Читать книгу Информационный Завет. Основы. Футурологическое исследование - Роман Александрович Бабкин, Роман Александрович Дорошенко, Роман Александрович Брунер - Страница 11

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

Выдающийся учёный, профессор математики Людвиг Больцман (Ludwig Boltzmann) в 1872 году опубликовал свою знаменитую H-теорему. Её суть сводилась к тому, что в любой замкнутой системе со временем энтропия (неупорядоченность) возрастает и достигает максимума в состоянии равновесия. Строго говоря, теорема относилась к термодинамическим системам, т.е. описывала поведение материи и энергии на макро-уровне (например, объём любого газа или жидкости). Взаимодействие между элементами системы на микро-уровне (между атомами и молекулами газа или жидкости) не учитывалось. Это допущение было обозначено как гипотеза молекулярного хаоса². Такое же предположение сделал Максвелл, когда придумывал своего демона.

Больцман обоснованно полагал, что вероятность того, что термодинамическая система будет вести себя так, как будто в неё вселился демон Максвелла, крайне мала. Поэтому его H-теорема вполне могла претендовать на некий универсальный закон Природы – закон возрастания энтропии³. Позже была предложена формула для этого закона:

S = k × logP

(здесь S – энтропия системы, k – постоянная Больцмана, P – вероятность термодинамического состояния системы).

Публикация вызвала бурные споры в научном сообществе. Физик Иоганн Лошмидт (Johann Loschmidt) в 1876 году заметил: что же получается – на макро-уровне одни законы Природы, а на микро-уровне – другие? Пренебрегать взаимодействием между частицами системы нельзя! Процессы движения материи и энергии должны быть одинаковы на любом уровне наблюдения, и, что ещё важнее, они должны быть обратимыми²³.

В термодинамической системе, описанной Больцманом, молекулы, сталкиваясь и передавая друг другу энергию, могут это делать так, что их неупорядоченность будет убывать. Т.е. вместо того, чтобы равномерно распределиться в полном беспорядке, они возьмут и выстроятся, например, в форме конуса. Почему? Потому что могут. Потому что существует, опять-таки ничтожно малая вероятность такого развития событий. И тогда «универсальный» закон возрастания энтропии будет нарушен. Гипотетическое существо, которое могло бы учинить сие безобразие, назвали «демоном Лошмидта».

Парадоксы множились, а удовлетворительного их объяснения не находилось. Больцман попросту отмахнулся от критики. Ему приходилось отражать атаки и на других научных фронтах.

Великий французский математик Жюль Анри Пуанкаре (Jules Henri Poincare) в 1890 году сформулировал теорему о возвращении. Одним из её следствий был вывод о том, что в закрытой системе через очень большой промежуток времени молекулы газа, находившиеся вначале в упорядоченном состоянии, а потом (согласно Второму началу термодинамики) – в хаотическом состоянии, в итоге снова выстроятся в упорядоченную структуру.

Другой великий математик Эрнст Цермело (Ernst Zermelo), опираясь на эту теорему, предположил, что энтропия в замкнутой системе подчинена периодическому закону³³. В таком случае Второе начало термодинамики – универсальное правило для всего и вся, в т.ч. и для Вселенной. Получалось, что Клаузиус был прав: нас всех неминуемо ждёт глобальная «тепловая смерть».

Людвигу Больцману крайне не нравилась идея монотонного дрейфа к всеобщему термодинамическому армагеддону. Но, с другой стороны, сам он был автором «универсального» закона возрастания энтропии. «Демон Лошмидта», безусловно, тревожил его.

Учёный выдвинул альтернативную концепцию. Он, как и все в то время, разделял мнение, что обратимость природных процессов – непреложный закон (на что указал Лошмидт, критикуя его H-теорему). Но, если большинство учёных считали, что вся Вселенная катится к естественному и закономерному концу, то Больцман предположил, что конец уже наступил.

Вселенная мертва: она находится в состоянии термодинамического равновесия. В текущем состоянии, утверждал Больцман, система мироздания обладает в среднем очень высоким уровнем энтропии. А мелкие островки упорядоченности (например, планета «Земля») – просто-напросто случайность. Жизнь – незначительная в масштабе Вселенной флуктуация, которая компенсируется где-то в другом месте. Где энтропия выше среднего. У нас – Порядок и «нормальное» течение времени. А там – наоборот: Хаос и стрела времени, обращённая вспять.

Если такая картина миропорядка покажется вам чересчур… экстравагантной, то надо сказать, что примерно то же представление о Вселенной имели, например, Макс Планк и Альберт Эйнштейн. Почему? Потому что концепция многое объясняла.

Космологическая теория Больцмана преследовала важную цель. Не опровергая, ставшее почти священным, Второе начало термодинамики, учесть неудобные статистические вероятности, неизбежно возникающие в такой сложной динамической системе, как Вселенная.

Замысловатая концепция Больцмана не могла не породить очередной парадокс.

В XX веке большинство физиков пришло к мнению, что пространство Вселенной евклидово, т.е. имеет нулевую кривизну. Переводя на человеческий язык, это означает, что расширение Вселенной будет продолжаться бесконечно, постоянно при этом замедляясь. Короче говоря, Вселенная будет существовать вечно.

«Вечно» – это как-то очень долго, не так ли? За этот период времени, согласно интерпретации Больцмана, может произойти бесконечное число флуктуаций. Включая разумную жизнь. Такой объект полуиронично назвали «больцмановский мозг» (boltzmann brain) ¹².

Если мы с вами решим прогуляться по вечной Вселенной, то постоянно будем натыкаться на плавающие повсюду «больцмановские мозги», поглядывающие на нас свысока. Ведь мы – продукт нудной эволюции и единственные в своём роде (этакие «белые вороны»), а они – результат бессчетного числа случайностей (по их мнению, закономерностей) и их много. Уверен, «супер-мозги» непременно устроили бы нам серьёзную взбучку.

Сегодня благодаря достижениям квантовой физики и солидному багажу научных фактов противоречивые концепции прошлого, казалось бы, забыты. Однако для становления научного понимания информации идеи Людвига Больцмана имели огромное значение.

Формула Больцмана, абсолютно верная для описания поведения молекул газа или жидкости, но всё же не абсолютный закон всего – это черновой набросок формулы вычисления информации. Основная мысль здесь: связать степень упорядоченности системы со статистической вероятностью обнаружения её элементов. Идею подхватили другие учёные: Джозайя Гиббс (1902 год) и Макс Планк (1925 год), опубликовавшие работы, в которых догадка Больцмана обрела строгую математическую форму^8,18.

Для того, чтобы сделать логический переход – от термодинамики к информационному обмену – надо было вообразить, что частица является не только носителем энергии, но и информации. Такой шаг был сделан создателями математической теории информации полвека спустя.

«Демон Лошмидта», спор Больцмана и Цермело, заострил внимание других математиков на проблеме статистической меры информации. Заставил размышлять – при каких условиях сохраняется смысл информации, а в каких – наступает информационный хаос?