Демон Максвелла здоров и весел

Тренды
Москва, 23.08.2007
«Русский репортер» №12 (12)
Вышла книга двух французских физиков — Никола Витковски и Свена Ортоли. «Ванна Архимеда» — это попытка разобраться с многочисленными научными мифами от «Эврики!» до Большого взрыва

«Всякому известно, что на Ньютона падали яблоки, что Эйнштейн высовывал язык, что Архимед с криками выскакивал из ванны, что Леонардо да Винчи знал все наперед и что все ученые — ученики чародея, способные когда-нибудь в будущем создать у себя в лабораториях очередную несовершенную версию Франкенштейна. Этим исчерпываются необходимые сведения о науке, поскольку любое научное — то есть непонятное — событие может быть описано с помощью той или иной из этих схематических картинок», — так начинается книга «Ванна Архимеда. Краткая мифология науки». На русском языке она выйдет в октябре этого года в серии «Мелкоскоп» издательства «Колибри». Ее написал Никола Витковски, профессор физики, известный во Франции популяризатор науки, вместе со Свеном Ортоли — физиком и журналистом.

В «Ванне Архимеда» собраны самые хрестоматийные картинки, которые должны символизировать науку для непосвященного обывателя. Тут и ванна Архимеда, и яблоко Ньютона, и кот Шредингера, и бабочка Лоренца. Каждый из мифов авторы раскладывают на своем столе и с увлечением препарируют. Вот, например, знаменитая бабочка, которая, взмахнув крылом в одной точке земного шара, вызывает ураган в другой. Витковски и Ортоли не поленились и, прошерстив гору статей и книг, собрали полный список мест, где согласно метафоре обитала бабочка и где она вызвала стихийное бедствие. Бабочка в Пекине — буря в Нью-Йорке, бабочка в Калифорнии — смерч в Нормандии, бабочка в саду тетушки автора — циклон в Маниле…

Каждый научный миф обрастает собственной историей и смыслом, протягивая свои генно-модифицированные щупальца и в нашу эпоху. Только не надо понимать слово «миф» как оскорбление. Авторы пишут о реальной науке, а не о поисках гиперборейцев или третьем глазе. «То, что наука, со своей стороны, служит хранилищем наших мифов, — это скорее признак ее силы. Обратное означало бы атрофию, неспособность в итоге реставрировать в оттенках нашей эпохи великий проект, стоящий у истока современной науки, ее своего рода основополагающий миф».

С любезного разрешения издательства «Колиб­ри» мы публикуем главу «Ванны Архимеда», посвященную демонам Максвелла и вечным попыткам вывести окончательный закон всего.

Из книги «Ванна Архимеда»

Каков физико-химический состав ада? Журнал L'Ami du clerge, 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 ХХ 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. Напротив, тогда верили, как верил профессор Филипп фон Йолли, лекции которого Планк слушал в университете Мюнхена и который отговаривал 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 Гете «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 слишком 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 будущего 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.

Пристрастие к мифу об объяснимости Вселенной простыми универсальными законами — болезнь с рецидивами, а вместе с ними возвращается вера в то, что вот-вот ученые смогут построить окончательную теорию

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 ко 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 молекул, 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 Бриллюэна, чтобы они разрешили в 1950 году парадокс Максвелла: накопление информации, по словам Бриллюэна, эквивалентно расходованию энергии. Поэтому накопление знаний демоном Максвелла влечет также возрастание энтропии. «Демон состарился, пора отправлять его на пенсию», — иронично завершил Бриллюэн свое рассуждение.

И все же демон, несмотря на почти полную дисквалификацию, остается пока на 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 окончательную теорию.

«Потребуется несколько лет, — говорил Фрэнсис 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 Э.О. Уилсон, специалист по муравьям, написал толстый кирпич, озаглавленный «Социобиология», где, тщательно проанализировав сообщества насекомых, он переходит в самом конце книги к далекоидущим аналогиям, имеющим уже отношение к людям. Волей-неволей он открыл лазейку для самых разных «социобиологов», строящих свои теории вокруг простой идеи: гены определяют человека, человек определяет 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 мультфильмов 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.

Новости партнеров

«Русский репортер»
№12 (12) 23 августа 2007
Террор
Содержание:
Во имя страха

Редакционная статья

Фотография
Вехи
Портфолио
Путешествие
Реклама