Удивительно, что законы термодинамики и энтропии, которые теперь считаются абсолютным фундаментом современной физики, появились в учебниках только в XIX веке.
Это произошло благодаря трем титанам науки того времени: Рудольфу Клаузиусу, Людвигу Больцманну и Джеймсу Клерку Максвеллу, которые годами изучали кинетическую теорию газов, пытаясь сформулировать последствия движения свободных частиц. Они поняли, что хотя более высокая температура газа означает более высокую скорость молекул, мы говорим о статистике.
В конечном итоге все перемешивается и усредняется
Последствия наблюдаем каждый день. Все мы знаем, что если поместить один конец металлического стержня в раскаленную печь, через некоторое время тепло достигнет и другого конца. Тем более, что никто из нас не ожидает, что половина воды в кастрюле, стоящей на огне, начнет пузыриться, а другая будет поддерживать комнатную температуру.
Каждая из триллионов частиц движется совершенно случайным образом, и это звучит абсурдно, чтобы сгруппировать их в упорядоченные группы. Эта естественная тенденция к равномерному распределению энергии в системе по-прежнему прописана заглавными буквами в содержании второго закона термодинамики. Самопроизвольное упорядочение сложных систем – без участия внешнего фактора – было бы равносильно изменению хода энтропии.
Однако Максвелл решил бросить вызов законам термодинамики. Шотландский отец электромагнетизма разработал провокационный мысленный эксперимент и задал любимый вопрос всех теоретиков:
Что, если…
Что, если бы, несмотря ни на что, существовало устройство, способное эффективно разделять отдельные молекулы? Предложение ученого было следующим.
Помещаем крохотного демона в ящик, наполненный газом определенной температуры. В центре емкости проходит перегородка с одним отверстием, через которое одновременно может быть выдавлена только одна молекула. Наш воображаемый демон действует здесь как швейцар.
Он открывает ворота только в двух случаях: когда он видит слишком быструю частицу, приближающуюся с одной стороны, и когда он видит чрезвычайно «анемичную» частицу, приближающуюся с противоположной стороны. Во всех остальных ситуациях дверь остается плотно закрытой.
Так демон Максвелла смеется над энтропией, постепенно сортируя молекулы газа так, что быстрые идут в одну сторону, а медленные — в другую.
Исключенный нами ранее сценарий реализуется. Ящик, заполненный газом с однородной температурой, теперь наполовину холодный, наполовину горячий. Системная энтропия уменьшилась!
