Демон Максвелла

Каков физико-химический состав ада? Журнал L'Ami du clergé, основанный ради борьбы с франкмасонством, ответил на этот животрепещущий вопрос, заданный в 1902 году неким кюре, с изрядной долей раздражения: «Должен быть соответствующий закон, но Господь не открыл его нам, так как вообще не имеет обыкновения открывать нам научные формулы, совершенно бесполезные для правильного поведения».

В начале XX века даже ад не освобождался от общего требования, составлявшего стержень современной науки: должны быть законы природы. И в тот момент, когда обеспокоенный кюре задавал свой вопрос. все эти законы казались уже сформулированными, за исключением разве что некоторых частностей. Тогда почти никто еще не знал, что Макс Планк, хотя и не без колебаний, уже погнал квантового зайца, введя прерывность в самое сердце материи[20]. Напротив, тогда верили, как верил профессор Филипп фон Йолли, лекции которого Планк слушал в университете Мюнхена и которыйотговаривал своего ученика начинать научную карьеру, что термодинамика ставит заключительную точку в теоретической физике и что мир отныне лишен тайн. От движения планет и до электромагнитных волн — все явления объясняются законами Ньютона и уравнениями Максвелла.

И те и другие как будто предполагают, что во Вселенной царит детерминизм — гигантские часы, в которых каждое действие механически привязано к какой-то причине. В «Философском эссе об основании вероятностей», вышедшем в 1814 году, маркиз Пьер Симон де Лаплас предоставил своим современникам апологию, долго еще служившую иллюстрацией науки XIX века. Там он показывал, как ум, обладающий знанием положения и скорости каждой материальной точки во Вселенной, мог бы восстановить прошлое и точно рассчитать будущее. В ньютоновской механике прошлое и будущее практически эквивалентны, поскольку все ее уравнения инвариантны относительно замены направления времени.

А каково же тут место Бога? Наполеону, спросившему, почему он не упоминает Божественного Создателя в своем «Изложении системы мира», Лаплас гордо ответил: «Сир, я не нуждался в этой гипотезе». Ему можно возразить, как это сделал Гастон Башляр, что «гипотеза о существовании математика, обладающего формулой, позволяющей вычислить как прошлое, так и будущее всякого движения, эквивалентна гипотезе Бога». С той лишь разницей, что упомянутый им «ум» вскоре нарекут «демоном Лапласа», так как идея абсолютного знания отдает змием за сотню яблонь. На жалобу Фауста Гёте «Ах, если бы я мог знать все, что природа прячет…» маркиз (к слову сказать, современник великого поэта) без колебаний заявляет, что в принципе это возможно. Только нужно иметь знакомого демона (с этим у Фауста все было в порядке), а кроме того — и это главное — согласиться, что при наличии формулы, которая позволяет рассчитать движение каждого атома, из нее можно вывести все остальное, потому что всякая сложная система сводится к простой сумме простых систем.

Конечно, все это слдишком иллюзорно. В астрономии не удается получить точное решение, если только речь не идет о двух взаимодействующих звездах. Вдобавок всякий современный математик может без труда показать, что детерминизм и обратимость в динамике сохраняются только в самых простых случаях. Наконец, Илья Пригожин и Изабель Стенгерс пишут в своей книге «Новый альянс»:

В мире, созерцаемом демоном Лапласа, отсутствуют сложность и история. Природа, предполагаемая классической динамикой, обладает одновременно двумя свойствами: амнезией и полной определенностью будушего прошлым.

Но в XIX веке (а мы увидим, что и в наши дни демоны неистощимы на подвохи) идея лапласовского детерминизма носилась в воздухе: хорошее уравнение куда ценнее магического кристалла.

Именно в таком контексте в торжествующей физике эпохи возник второй демон. Коробочка, из которой он выпрыгнул, была изготовлена Карно, Клаузиусом, Майером и некоторыми другими — речь идет о термодинамике. Ее второе начало, в частности, утверждает, что всякая работа сопровождается рассеянием энергии. Такой ее деградации и превращению в тепло соответствует рост энтропии, то есть беспорядка в системе: примененное к Вселенной в целом второе начало предполагает неизбежность «тепловой» смерти, когда вся механическая энергия рассеется в виде тепла. Поначалу казалось, что термодинамика полностью согласуется с идеей детерминизма, ибо будущее всей Вселенной предопределено. Но как же согласовать обратимость уравнений ньютоновской механики с термодинамической необратимостью? С одной стороны, необратимость как будто бы полностью соответствует нашему повседневному опыту: эмбрион развивается в младенца, младенец превращается во взрослого человека — и никогда наоборот… Но с другой стороны, биологическая необратимость явно противоречит второму началу термодинамики. требующему возрастания беспорядка в системе, так как организмы, эволюционируя, не становятся со временем менее развитыми. Этот парадокс времени — объясняемый тем. что живые существа не являются «изолированными системами» и поэтому к ним второе начало неприменимо, — привлекал некоторых мечтателей от физики. Джеймс Клерк Максвелл, основатель электродинамики, пытался найти способ показать несостоятельность второго начала. Он представил себе камеру, разделенную на две части перегородкой и заполненную газом из моекул, имеющих различные скорости, а у отверстия в перегородке — демона (лорд Кельвин решил демонизировать невинное существо, придуманное Максвеллом), играющего в швейцара и услужливо открывающего клапан в отверстии при виде молекулы со скоростью выше средней, чтобы она смогла проскочить из правой части в левую. Медленные молекулы остаются в правой части. В конце концов, как объяснял Максвелл, газ в левой части будет становиться все более и более горячим (состоящим из быстрых молекул), а в правой — все более и более холодным (состоящим из медленных молекул), вопреки второму началу термодинамики. А все благодаря «уму маленького наблюдательного существа».

Много позже, на конференции «Наука и свобода суждений» Максвелл заявит выпускникам Кембриджа, что только динамические объяснения полностью детерминированы. И придется ждать физиков Лео Сциларда и Леона Брилльюэна, чтобы они разрешили в 1950 году парадокс Максвелла: накопление информации, по словам Брилльюэна, эквивалентно расходованию энергии. Поэтому накопление знаний демоном Максвелла влечет также возрастание энтропии. «Демон состарился, пора отправлять его на пенсию», — иронично завершил Брилльюэн свое рассуждение. И все же демон, несмотря на почти полную дисквалификацию, остается покана своем посту. Пристрастие к мифу об объяснимости Вселенной простыми универсальными законами, допускающими математическую формулировку, — болезнь с рецидивами, а вместе с ними возвращается вера в то, что вот-вот ученые смогут построить оончательную теорию. «Потребуется несколько лет, — говорил Френсис Бэкон около 1600 года, — чтобы окончательно разоблачить все тайны природы». Эхом на эти слова откликнулся астрофизик Стивен Хокинг в 1980 году, когда, заступая на кафедру, возглавляемую некогда Ньютоном, дал своей инаугурационной лекции такое заглавие: «Виден ли конец теоретической физики?» Подразумеваемое здесь утверждение умышленно провокационно, но оно верно отражает важную часть воображаемого мира науки. И нашего демона, если у кого есть желание его поискать, несложно обнаружить в добром здравии, поселившимся в молекулярной биологии и генетике. Ему даже оказана честь быть упомянутым в названии одной из глав знаменитой книги Жака Моно «Случай и необходимость», и он всегда при деле у тех, кто привержен идее биологического детерминизма. В середине 1970-х годов Е. О. Уилсон, специалист по муравьям, написал толстый кирпич, озаглавленный «Социобиология», где, тщательно проанализировав сообщества насекомых, он переходит, в самом конце книги, к далеко идущим аналогиям, имеющим уже отношение к людям. Волей-неволей он открыл лазейку для самых разных «социобиологов». строящих свои теории вокруг простой идеи: общество — следовательно, гены определяют общество. Эта идея, очевидно, пользуется большой популярностью в Соединенных Штатах — иначе почему там верят группам ученых, которые напряженно ищут гены, ответственные за склонность к насилию, гомосексуализму или интеллектуальной деятельности? Хотя гены, несомненно, играют свою роль в формировании поведения, поведение ни в коем случае не может сводиться лишь к выражению гена.

Внезапно наши демоны, напоминая скорее персонажей мультфильмо Тэкса Эйвери, стали обнаруживать фаустовский энтузиазм по отношению к науке. Об этих демонах, а значит, и об ученых вполне можно сказать словами Мефистофеля: «Я — часть той силы, что вечно хочет зла и вечно совершает благо…» Они всегда терпят крах в поисках окончательного закона, зато обречены на успех во все новых и новых открытиях.

Примечания:

2

ЦЕРН — Европейский центр ядерных исследований в Женеве. (Прим. перев.)

20

Точнее, Планк считал, что обмен энергией между материей и излучением может осуществляться только конечными порциями, не поддающимися дальнейшему делению.