаемости. Причина не в том, что были обнаружены какие-либо признаки жизни на них, а в том, что на сегодня это лучшие кандидаты в так называемые планеты Златовласки (планеты, имеющие все условия для поддержания жизни: не слишком холодные и не слишком горячие, в точности как каша маленького медвежонка из детской сказки). Первая носит название Глизе 581 d и вращается вокруг красного карлика Глизе 581 в созвездии Весов (на расстоянии 20 световых лет от Земли). Заметьте, что буква d в конце названия свидетельствует о том, что это третья планета, обнаруженная в этой звездной системе (планеты, вращающиеся вокруг звезды, обозначают буквами в алфавитном порядке начиная с b; букве а соответствует сама звезда). Хотя Глизе 581 d более чем в пять раз больше Земли, согласно последним моделям ее климата, она имеет стабильную атмосферу и на ней есть жидкая вода. В этой же звездной системе было обнаружено еще несколько потенциально обитаемых планет, но данную информацию предстоит подтвердить.

Следующий кандидат носит имя HD 85512 b и вращается вокруг звезды HD 85512, названной так потому, что данные о ней содержатся в звездном каталоге Генри Дрейпера, и находящейся на расстоянии 36 световых лет от Земли в созвездии Паруса. Это одна из самых маленьких экзопланет зоны обитаемости, обнаруженных до сих пор; на данный момент она считается лучшим кандидатом на роль колыбели внеземной жизни. Она примерно в четыре раза больше Земли, ее гравитация превышает земную примерно в 1,5 раза, а температура в верхних слоях атмосферы - 25 °C. Температура у поверхности неизвестна, но, вероятно, она должна быть существенно выше. Год на этой планете (время, за которое она делает оборот вокруг своего солнца) равен всего лишь 54 земным дням.

В конце 2011 года переполох вызвало сообщение миссии «Кеплер» об обнаружении подтвержденной экзопланеты Kepler-22 b. Хотя ее звезда находится существенно дальше от Земли, чем Глизе 581 и HD 85512 (почти в 600 световых годах от нас), она очень напоминает наше Солнце (звезда главной последовательности спектрального класса G). О размерах планеты Kepler-22 b пока известно не очень много, хотя, по текущим оценкам, ее диаметр в несколько раз превышает земной. Неясно также, твердая это планета, подобно Земле, или газовая, подобно Юпитеру и Сатурну. Если она твердая, то на ее поверхности вполне может существовать вода в жидком состоянии, а тот факт, что она вращается вокруг звезды, подобной Солнцу, на «правильном» расстоянии, делает ее потенциальным многообещающим кандидатом в жизнепригодные планеты.

Неизвестно, есть ли у нас шансы в ближайшее время найти ответы на все эти вопросы. Но мы серьезно преуспели в исследовании экзопланет за очень короткое время, и открытия продолжают происходить одно за другим.

Насколько мы особенные?

Несомненно, планета, подходящая для поддержания жизни, - это уже что-то, но по-настоящему серьезный вопрос заключается вот в чем: при наличии соответствующих условий какова вероятность развития жизни в каком-либо месте? Чтобы ответить на него, придется разобраться, как жизнь появилась на Земле.

Наша планета кишит жизнью - от флоры и фауны до бактерий. При этом многие виды, в особенности микробы, похоже, способны процветать в самых суровых условиях обитания (от дикого холода до невероятной жары), с наличием солнечного света и без него. Это разнообразие жизни и тот факт, что, кажется, ей удалось распространиться по Земле довольно быстро, после того как наша молодая планета остыла, наводит на мысль, что это было не так-то трудно. Но верна ли такая точка зрения? Теперь мы знаем, что условия, подходящие для поддержания жизни, по меньшей мере бактерий, существуют повсюду во Вселенной (или, точнее, повсюду в нашей Солнечной системе), поэтому кажется разумным, что жизнь также могла возникнуть и в других мирах. Но насколько особенна наша родная планета?

Земля определенно находится на идеальном расстоянии от Солнца - на ней не слишком холодно и не слишком жарко. На нее также положительно влияет наличие гигантского Юпитера на наружной орбите. Юпитер играет роль старшего брата-защитника, притягивая своим гравитационным полем космический мусор и тем самым предотвращая его попадание на орбиту Земли и столкновение с ней.

Атмосфера Земли имеет ключевое значение не только для обеспечения нас воздухом (в конце концов, когда на Земле появилась жизнь, в атмосфере еще не было кислорода), но из-за того, как она воздействует на электромагнитное излучение. Атмосфера Земли прозрачна для лучей видимого спектра, но частично поглощает инфракрасное излучение (тепло) как на пути от Солнца к Земле, так и обратно (отраженное от земной поверхности). Такой парниковый эффект нагревает атмосферу, это удерживает воду на поверхности планеты в жидком состоянии, что больше способствует процветанию жизни, чем лед или пар.

Луна также играет важную роль. Ее гравитация стабилизирует вращение Земли, обеспечивая ей постоянный климат, позволяющий развиваться жизни, в то время как приливные силы, образующиеся в мантии Земли по мере вращения Луны, в особенности когда они находились намного ближе друг к другу миллиарды лет назад, возможно, помогли нагреть мантию и поспособствовали образованию магнитного поля Земли, которое, в свою очередь, защищает нашу планету от солнечного ветра (иначе он сдул бы ее атмосферу в космос).

Даже такой процесс, как движение тектонических плит, оказывается, имеет критическое значение, поскольку помогает перерабатывать углерод, необходимый для стабилизации температуры атмосферы и пополнения запасов питательных веществ, доступных живым сущест-вам на поверхности планеты (и даже вносит вклад в формирование магнитного поля Земли).

Так что, вполне возможно, наша планета представляет собой довольно выдающийся образец. Но значит ли это, что жизнь неизбежно должна была появиться здесь? После того как жизнь зародилась и эволюция набрала ход, жизнь уже сама могла о себе позаботиться. Однако вся загвоздка именно в этом самом первом шаге. Считается, что первыми живыми существами на Земле были одноклеточные прокариоты (простые организмы, не имеющие клеточного ядра), которые появились около 3,5 миллиарда лет назад. Они могли эволюционировать от так называемых протобионтов, представляющих собой скопление органических молекул, заключенное в мембране, но имеющее два ключевых признака жизни: способность размножаться и участие в обмене веществ.

Чего мы до сих пор не знаем, так это какая последовательность событий могла привести органические молекулы, такие как аминокислоты (необходимые для образования белков) и нуклеотиды (структурные единицы ДНК), к появлению первого гена-репликатора. Вопрос о том, как зародилась жизнь, один из важнейших в науке. Этот процесс называется абиогенезом. Многие ошибочно путают биогенез (теорию о том, что жизнь может возникнуть только из жизни) с абиогенезом (процессом, когда биологическая жизнь естественным путем возникает из неорганической материи, в сущности, химия превращается в биологию). Исследования в области абиогенеза направлены на поиск этого волшебного шага, известного как самопроизвольное зарождение, превратившего неживую материю в живую.

Некоторые заявляют, что самопроизвольное зарождение жизни на Земле настолько маловероятно, что его можно сравнить с порывом сильного ветра, который проносится через свалку и при этом случайно собирает из валяющихся там деталей «Боинг-747», или с ситуацией, когда органические молекулы случайным образом соединятся так, чтобы образовались даже самые примитивные формы жизни. Но справедливо ли такое сравнение?

В 1953 году Стэнли Миллер и Гарольд Юри в попытке ответить на этот вопрос провели в Чикагском университете свой знаменитый эксперимент. Они хотели проверить, удастся ли им создать в пробирке жизнь из ее основных компонентов. Они смешали воду с тремя газами: аммиаком, метаном и водородом, предполагая, что это соответствует газовому составу атмосферы ранней Земли, а затем подогрели смесь до образования пара. Следом пропустили через этот пар с помощью двух электродов электрические разряды, имитирующие разряды молнии в атмосфере Земли, после чего пар охладился и сконденсировался. Через неделю непрерывных повторений этого цикла они обнаружили, что в смеси начали образовываться органические соединения, в том числе аминокислоты - молекулы, необходимые для жизни, поскольку, комбинируясь в определенных последовательностях, они формируют белки живых клеток. Но полноценные белки с их комплексной структурой обнаружены не были, равно как и другие критически важные компоненты жизни - нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК).

Несмотря на такое многообещающее начало, более половины столетия, прошедшей после этого ключевого эксперимента, ученым так и не удается создать искусственную жизнь. Итак, неужели спонтанное возникновение жизни настолько невероятно? Известно, что это произошло по меньшей мере однажды, - мы сами являемся живым тому подтверждением. Но было бы интересно узнать, вся ли жизнь на Земле пошла от одного предка, ведь если это не так, значит, жизнь должна была появиться не один раз, следовательно, ее возникновение не настолько особенное событие, как мы могли бы думать.

Спорные данные, полученные в недавнем исследовании, похоже, поставили эту мысль под сомнение. В озере посреди калифорнийской пустыни был обнаружен микроорганизм штамм GFAJ-1 (как видите, микробиологи настолько же лишены воображения в том, что касается названий для своих открытий, как и астрономы). Озеро Моно, образовавшееся около миллиона лет назад, имеет очень необычный химический состав. Его соленость в 2–3 раза выше, чем у океана, оно содержит хлориды, карбонаты и сульфаты и имеет очень высокую щелочность (кислотно-щелочной баланс (pH) равен 10). Хотя в озере нет рыбы, химический состав воды идеально подходит для жизни одноклеточных водорослей определенного типа и триллионов крошечных солоноводных креветок, служащих основным источником питания для миллионов перелетных птиц, каждый год проводящих на этом озере несколько месяцев. Ах да, также это озеро богато мышьяком.

Группа биологов из института НАСА под руководством Фелисы Вольф-Саймон заинтересовалась крошечной бактерией GFAJ-1, потому что она, похоже, способна делать нечто доселе невиданное: питаться мышьяком - химическим элементом, ядовитым для всей остальной жизни.

Нам известно, что все живое на Земле зависит от множества разных элементов, но сама ДНК имеет всего пять компонентов: углерод, водород, азот, кислород и фосфор. Вопрос заключается в том, можно ли заменить их другими химически сходными элементами. Мышь-як находится в таблице Менделеева сразу под фосфором, следовательно, имеет похожую атомную структуру. Исследователи из НАСА знали, что бактерии GFAJ-1 устойчивы к мышьяку, а в озере Моно содержится очень мало фосфора. Тогда они посадили эти бактерии «на диету», богатую мышьяком, - и бактерии продолжили успешно расти, даже когда ученые полностью убрали фосфор. Для деления клеток требуется строительный материал, из которого образуется новая ДНК. Как же этим микроорганизмам удалось обойтись без одного из пяти критически значимых элементов?

Публикация этой работы в 2010 году вызвала волнения в мировом научном сообществе. Исследователи утверждали, что GFAJ-1 букваль-но замещает фосфор мышьяком в структуре своей ДНК. Если это окажется правдой, то перед нами встанет вопрос на миллион долларов: появилась ли эта способность использовать таким образом мышьяк эволюционным путем, или же эти бактерии возникли в ходе изолированного процесса абиогенеза? Если верно последнее, станет ясно, что жизнь могла начаться по меньшей мере в двух отдельных местах, следовательно, может оказаться, что это не такое уж редкое событие.

Мы все еще не знаем, как на Земле зародилась жизнь. Если мы и ответим на этот вопрос, все равно еще останутся другие загадки, касающиеся вероятности возникновения разумной жизни. В конце концов, может оказаться, что жизнь существует в нашей галактике во многих местах, но разумная жизнь появилась только в одном месте.

Последние исследования поведения воронов свидетельствуют, что у этих птиц сформировался удивительно высокий интеллект, причем совершенно своим, отдельным от человеческого, эволюционным путем. Если это так, то, возможно, интеллект также является неизбежным результатом дарвиновской эволюции. Ответ на этот и другие вопросы, включая вопрос о том, как одноклеточные организмы превратились в многоклеточные, поможет нам понять, стоит ли рассчитывать, что все эти важные этапы эволюционного процесса (от абиогенеза до появления людей) произошли где-то еще во Вселенной.

Антропный принцип

Существует куда более глубокий вопрос, нежели заданный Ферми, о котором я должен упомянуть, прежде чем закончить главу. До недавних пор он был исключительно сферой философии, но теперь стал частью общепринятой физической науки. Его центральная идея называется антропным принципом, направленным на невероятность существования нашей Вселенной или по меньшей мере того ее уголка, где проживаем мы, настолько идеально подходящего и тонко настроенного для существования нас, людей. В современной форме его предложил и объяснил австралийский космолог Брэндон Картер на научной конференции в Польше в 1973 году, посвящен-ной 500-летней годовщине со дня рождения Коперника. Картер сформулировал принцип следующим образом: «То, что мы ожидаем увидеть во Вселенной, должно быть ограничено условиями нашего существования как наблюдателей. Мы неизбежно должны занимать пусть и не центральное, но до некоторой степени привилегированное положение». Примечательно, что он высказал свою идею именно во время этого мероприятия, ведь Коперник первым из ученых предположил, что человеческий вид не занимает сколько-нибудь привилегированного положения во Вселенной. Теперь же появился Картер, предположивший, что вся Вселенная выглядит именно так, потому что, если бы она была хоть немного другой, нас бы не существовало.

Позвольте привести пример из моей научной области - ядерной физики. Одна из четырех фундаментальных сил природы - сильное ядерное взаимодействие - отвечает за связи внутри ядра атома. Два ядра водорода (единичные протоны) не могут объединиться, поскольку сильное ядерное взаимодействие недостаточно сильно для этого. Но его силы вполне хватит, чтобы соединить протон и нейтрон, образовав в результате дейтрон (ядро атома тяжелого водорода), который играет существенную роль в последовательности этапов термоядерного синтеза, в результате которых водород превращается в гелий. Этот процесс идет во всех звездах, и благодаря ему образуются живительные свет и тепло нашего Солнца. Но что произошло бы, если бы сильное ядерное взаимодействие было хоть на малую долю сильнее? Тогда его мощности могло хватить, чтобы соединить вместе два протона (в этом случае водород превращался бы в гелий намного проще). На самом деле весь водород во Вселенной вступил бы в эту реакцию и превратился бы в гелий сразу после Большого взрыва. Без водорода не было бы и его соединения с кислородом, образующего воду, а следовательно, и никаких шансов на появление жизни (как мы ее понимаем).

Похоже, антропный принцип гласит, что само наше существование определяет некоторые свойства Вселенной, поскольку если бы они были хоть немного иными, нас бы не было здесь, чтобы задать этот вопрос. Но правда ли эта ситуация настолько исключительна? Возможно, будь Вселенная другой, возникли бы другие «мы» согласно тем условиям, которые бы позволили нам существовать, и эти другие «мы» все так же задавались бы вопросом: как вышло, что Вселенная настолько тонко настроена?

Это можно представить следующим образом: спросите у себя, как так вышло, что лично вы существуете. В конце концов, какова была вероятность того, что ваши родители встретятся и родитесь вы? А какова была вероятность того, что они родятся у своих родителей? Каждый из нас находится на конце длинной и крайне маловероятной цепи событий, тянущейся вплоть до появления самой жизни. Разорвись всего одно звено этой цепи - и вас бы не существовало. Так что можете при желании поразмыслить, каким образом антропный принцип применим к вам. Но это не более удивительно, чем размышления выигравшего в лотерею о своей удаче. Если бы все эти цифры не сошлись, кто-то другой выиграл бы и точно так же мог бы раздумывать над невероятностью своей победы.

Аргумент Брэндона Картера стал известен как слабый антропный принцип. Существует также сильный антропный принцип, который гласит, что Вселенная должна быть такой, какая она есть, для того чтобы где-то в какой-то момент времени смогла появиться разумная жизнь и задаться вопросом о своем существовании. Эта версия немного отличается, и она, безусловно, куда более спекулятивна. Лично я считаю, что это полная чепуха. Сильный антропный принцип приписывает Вселенной цель, утверждая, что она каким-то образом обязана была стать такой, какая есть, чтобы появились мы. Существует даже довольно замысловатая квантово-механическая версия этого аргумента, стоящая в одном ряду с решением парадокса кота Шрёдингера с помощью сознательного наблюдателя: наблюдая Вселенную на протяжении всей нашей истории, мы вызываем ее к жизни. Из всех потенциально существующих вселенных мы выбрали ту, которая позволяет нам жить в ней.

Куда более простой способ решения загадки антропного принципа можно обнаружить, поддавшись привлекательной теории мультивселенной. В конце концов, если существуют все потенциально возможные варианты вселенных, нет ничего удивительного, что мы живем именно в той, которая идеально подходит нам.

Позвольте мне в завершение этой главы вернуться к тому, с чего я начал, - к знаменитому вопросу Энрико Ферми о молчании космоса вокруг. В конечном итоге тонко настроенная под нас Вселенная также будет тонко настроенной для других форм жизни, не очень отличающихся от нас. Поскольку необъятность Вселенной с ее миллиардами галактик намекает на то, что какой бы особенной ни была Земля и насколько бы маловероятным ни было появление жизни на ней, крайне вероятно, что жизнь существует повсюду, вполне может быть, что мы одиноки только в своем небольшом закоулке Млечного Пути.

Почему же мы тогда продолжаем свои, возможно, тщетные поиски? Потому что мы ищем ответы на наиболее фундаментальные вопросы бытия: что такое жизнь? Уникальны ли мы? Что это значит - быть человеком и каково наше место во Вселенной? Даже если мы никогда не найдем ответы на эти вопросы, очень важно, что мы продолжаем задавать их.

Более подробно с книгой можно ознакомиться на

Можно ли создать вечный двигатель?

Если бы вы оказались в компании физиков и спросили у каждого, какую идею они считают самой важной в истории науки, возможно, вы ожидали бы услышать множество разных ответов (идея, что все на свете состоит из атомов, теория эволюции Дарвина, строение ДНК, теория Большого взрыва...). На самом деле с большой вероятностью все они проголосуют за так называемый второй закон (или второе начало) термодинамики. В данной главе мы рассмотрим эту важную идею, а также парадокс, из-за которого она более 100 лет провисела на волоске.

В основе парадокса демона Максвелла лежит довольно простая идея, однако она завладела умами множества величайших ученых и даже породила новые научные дисциплины. Все это благодаря тому, что она ставит под сомнение один из самых священных законов природы - второе начало термодинамики (простое, но глубокое утверждение, описывающее передачу тепла и энергии и способы их использования).

Второе начало термодинамики гласит, что если вы, скажем, насадите замороженную курицу на бутылку с горячей водой (этот пример предложили члены моей семьи, когда я попробовал объяснить им этот закон), то курица слегка оттает, а вода немного остынет. Ни при каких условиях тепло не пойдет в обратную сторону: горячая вода не станет еще горячее, а курица не остынет еще больше. Тепло всегда перемещается от более горячих тел к более холодным и никогда наоборот, и оно не прекратит перераспределяться, пока не будет достигнуто тепловое равновесие, при котором между объектами уже не будет разницы в температуре. Никакого противоречия здесь нет, подумаете вы.

Теперь давайте рассмотрим задачу демона Максвелла. Вот для начала краткое описание изначальной идеи. Представьте себе герметичный сосуд, содержащий только воздух и разделенный на две половины толстой изолирующей перегородкой. В середине этой перегородки есть дверца, которая, когда к ней приближается молекула воздуха, очень быстро открывается и закрывается, пропуская молекулу в другую часть сосуда. Давление с обеих сторон остается одинаковым, поскольку когда с одной стороны число молекул увеличивается, то повышается вероятность того, что молекулы из этой части подлетят достаточно близко к дверце и переместятся на другую сторону, снова уравновешивая давление по обе стороны (рис. 4.1).

Этот процесс может продолжаться бесконечно, и с обеих сторон будет все время поддерживаться одинаковая температура. Чтобы объяснить почему, мне придется дать определение понятию температуры газа на молекулярном уровне. В сущности, чем быстрее движутся молекулы, тем горячее будет газ. Все газы, включая смесь, известную как воздух, состоят из триллионов молекул, движущихся хаотично и с разной скоростью (одни быстрее, другие медленнее). Но их совокупная средняя скорость будет соответствовать определенной температуре. Внутри сосуда некоторые молекулы, проходящие через перегородку, будут иметь большую скорость, чем остальные (более медленные) молекулы. В среднем в обе стороны перегородку пересекает примерно одинаковое количество быстрых и медленных молекул, следовательно, разница температур не образуется. Если вы полагаете, что более быстрые молекулы смогут проникать через отверстие чаще, чем более медленные, то, вероятно, вы правы, однако это не влияет на суть, так как сколько бы быстрых молекул ни перешло слева направо, столько же перейдет в обратном направлении.

Если пока все понятно, думаю, настал момент выпустить демона.

Демон Максвелла - это гипотетическое крошечное существо, обладающее настолько хорошим зрением, что может рассмотреть отдельные молекулы воздуха и оценить их скорость. Теперь вместо того, чтобы позволить дверце открываться и закрываться случайным образом, мы поручим демону контролировать ее открытие. Хотя через открытую дверь будет проникать столько же молекул, сколько и раньше, теперь нужно учитывать еще один фактор: информацию, известную демону. Потому что он собирается пропускать слева направо только быстрые молекулы, а справа налево - только медленные. Учитывая работу демона-привратника, вооруженного такими знаниями, а также не прилагая больше никаких усилий и не имея никаких дополнительных энергозатрат (вспомним, что и до этого дверца все равно открывалась и закрывалась случайным образом), мы обнаружим, что исход окажется совершенно иным.

В этом месте так и подмывает провести параллель с ролью, которую играли знания ведущего телеигры в парадоксе Монти Холла из главы 1. Не попадайтесь в эту ловушку. Тот факт, что ведущий знал, за какой дверью спрятан приз, влиял только на расчет вероятностей, не более того. Знания демона Максвелла играют куда более значительную роль и, как мы вскоре увидим, являются центральным звеном всего физического процесса, который нам понадобится вскрыть, чтобы разрешить этот парадокс.

Благодаря дежурящему у двери демону правая сторона сосуда постепенно наполняется быстрыми молекулами и становится горячее, в то время как с левой стороны накапливаются медленные молекулы, следовательно, она остывает. А благодаря осведомленности демона нам, судя по всему, удалось создать разницу температур между двумя половинами сосуда и нарушить тем самым второй закон термодинамики (рис. 4.2).

Итак, похоже, с помощью одной лишь информации демону Максвелла удалось обернуть вспять процесс, подчиняющийся второму закону термодинамики. Как такое возможно? Множество великих умов в течение более 100 лет пытались разгадать этот парадокс. Вскоре вы узнаете, как его удалось решить. Как и все кажущиеся парадоксы в этой книге, в конце концов он поддается решению, и второй закон будет спасен.

Причина, по которой эта тема до сих пор столь актуальна, заключается в ее связи с вечными двигателями - устройствами, якобы способными работать бесконечно, совершенно не потребляя энергии. Ведь если демон Максвелла способен нарушить второй закон термодинамики, значит, потенциально возможно создать машину, которая будет делать то же самое. Чуть позже в этой главе я рассмотрю несколько типов таких устройств. Надеюсь, к тому моменту у вас не останется особых сомнений в невозможности их существования.

Все раскручивается, смешивается и скатывается по наклонной

Всего существует четыре закона термодинамики, и все они имеют отношение к тому, как энергия и тепло превращаются друг в друга, но второе начало важнее всех остальных. Меня всегда забавляло, что один из самых главных законов во всей физике не смог выбиться даже на первое место в списке.

Первый закон термодинамики очень прост и гласит, что энергию можно перевести из одной формы в другую, однако нельзя создать или уничтожить. Обычно его формулируют немного сложнее: изменение внутренней энергии системы равно количеству теплоты, переданной этой системе, за вычетом работы, совершенной системой над внешней средой. По сути, это значит, что любому телу требуется энергия, чтобы сделать что-нибудь, - машине нужно топливо, компьютеру нужно электричество, мы потребляем энергию, чтобы жить, поэтому нам нужна еда (все это примеры того, что системы должны поглощать энергию в различных формах, чтобы совершать так называемую полезную работу). Слово «полезная» в этом контексте подчеркивает, что некоторые формы энергии расходуются непродуктивно, например шум работающего мотора или тепло, образующееся при трении, просто рассеиваются в окружающей среде. Следовательно, первое начало термодинамики просто закладывает основы для более важного второго начала. Второй закон термодинамики гласит, что все изнашивается, охлаждается, разматывается, стареет и разлагается. Он объясняет, почему сахар растворяется в горячей воде, но не кристаллизуется обратно. Он также объясняет, почему кубик льда неизбежно растает в стакане воды, поскольку тепло всегда будет переходить от более теплой воды к более холодному льду и никогда наоборот.

Но почему должно быть именно так? Если бы мы смогли посмотреть на мир с точки зрения столкновений и взаимодействий отдельных атомов и молекул, то нам не удалось бы определить, куда движется время. Я имею в виду, что если бы мы увидели этот процесс на видео, то не смогли бы понять, идет ли оно в прямом или обратном направлении. Причина заключается в том, что в масштабе атомов все физические процессы обратимы. Если нейтрино взаимодействует с нейтроном, на их месте образуются протон и испускается электрон, но аналогичным образом при столкновении протона и электрона образуется нейтрон и испускается нейтрино. Законы физики допускают ход и того и другого процесса в прямом и обратном временном направлении.

Это резко контрастирует с событиями, происходящими вокруг нас в повседневной жизни, где у нас не возникает сложностей с определением хода времени. К примеру, вы не увидите, что дым летит по направлению к трубе и втягивается в нее аккуратной воронкой. Точно так же вам не удастся «вымешать» обратно сахар, растворенный в чашке кофе, и увидеть, как кучка пепла снова превращается в полено. Чем же отличаются эти события от тех, что происходят на уровне атомов, из которых все состоит? Как так вышло, что большинство процессов, происходящих вокруг нас, никогда не обернутся вспять? На каком этапе, если двигаться от атомов к дымящим трубам, чашкам кофе и поленьям, действия становятся необратимыми?

При более внимательном рассмотрении оказывается, что дело не в том, что описанные выше процессы никогда не обернутся вспять, а скорее в том, что такой поворот событий крайне маловероятен. С точки зрения законов физики растворенный сахар при помешивании вполне может «собраться заново» и превратиться в кубик. Но если бы нам пришлось увидеть такое, мы бы заподозрили какой-то фокус - и были бы совершенно правы, ведь вероятность подобного события настолько ничтожна, что ею можно пренебречь.

Чтобы помочь вам чуть лучше понять второй закон, мне придется познакомить вас с понятием энтропии. В этой главе она будет играть немалую роль, поэтому стоит хорошенько разобраться в том, что это такое. Однако мне надо вас предупредить, что как бы я ни старался объяснить это явление, у вас может остаться ощущение, будто смысл немного ускользает от вас.

Понятию энтропии не так просто дать определение, ведь то, что оно обозначает, зависит от описываемой ситуации. Вот несколько наглядных примеров. Одно из определений гласит, что энтропия - это мера неупорядоченности, мера того, насколько все перемешано между собой. Новая колода, в которой карты разложены по мастям и в каждой масти упорядочены по возрастанию (двойка, тройка, четверка... валет, дама, король, туз), имеет низкую энтропию. Если мы несколько раз перетасуем карты, порядок нарушится - и уровень энтропии колоды возрастет. Теперь можно спросить: что произойдет с упорядоченностью колоды, если мы продолжим ее тасовать? Ответ очевиден. Намного вероятнее то, что карты перемешаются еще сильнее, чем то, что они вернутся к изначальной упорядоченной последовательности. Итак, энтропия будет стремиться к увеличению по мере того, как мы будем тасовать карты. Когда карты полностью перемешаются, энтропия достигнет высшей точки - и дальнейшее тасование не перемешает колоду сильнее. Неперемешанная колода представляет собой уникальную последовательность карт, в то время как вариантов расположения карт в перемешанной колоде великое множество, поэтому намного вероятнее, что тасование карт будет идти в одном направлении: от порядка к беспорядку, от низкой энтропии к высокой (рис. 4.3). Этот процесс так же необратим, как в случае с частично растворенным кубиком сахара, который при дальнейшем помешивании продолжит растворяться.

Таким образом, мы видим, что второй закон термодинамики скорее имеет статистическую природу, нежели основывается на каком-то особенном свойстве физического мира. Просто вероятность того, что состояние низкой энтропии перейдет в состояние высокой энтропии, в огромное количество раз больше вероятности обратного процесса.

Приведу пример, чтобы вы смогли оценить рассматриваемый здесь уровень вероятности. Если вы возьмете полностью перемешанную колоду карт, то вероятность того, что при дальнейшей перетасовке получите рядом карты каждой масти, причем расположенные по возрастанию, примерно равна вероятности выиграть джекпот в лотерее не раз и не два, а девять раз подряд!

С другой стороны, энтропию также можно рассматривать как меру возможности какого-либо объекта тратить энергию на выполнение какой-либо задачи. В этом случае чем больше энергии можно израсходовать, тем ниже должна быть энтропия. К примеру, полностью заряженная батарея имеет низкий уровень энтропии, нарастающий по мере того, как батарея используется. Заведенная до упора заводная игрушка имеет низкий уровень энтропии, но по мере раскручивания механизма он нарастает. Когда механизм перестанет крутиться, мы можем снизить энтропию игрушки до изначального низкого уровня, потратив собственную энергию на то, чтобы снова ее завести.

Второй закон термодинамики - это, по сути, тезис об энтропии (а именно: она всегда нарастает и никогда не снижается, кроме тех случаев, когда на это расходуется дополнительная энергия извне). Поэтому в примере с механической игрушкой второй закон не нарушается, когда мы заводим ее, поскольку система (заводная игрушка) более не изолирована от окружающей среды (нас). Энтропия игрушки снижается, однако мы «совершаем работу», заводя ее механизм, и наш уровень энтропии повышается настолько, что это более чем компенсирует снижение энтропии игрушки. Следовательно, суммарная энтропия системы «игрушка + мы» повышается.

Второй закон также определяет направление, в котором течет время. Это утверждение может показаться вам довольно банальным: разумеется, время движется от прошлого к будущему. Однако «от прошлого к будущему» - всего лишь способ, с помощью которого мы описываем этот процесс. Чтобы подобрать более научное определение, давайте представим, что во Вселенной нет никакой жизни, чтобы избежать своего субъективного деления времени на прошлое (то, что уже произошло) и будущее (то, чему еще предстоит случиться). Оказывается, что теперь, когда мы исключили из процесса самого себя и субъективное восприятие, определение времени с точки зрения физических процессов, согласно которому время течет в сторону увеличения энтропии, становится гораздо важнее. Это определение применимо не только к отдельным системам, но и ко всей Вселенной. Теперь вы понимаете, что, если кому-то вдруг придется столкнуться с ситуацией, когда энтропия изолированной системы будет снижаться, значит, само время обратило свой ход вспять, а это звучит слишком странно, даже чтобы просто рассуждать об этом (во всяком случае в этой главе!).

Вот что говорил о важности второго закона термодинамики английский астроном Артур Эддингтон:

«Закон, согласно которому энтропия все время возрастает, - второй закон термодинамики - занимает, по моему мнению, высшее положение среди всех законов Природы... Если обнаруживается, что ваша теория противоречит второму закону термодинамики, я не думаю, что у нее есть какие-то шансы; этой теории остается лишь потерпеть унизительное поражение» .

Бывают случаи, когда нам кажется, будто энтропия снижается. К примеру, наручные часы - это в высшей степени упорядоченная и сложная система, состоящая из множества кусочков металла. Это нарушает второй закон термодинамики? На самом деле нет. Это просто более сложная версия примера с заводной игрушкой. Часовщик приложил определенные усилия к созданию часов, немного увеличив тем самым собственную энтропию. Вдобавок в процессе выплавки руды и обработки металлов образовалось некоторое количество рассеянного тепла, которое более чем компенсирует небольшое снижение энтропии, достигнутое созданием часов.

Вот почему демон Максвелла представляет для нас такую загадку. Похоже, что он способен добиться чего-то похожего на то, что делает часовщик, снижая энтропию в коробке путем упорядочения молекул воздуха, при этом непосредственно не перемещая их физически. Есть общее правило, согласно которому, если нам кажется, что энтропия снижается, обязательно выяснится, что рассматриваемая система не была изолирована от окружающей среды, а рассмотрев ситуацию в более общем плане, мы увидим, что общая энтропия повышается. Многие процессы, происходящие на Земле (от эволюции жизни до возведения высокоупорядоченных и сложных сооружений), уменьшают энтропию на поверхности планеты. Все объекты на Земле (от кошки и клюшки до компьютера и кочана капусты) находятся в состоянии меньшей энтропии, чем их составные компоненты. В остальном второй закон термодинамики никогда не нарушается. Не следует забывать, что даже наша планета не изолирована от окружающей ее среды. В конце концов, практически вся жизнь на Земле (а значит, и все структуры с низкой энтропией) существует благодаря солнечному свету. Если мы рассмотрим объединенную систему «Солнце + Земля» , то увидим, что общая энтропия увеличивается, поскольку излучение, которое Солнце испускает в пространство (Землей поглощается лишь малая его часть), вызывает куда более значительный рост энтропии, чем ее снижение на Земле, где солнечные лучи используются для поддержания жизни, а следовательно, всех прочих сложных систем с низкой энтропией. К примеру, капуста поглощает солнечную энергию путем фотосинтеза и использует ее для своего роста, увеличивая количество высокоорганизованных клеток, из которых она состоит, и тем самым снижая свою энтропию.

Итак, теперь вы понимаете, почему все эти годы ученых не оставляла в покое задача смоделировать ситуацию, в которой бы нарушился второй закон термодинамики. Наиболее выдающимся из этих ученых был шотландский математик и физик Джеймс Клерк Максвелл, живший в XIX веке. Известность ему принесло открытие, что свет состоит из колеблющихся электрических и магнитных полей. В 1867 году он прочел открытую лекцию, в ходе которой описал свой знаменитый мысленный эксперимент с воображаемым демоном, контролирующим дверцу между двумя отделениями сосуда и намеренным бросить вызов второму закону термодинамики. По отношению к дверце он выполняет функцию обратного клапана, пропускающего энергичные «горячие» молекулы воздуха только в одну сторону, а медленные «холодные» молекулы - в другую. Так он сортирует молекулы, делая воздух с одной стороны горячее, а с другой - холоднее. Это полностью противоречит второму закону термодинамики, поскольку никакой дополнительной энергии на открытие и закрытие дверцы, по-видимому, не расходуется, ведь, как уже было сказано ранее, она в любом случае открывается и закрывается случайным образом. Но все же общая энтропия в сосуде, похоже, падает по мере того, как молекулы внутри сортируются по двум отсекам.

Обратный клапан

Итак, с какой же стороны подойти к решению этого парадокса? Может ли демон Максвелла снизить энтропию внутри сосуда? А если это так, как же нам спасти второй закон термодинамики? Давайте сперва рассмотрим задачу так, как это сделал бы любой физик: уберем все детали, не имеющие критического значения (в этом случае заменим демона простым механическим устройством, которое может выполнять ту же работу). Теперь стоит спросить, существует ли механический процесс, с помощью которого можно воспроизвести действия демона. Ответ «да» - демон в известном смысле действует как обратный клапан. Теперь разберемся, можно ли с помощью такого клапана создать дисбаланс между двумя частями сосуда, снижая его энтропию, что предоставит нам возможность собирать энергию. Еще на предварительном этапе исследования сама возможность этого должна вызвать некоторые сомнения. В конце концов, если бы это было возможно, проблемы мировой энергетики были бы решены. Одного этого достаточно, чтобы возможность такого процесса показалась крайне маловероятной.

Но все же как мы можем быть уверены, что с помощью обратного клапана невозможно собирать энергию из равновесного состояния? Может быть, второй закон термодинамики не так уж незыблем. В конце концов, все верили в непогрешимость закона всемирного тяготения Ньютона, пока не явился Эйнштейн, заменивший его более точной и в корне отличной общей теорией относительности. Возможно, второй закон термодинамики имеет незаметную лазейку, которая только и ждет, чтобы кто-то достаточно умный, смелый и наделенный воображением использовал ее, заменив второй закон более удачной теорией?

К сожалению, ответ «нет». Закон всемирного тяготения Ньютона основан на математической формуле, которая описывает процессы, наблюдаемые в природе, а именно то, как объекты притягиваются друг к другу в зависимости от их масс и расстояния между ними. Эйнштейн доказал не ошибочность, но приблизительность этой формулы, а также то, что гравитацию можно описать на более фундаментальном уровне, сквозь призму кривизны пространства и времени, и, к сожалению, с помощью куда более сложных математических вычислений.

Второй закон термодинамики не таков. Пусть он и возник благодаря наблюдениям, его обоснование строится на чистой логике и статистике, и теперь в его поддержку имеются куда более точные и надежные данные, нежели какие бы то ни было наблюдения. Сам Эйнштейн писал, что это «единственная теория общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости ее основных понятий она никогда не будет опровергнута» .

Так что давайте установим в сосуде упрощенную версию демона Максвелла и посмотрим, что из этого выйдет. Если вы согласны, что любой дисбаланс между отсеками сосуда, который установится спонтанно и постепенно, вызовет соответствующее снижение энтропии, то вам придется согласиться и с тем, что вместо разницы температур мы можем рассматривать разницу давления. В конце концов, такую ситуацию также можно использовать для выполнения полезной работы (как мы вскоре увидим), и при этом энтропия также будет ниже, чем в случае, когда с обеих сторон давление одинаково. Однако теперь мы будем рассматривать ситуацию, когда благодаря более высокому давлению с одной стороны сосуда больше молекул, а не ту, когда молекулы с одной стороны движутся быстрее, чем с другой. Именно это мы подразумеваем, когда говорим о давлении на молекулярном уровне: количество молекул, ударяющихся о стенки сосуда.

Чтобы понять, как можно использовать разницу в давлении для выполнения полезной работы, рассмотрим, что будет,если вручную открыть перегородку между двумя половинами. Если в одной из них содержится воздух под более высоким давлением, он устремится в другую половину, уравновешивая давление (с соответствующим повышением уровня энтропии). Этот поток воздуха можно использовать для выполнения полезной работы. К примеру, он может раскрутить воздушную турбину и выработать немного электричества. Разумеется, создание такой разницы в давлении будет сродни накоплению энергии, как это происходит при заводе механической игрушки или зарядке батареи. Чтобы такое произошло спонтанным образом, второй закон термодинамики должен нарушиться.

Простейшая разновидность обратного клапана, который можно использовать для этого, представляет собой распашную дверцу, открывающуюся только в одном направлении. Эта дверца пропускает молекулы воздуха из левой половины, которые врезаются в нее, вынуждая открыться, однако она имеет пружинный механизм, очень быстро закрывающий ее после этого. Молекулы, ударяющиеся в дверь с правой стороны, только будут прижимать ее еще сильнее. К сожалению, такое устройство не сможет даже начать работать, потому что при малейшем дисбалансе давления между двумя отсеками давления молекул, ударяющихся в дверь с левой стороны, станет недостаточно, чтобы преодолеть более высокое давление с правой стороны, удерживающее дверь закрытой.

Возможно, сейчас вы думаете, что это устройство перестанет работать, только когда установится разница в давлении, достаточная, чтобы более высокое давление в правой половине (той, где молекулы воздуха давят на дверь, не давая ей открыться) начало препятствовать проникновению туда быстрых молекул из левой половины. Несомненно, этот процесс может хотя бы начаться, установится небольшая разница в давлении, как только несколько быстрых молекул проникнут из левой половины в правую. Однако это нарушит второй закон термодинамики. Даже при такой крохотной разнице давления воздух, устремившийся из правой половины, сможет привести турбину в движение и сгенерировать немного электричества. Поскольку процесс можно повторять снова и снова, получая в результате все больше и больше электрической энергии, мы сталкиваемся с еще более серьезной проблемой. Нам нужно разобраться, почему разница в давлении в принципе не может образоваться, иначе у второго закона термодинамики будут большие неприятности.

До сих пор мы предполагали, что отдельные молекулы воздуха смогут открыть дверь, образованную триллионами молекул (из чего бы она ни состояла), толкнув ее. На самом деле, уж если мы спускаемся на молекулярный уровень, то дверь тоже должна рассматриваться в таком масштабе. А на этом уровне мы увидим молекулы двери, которые точно так же хаотично вибрируют и колеблются. Даже одна быстрая молекула, летящая с левой стороны, при ударе передаст молекулам двери часть своей энергии, усиливая их колебания и заставляя тем самым дверь открыться и закрыться случайным образом (и пропустить молекулу воздуха в «неправильном» направлении). Разумеется, обмен не будет происходить в точности один к одному, однако дверь, которую атакует множество молекул с обеих сторон, на молекулярном уровне будет постоянно вибрировать и не сможет выполнять функцию обратного клапана.

Тот же аргумент применим к возможности установления разницы температур. Тепло, по сути, есть не что иное, как колебание молекул, передающееся при их соударении, и это равным образом касается как молекул двери, так и молекул воздуха. Следовательно, всякий раз, когда быстрая молекула из левой половины ударяет в дверь и открывает ее, она передает немного энергии молекулам двери, усиливая их колебания. Эта энергия (или тепло) затем просто передается обратно остальным молекулам воздуха в левой части. Следовательно, часть энергии быстрых молекул возвращается обратно в ту же половину сосуда. Любая избыточная энергия, которая переносится молекулами в правую половину, теряется в процессе постоянной бомбардировки двери молекулами с правой стороны и в итоге возвращается обратно в левую половину. Таким образом, слева останется столько же быстрых молекул, сколько и справа.

Но демон куда умнее...

Разрешите представить вам венгерского ученого и изобретателя Лео Силарда. В период напряженной работы между 1928 и 1932 годом, когда ему было чуть за 30, Силард изобрел несколько важнейших в истории науки приборов, до сих пор используемых учеными: линейный ускоритель частиц (в 1928 году), электронный микроскоп (в 1931 году) и циклотрон (в 1932 году). Звучит невероятно, но во всех трех случаях он не озаботился тем, чтобы опубликовать свои работы, запатентовать устройства или хотя бы сконструировать их прототипы. Все три прибора были впоследствии разработаны другими учеными, опиравшимися на работы Силарда. Более того, два прибора принесли другим физикам Нобелевские премии (американцу Эрнесту Лоуренсу за создание циклотрона и немцу Эрнсту Руске за первый электронный микроскоп).

Именно в период творческого расцвета в 1929 году Силард опубликовал ключевую работу, вызвавшую волнение в научных кругах. Она называлась «Снижение энтропии термодинамической системы путем вмешательства разумного существа». В ней он предложил разновидность демона Максвелла, ставшую с тех пор известной как «машина Силарда». В его версии суть парадокса заключается не просто в физическом процессе. Силард утверждал, что именно разумность демона и его осведомленность о состоянии молекул играют решающую роль, чего и опасался Максвелл. Парадокс нельзя разрешить с помощью механического устройства, каким бы мудреным оно ни было.

Давайте вернемся к нашему парадоксу. Не стоит ожидать, что в результате случайных столкновений молекул воздуха спонтанно и без помощи извне возникнет разница температур или давления между двумя камерами, это не сработает, как бы хитроумно ни действовал обратный клапан - без помощи со стороны не обойтись. Но что достойно внимания, так это то, что эта помощь может прийти в виде простой информации.

Похоже, мы вернулись к тому, с чего начали: пытаемся приспособить абстрактную идею информации (возможно, даже необходимость присутствия разумного существа) к чисто статистическому миру физических законов. Неужели в конечном счете нам придется допустить, что второй закон термодинамики соблюдается только в безжизненной Вселенной? Что в жизни есть нечто магическое, неподвластное законам физики? Напротив, решение Силарда стало блестящим подтверждением универсальности второго закона термодинамики и идеи о возрастающей энтропии.

Представьте, что в сосуде находится всего 100 молекул воздуха (по 50 в каждом отделении), при этом они распределены случайным образом так, что количество быстрых и медленных молекул с каждой стороны одинаково, благодаря чему средняя температура в обоих отсеках одинакова (разумеется, на самом деле количество молекул должно исчисляться триллионами, но давайте упростим задачу). Демон, внимательно контролирующий процесс открытия дверцы, меняет местами 25 более быстрых молекул с одной стороны на 25 более медленных с другой. Для этого ему понадобится открыть дверцу 50 раз. Можно предположить, что энергия, растраченная им на открытие и закрытие дверцы, каким бы малым ни было ее количество, - это и есть цена, которую демон платит за снижение энтропии. Такая энергия, взятая извне, аналогична заводу механической игрушки, то есть снижению энтропии какой-либо системы путем выполнения работы, которая потребовала предварительного увеличения энтропии другой системы. Но если демон не располагает сведениями о состоянии молекул (под этим я имею в виду, что он не различает быстрые и медленные молекулы) и просто откроет перегородку случайным образом 50 раз, позволив половине молекул из левого отделения перейти в правое и наоборот, то средняя температура в обоих отсеках останется одинаковой, поскольку в обе стороны переместится одинаковое количество быстрых и медленных молекул. Следовательно, не имея этой информации или имея, но не используя ее, демон не снизит энтропию системы. При этом он потратит то же самое количество энергии на 50 открытий и закрытий дверцы. Очевидно, что усилие, которое требуется для управления движением дверцы, не имеет отношения к процессу сортировки молекул.

Догадка Силарда заключалась в том, что он обнаружил роль, которую в этом эксперименте играет информация. Он утверждал, что демон должен тратить энергию не на управление дверцей, а на определение скорости молекул. Так, получение информации всегда сопровождается затратами энергии, которая уходит на упорядочение новых данных в мозге демона. По существу, информация - это не более чем упорядоченное состояние сигналов в головном мозге или памяти компьютера, то есть состояние низкой энтропии. Чем больше информации хранится в нашем мозге, тем лучше он организован и структурирован и тем меньше его энтропия.

Это состояние низкой энтропии при хранении информации позволяет нам выполнять полезную работу. То есть информация немного напоминает батарею, хранящую потенциальную энергию, которую можно использовать для снижения уровня энтропии в каком-то другом месте.

Разумеется, демон Максвелла никак не может быть стопроцентно эффективным. Он будет использовать энергию на получение информации о местоположении и состоянии (температуре) всех молекул. Кроме того, он может потратить дополнительную энергию на использование этой информации для разделения молекул. Таким образом, энергия, изначально потраченная на получение информации, повышает энтропию окружающей среды. Дополнительная энергия, использованная демоном, повысит энтропию окружающей среды еще сильнее.

Итак, мы можем считать компьютер (или головной мозг) машиной, которая получает полезную энергию низкой энтропии, а именно электричество (или пищу), и преобразует ее в информацию, в отличие от бесполезной энергии высокой энтропии, такой как тепло или шум мотора. Эта информация может быть использована (или передана) физической системой для снижения собственной энтропии (например, путем упорядочения этой системы), взамен позволяя ей выполнить полезную работу. Поскольку ни один этап этого процесса не будет на 100 % эффективен, в ходе него всегда будет теряться некоторое количество тепла. Подъем энтропии, связанный с потерей рассеянного тепла, суммируется с тем, который связан с получением демоном энергии, требуемой ему в первую очередь для получения информации. Вместе эти два фактора более чем уравновешивают снижение энтропии, образовавшееся вследствие обработки информации. Второй закон спасен.

Что вообще означает слово «случайно»?

Давайте чуть внимательнее посмотрим на второй закон термодинамики и проблему порядка/беспорядка, ведь нам еще предстоит разобраться с самой сутью понятия энтропии. В примере с перетасовкой колоды карт, похоже, очевидно, что энтропия упорядоченной колоды, в которой все карты разложены по мастям и в порядке возрастания, низка и что энтропия случайным образом перемешанной колоды будет выше. Но что, если колода состоит всего из двух карт? Поскольку существует только два возможных способа разложить эти карты, пытаться разделить их на два варианта (более и менее упорядоченный) бессмысленно. А что будет в случае трех карт, скажем двойки, тройки и четверки червей? Что ж, вы вправе сказать, что последовательность «два, три, четыре» более упорядочена, а значит, имеет меньшую энтропию, чем последовательность «четыре, два, три». Но что, если все три карты будут двойками: червей, бубен и пик? Будет ли теперь одна из последовательностей упорядоченнее остальных? Разница между этим примером и предыдущим заключается только в том, что карты отличаются друг от друга мастью, а не достоинством. Вряд ли способ, с помощью которого мы отличаем одну карту от другой, влияет на количество энтропии. Последовательность «двойка червей, двойка бубен, двойка пик» имеет ни большую, ни меньшую энтропию, чем последовательность «двойка бубен, двойка червей, двойка пик».

Может показаться, что нашему определению энтропии как меры беспорядочности чего-то недостает, потому что определение беспорядка слишком узкое. В некоторых случаях очевидно, что мы имеем в виду, в других это не так. Позвольте мне развить эту мысль. Я продемонстрирую вам, что имею в виду, но для этого немного сжульничаю. Я возьму колоду карт и перетасую их, чтобы вы видели, что они действительно хорошо перемешаны. А теперь, скажу я, смотрите сюда. На ваш взгляд, я просто продолжу перемешивать их, как обычно. Но вдруг я заявляю, что теперь карты расположены в особенной последовательности. Звучит впечатляюще, ведь на первый взгляд я просто продолжил тасовать колоду. К вашему удивлению и плохо скрытому разочарованию, карты выглядят так же беспорядочно перемешанными, как и раньше. Это определенно не то, что вы бы назвали особенной последовательностью.

Тем не менее это она. Видите ли, готов поспорить на что угодно, что вы не сможете взять другую колоду карт и перемешать ее, чтобы получилась в точности такая же последовательность, как у меня. Вероятность того, что вам удастся это сделать, настолько же мала, как если бы я попросил вас взять перемешанную колоду и перетасовать ее так, чтобы карты вновь выстроились в упорядоченную последовательность (а вероятность этого равняется примерно 1 к 100 миллионам триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов). В общем, не стоит пытаться. Итак, если рассмотреть ситуацию под таким углом, моя случайная последовательность карт настолько же «особенная», насколько и новая неперемешанная колода. Что же насчет энтропии? Похоже, мы не можем утверждать, что энтропия колоды увеличилась, когда мы достигли настолько же маловероятной последовательности карт, как и та, которую мы имели вначале, какой бы хаотичной она ни выглядела.

На самом деле я пытаюсь вас надуть. Разумеется, в упорядоченной колоде есть нечто, что отличает ее от моей «особенной» последовательности случайно распределенных карт. В своей основе энтропия представляет собой скорее меру случайности , нежели меру неупорядоченности. Это может показаться игрой слов, но фактически это более строгое определение энтропии. Для измерения относительного уровня «особенности» используется научный термин «алгоритмическая случайность».

Словом «алгоритм» в информатике обозначают последовательность команд в компьютерной программе, а алгоритмическую случайность определяют как длину наиболее короткой программы, которая может заставить компьютер воспроизвести заданную последовательность карт (или чисел). Стало быть, в предыдущем примере с тремя картами, чтобы воспроизвести последовательность «двойка, тройка, четверка», потребуется команда «выстроить от меньшего к большему». В то же время для последовательности «четыре, два, три» понадобится более сложная команда. Получится что-то вроде «начать с наибольшего числа, оставшиеся распределить по возрастанию», и это не проще, чем дать дословную команду «вначале четверка, затем двойка, затем тройка». В любом случае алгоритмическая случайность последних двух команд несколько выше, чем первой, поэтому энтропия последовательности «четыре, два, три» немного выше, чем энтропия последовательности «два, три, четыре».

В случае полной колоды, состоящей из 52 карт, все становится еще понятнее. Довольно задать компьютеру команду воспроизвести последовательность упорядоченной колоды «начать с червей и расположить карты в порядке возрастания до тузов, затем сделать то же самое с бубнами, трефами и пиками». Но как вы запрограммируете компьютер на воспроизведение моей случайной последовательности перемешанных карт? Здесь нет короткого пути, и вам, возможно, придется дать исчерпывающую пошаговую команду «начать с короля треф, затем двойка бубен, затем семерка червей» и так далее. Если колода перемешана не до конца, в ней могут встречаться короткие последовательности неперемешанных карт, сохранивших изначальный порядок, что позволит укоротить программу. К примеру, если двойка, тройка, четверка, пятерка и шестерка пик лежат рядом, будет проще дать компьютеру команду «начать с двойки пик и расположить далее следующие четыре карты той же масти в порядке возрастания», чем расписывать команду для каждой карты отдельно (рис. 4.4).

Возможно, все эти разговоры о длине компьютерной программы ничего вам не дают, но на самом деле мы можем обойтись без такого способа определения алгоритмической случайности. Поскольку наш головной мозг, подобно мозгу демона Максвелла, представляет собой, по сути, компьютер, выполняющий команды, мы можем вместо понятия компьютерного алгоритма рассмотреть нашу способность к запоминанию. Если бы я ознакомил вас с последовательностью карт в перемешанной случайным образом колоде, а затем попросил распределить их по мастям в порядке возрастания, вы бы легко справились, поскольку это простая и конкретная инструкция (заметьте, что я позволяю вам посмотреть на карты и отсортировать их в правильном порядке, вместо того чтобы полагаться на случай, перемешивая их как попало). Но если бы я попросил вас расположить карты в колоде в том же порядке, что и карты в моей «особенной» последовательности, которую я получил путем случайного перемешивания, возможно, вам показалось бы практически невозможным запомнить порядок карт перед тем, как попробовать воспроизвести его в своей колоде. Вам необходимо намного больше информации, чтобы воспроизвести последовательность, чем в предыдущем случае. А чем больше информации о системе у вас имеется, тем больше будет ваша возможность упорядочить ее путем снижения энтропии.

Вечные двигатели

Уже довольно давно многие предприимчивые люди пытаются изобрести вечный двигатель, способный функционировать и производить полезную работу бесконечно (или, если сказать проще, производящий больше энергии, чем он потребляет даже на то, чтобы просто продолжать работать). Это невозможно.

Для начала я должен прояснить, что следует всегда быть очень осторожным, говоря, что в науке что-то невозможно. В конце концов, статистическая природа второго закона термодинамики учит нас, что формирование кубика льда в стакане теплой воды не до конца невозможно. Однако вероятность этого события настолько низка, что вам придется прождать больше времени, чем существует Вселенная, чтобы это произошло (поэтому такое событие можно исключить). Обычно, когда мы говорим, что что-то невозможно, мы имеем в виду «невозможно согласно нашему текущему пониманию законов природы и физических теорий, принятых в настоящее время». Разумеется, мы можем ошибаться, и именно проблеск этой надежды заставляет некоторых изобретателей продолжать пытаться сконструировать все более изощренные модели вечных двигателей.

Эти устройства можно разделить на две основные категории. Вечные двигатели первого рода - это устройства, которые нарушают первый закон термодинамики, поскольку производят работу без затрат энергии. Первый закон термодинамики - это закон сохранения энергии, который говорит о том, что в закрытой системе нельзя создать новую энергию. Любое устройство, которое претендует на то, чтобы создавать энергию из ничего, относится к этой категории.

Вечный двигатель второго рода не нарушает первый закон термодинамики, однако нарушает второй закон, превращая тепловую энергию в механическую работу таким образом, что энтропия системы при этом снижается. Тонкость заключается в том, что это должно произойти без всякой возможности того, что энтропия повысится где-то в другом месте, уравновешивая тем самым ситуацию. Как я уже упоминал, одна из формулировок второго закона гласит, что тепло перемещается из более горячих мест в более холодные. При этом энтропия повышается, однако из этого процесса можно извлечь полезную механическую работу и применить ее для снижения энтропии в другом месте, но только с условием, что снижение энтропии не превысит ее подъем, вызванный передачей тепла. Устройство, которое может извлекать энергию из объекта без сопутствующей теплопередачи от более теплого объекта к более холодному, подобно сосуду с демоном Максвелла, - это попытка создать вечный двигатель такого рода.

Разумеется, существует множество устройств, которые подчиняются обоим законам термодинамики, добывая энергию из малозаметных и трудноуловимых источников: давления воздуха, атмосферной влажности или океанских течений. Они не относятся к вечным двигателям, поскольку не нарушают законы физики. Вам просто нужно вычислить, какой источник энергии позволяет им работать (рис. 4.5).

Некоторые устройства, сконструированные на основе вращающихся колес или колеблющихся маятников, на первый взгляд выглядят так, будто они могут продолжать движение бесконечно без всякого источника энергии. Но это не так. Это просто очень эффективные устройства, не расходующие попусту изначальную энергию, запустившую их движение, без которой оно, разумеется, было бы невозможно. На деле все они в конечном итоге замедляются, поскольку ни один механизм не может быть на 100 % эффективным, и затухание все равно произойдет вследствие трения воздуха или подвижных частей, как бы хорошо они ни были смазаны.

Следовательно, вечный двигатель в принципе возможен только при условии отсутствия потерь энергии во внешнюю среду. Разумеется, любая попытка извлечь энергию из такого устройства приведет к его остановке.

Демон Максвелла и квантовая механика

После выхода работы Силарда споры вокруг демона Максвелла не прекратились. В наши дни физики продолжают гнаться за демоном, и в этой погоне они добрались до квантового мира и тех странных законов, которые действуют в масштабе атомов. В квантовой механике стоит нам только заговорить о самой идее определения местоположения и скорости отдельных молекул, как мы столкнемся с фундаментальной проблемой, связанной с количеством информации, которую мы можем получить. Это называется принципом неопределенности Гейзенберга, который гласит, что мы не можем одновременно точно установить, где находится частица (или молекула воздуха) и как быстро она движется, всегда остается некоторая нечеткость. Многие считают, что в конечном итоге именно эта нечеткость сохраняет второй закон термодинамики.

Может показаться, что квантовый мир стал последним оплотом надежды для тех, кто все еще не может расстаться с мечтой о вечном двигателе. Уже в течение нескольких лет делаются предположения о том, что это потенциально возможно, если использовать так называемую энергию вакуума или энергию нулевых колебаний. Из-за неопределенности квантового мира ни один его объект не может считаться по-настоящему покоящимся, и каждая молекула, атом или субатомная частица всегда будут иметь минимальную энергию, даже если остынут до абсолютного нуля (это и называется энергией нулевых колебаний). Это относится даже к энергии вакуума в пустом космическом пространстве: согласно квантовой физике, Вселенная наполнена энергией вакуума, и многие думают, что данную энергию можно каким-то образом добыть и использовать. Однако такой подход сталкивается с теми же трудностями, которые мы встретили, когда говорили об отделениях, заполненных молекулами воздуха. Энергия вакуума распределена равномерно, и любой способ ее добычи потребует траты большего количества энергии, чем мы сможем таким образом извлечь. Равномерно распределенную энергию вакуума нельзя собрать просто так, так же как и разницу температур между двумя отделениями сосуда нельзя создать без сторонней помощи.

Эта помощь может выражаться в виде информации, подобно той, которая содержится в голове демона Максвелла, однако нам все еще нужна энергия, чтобы вначале добыть эту информацию. И за эту энергию придется заплатить увеличением энтропии в каком-то другом месте.

Нам ни за что не одолеть второй закон термодинамики. Не забывайте об этом никогда.

Да, чуть не запамятовал: в начале этой главы я упомянул, что существует четыре закона термодинамики, но не рассказал вам еще о двух. Ничего сверхъестественного вы не услышите: третий закон термодинамики гласит, что энтропия идеального кристалла снижается до нуля, когда температура кристалла достигает абсолютного нуля. Что касается четвертого закона, единственный интересный факт заключается в том, что, хотя его добавили к первым трем намного позже, он считается более фундаментальным и поэтому известен не как четвертый закон, а как нулевой закон, поскольку должен идти перед тремя первыми. Он гласит, что если два тела находятся в термодинамическом равновесии (то есть имеют одинаковую температуру) с третьим телом, то они будут находиться в термодинамическом равновесии и между собой. Не особенно впечатляет. Этому закону присвоили номер ноль просто потому, что другие более важные законы слишком сильно устоялись, чтобы можно было сдвинуть их нумерацию. Это привело бы к множеству недоразумений, а мы этого не хотим, не так ли?

Цит. по: Каку М. Параллельные миры: об устройстве мироздания, высших измерениях и будущем Космоса / Пер. с англ. - М. : София, 2008.

Цит. по: Эйнштейн А. Сборник научных трудов. - М. : Наука, 1967. Т. 4.