Во второй половине XIX века шотландский физик Дж. Максвелл предложил мысленный эксперимент, целью которого было поколебать непроходимую уверенность физиков во втором начале термодинамики. Этот эксперимент он опубликовал в своей работе "Теория теплоты" (1872), которую читали считанные единицы: настолько напичкана она формулами и терминологией. Что не помешало демону вырваться на широкие просторы публичного обсуждения, частично потому что уже в 1874 сам Максвелл опубликовал об этом эксперименте достаточно популярную статью, а еще больше потому что многие ученые, как бык на красную тряпку, сразу же бросились опровергать своего коллегу.
И опровергают до сих пор. Что крайне неудивительно, ибо Максвелл выходит в этом эксперименте далеко за рамки чисто научной проблемы и вторгается в основополагающие космологические идеи нашего миросозерцания: нашего -- ученых и неученых. На кону стоит вопрос не более и не менее, как о возможности вечного двигателя, и более того, о возможности самопроизвольного, без бога или иной разумной силы, зарождения в недрах хаоса порядка.
СУТЬ ЭКСПЕРИМЕНТА
описана много раз и достаточно хорошо. Так проста, понятна и наглядна его идея. Имеется некое замкнутое пространство, наполненное газом. Газ, по утвердившимся ко времени Максвелла представлениям, состоит из молекул, которые насаются туда-сюда, то есть хаотично. Температура газа, а если быть более точным, то его тепловая энергия напрямую зависят от скорости молекул: она тем выше, чем быстрее насаются молекулы и наоборот. У каждой молекулы своя скорость, поэтому речь идет о средней скорости, которая в заданном объеме не меняется, при этом скорости отдельных молекул могут очень сильно отличаться друг от друга. (Как раз незадолго до этого Максвелл установил закон распределения молекул по скоростям в газе, каковой закон носит, понятно, вероятностный характер).
Так вот Максвелл перегораживает, разумеется мысленно, это пространство на две половины перегородкой, которая снабжена маленькой дверцей. А возле этой дверцы в качестве привратника приставлен чертик. Как только подлетает к дверце молекула, скорость которой выше средней, он открывает дверцу и впускает молекулу в другую половину. А как только с другой стороны подлетает молекула со скоростью ниже средней, он пропускает ее в обратном направлении. Так через некоторое время в одной половине создастся значительный перевес быстрых молекул, и, соответственно, температура ее резко повысится против средней, в другой точно так же резко понизится.
ДЕМОН И ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВТОРОГО РОДА
Одним из первых и самых яростных критиков невозможности подобного эксперимента выступил Томсон, один из авторов второго начала термодинамики. Согласно этому началу, газ самопроизвольно никак не может переходить из менее упорядоченных состояний в более. Другими словами, если одинаковая температура во всех частях замкнутого пространства свидетельствует о полной хаотичности движения молекул (неупорядоченности), то различная температура в разных частях -- это уже будет некоторый порядок.
Или, говоря современным языком, чем ниже порядок в замкнутой системе, в т. ч. и в сосуде, наполненном газом, тем выше его энтропия. Самопроизвольно она может только повышаться (температура выравниваться), но никак не понижаться.
Признание возможности существования демона Максвелла было бы для Томсона и всех физиков равносильно признанию возможности существования русалок, леших и прочей чертовщины.
Например, вечного двигателя. В самом деле. Вот как формулирует второе начало термодинамики Томсон: "невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к поднятию некоторого груза и охлаждению теплового резервуара". Такая машина как раз бы и была своеобразным вечным двигателем. Мы изымаем некоторым образом из тела теплоту, затем превращаем ее в механическую энергию. А теплоту, которая выделяется из-за трения при работе такого механизма, мы снова возвращаем в резервуар. Дело за малым: научиться изымать из тела теплоту.
Что и делает демон Максвелла: открывая-закрывая дверцу он концентрирует теплоту в одной части сосуда, которую и используют для механической работы. После этого теплая часть резервуара становится холодной. И тут снова начинает отрывать-закрывать дверцу демон, и опять образуется теплота, которую снова можно превращать в работу.
Вопрос не в том, насколько эффективна будет такая машина: ведь нужно некоторое время, чтобы отсортировать молекулы по теплоте: хотя демону это и раз плюнуть, вопрос в том, что такая машина без дров, угля и нефти будет постоянным источником теплоты: ведь молекулы-то никуда не деваются.
КРИТИКА ДЕМОНА
Томсон так толком и не смог указать, в чем ошибка Максвелла. Еще меньше это смогли сделать другие ученые. В наиболее популярной трактовке максвеллового эксперимента предполагается, что демон находится либо за пределами резервуара, либо в самом резервуаре, но получает информацию извне. Как только подлетает быстрая молекула, он получает сигнал: открывай дверцу с одной стороны, как только медленная -- открывая с другой. Но такая информация, по мнению критиков -- это уже есть воздействие, требующее затрат энергии.
Вздорность критики очевидна: ибо сами понятия энтропии и информации, которые используют критики, нуждаются в фундаментальном осмыслении. Таким образом, мы отвергаем невозможность демона Максвелла на основании произвольно введенных или по крайней мере до конца не додуманных принципов.
Другая критика исходит из того положения, что демон находится внутри. Демоном может быть этакая очень легкая дверца, которая открывается от удара слишком быстрой молекулы в одну сторону, а от недостатка ударов -- в другую. Теоретически такая дверца возможна. Но, говорят критики, она постоянно будет барахлить из-за неизбежных флуктуаций, то есть действовать хаотически.
Что такое флуктуации, никто теоретически еще до этого не додумался, хотя все практики с нею знакомы очень даже хорошо. В любой равновесной системе обязательно происходит самопроизвольное упорядочение движения молекул или других частиц. Например, в замкнутой электрической цепи обязательно возникает самопроизвольно ток, даже если цепь не подключена к источнику тока. Те кто работает с высокоточными электрическими и тепловыми измерениями, это прекрасно знают и просто в отчаянии от этой флуктуации. У самого точного измерительного прибора стрелка обязательно слегка подрагивает возле какого-то установившегося значения -- это и есть флуктуация, избавиться от которой никак не удается.
Но ведь флуктуация это как раз и есть то самое превращение хаотического движения молекул в упорядоченное, которым и занимается демон Максвелла. И тот факт, что флуктуации очень малы -- их значение в объеме газа определяется формулой Найквиста: [флуктуация] пропорциональна величине 1/?N (вместо вопроса здесь должно быть корень из N, но у меня нет редактора формул; N же-- число молекул в данном объеме, чтобы было ясно сколько это напишу цифрой N = 10000000000000000000, и это всего лишь в 1 кубическом сантиметре газа) -- не меняет принципа: самопроизвольное упорядочение замкнутых систем есть: и это главное.
Так что демон Максвелла дразнит нас и еще долго будет дразнить неразгаданностью самых фундаментальных законов природы.
МИНИАТЮРЫ О НАУКЕ
http://proza.ru/2023/03/21/327