“War esein Gott, der diese Zeichenschrieb?”

(«Был ли это Бог, кто начертал эти знаки?») — спросил австрийский физик Людвиг Больцман, обращаясь к поэзии Гете, чтобы выразить свое удивление и восхищение четырьмя короткими математическими уравнениями, которые появились в уме ученого-физика.

И для его восхищения действительно были основания. В 1860-х годах шотландскому физику по имени Джеймс Кларк Максвелл удалось суммировать все, что было на тот момент известно о таких феноменах, как электричество и магнетизм, в четырех коротких уравнениях, которые были столь же важны в плане теории науки, сколь элегантны эстетически. Но Максвеллу не просто удалось в этих уравнениях суммировать то, что было уже известно. Ему также удалось предсказать явление, которое никому не пришло бы в голову связать с электричеством и магнетизмом — феномен, который не был открыт до смерти Максвелла в 1879 году.

«Как такое могло быть возможно?» — спрашивал Людвиг Больцман, современник Максвелла и его коллега в установлении важных вех теоретической физики. Каким образом содержание столь богатой и разнообразной коллекции явлений могло быть суммировано в виде столь немногочисленных и мощных символов, как те, которые содержат четыре знаменитых строчки уравнений Максвелла?

В определенном смысле это остается большой научной тайной. Ведь дело не ограничивается тем, что в нескольких словах или уравнениях содержится максимум возможного и создается карта территории, карта, которая просто и ясно суммирует всю важную информацию и тем самым позволяет нам находить дорогу. Но — здесь-то и заключается тайна — была создана карта, которая позволяет нам видеть детали территории, не известные на тот момент, когда создавалась карта!

Физика появилась как теоретическая наука, которая была одной из форм объединения различных разрозненных явлений в единую теоретическую базу. В 1687 году Исааку Ньютону удалось впервые объединить различные природные явления в единый теоретический образ, когда он представил свою теорию гравитации. Сама теория была довольно элегантной с математической точки зрения, но ее реальное значение состояло в том, что она объединяла знания о двух различных, хотя и сходных, группах явлений. В начале 1600 годов Галилей основал современную теорию движения тел на Земле — падение тел, ускорение, колебания и многое другое — и в тот же период Иоганн Кеплер сформулировал серию законов, которые описывают движение планет вокруг солнца. И Галилей, и Кеплер базировались в своих теориях на наблюдениях. Для Галилея это были его собственные эксперименты, для Кеплера — наблюдения за планетами датского астронома Тихо Браге.

Демон должен быть изгнан. Первые десятилетия 20 века стали одной длинной чередой побед идеи, что материя состоит из атомов и молекул. Идеи Максвелла и Больцмана, касающиеся статистического поведения больших скоплений подобных атомов и молекул, были подтверждены, несмотря на определенное сопротивление, которое оказалось для Больцмана столь фатальным.

В конце 19 века споры о существовании атомов все еще были настолько ожесточенными, что проблему демона Максвелла можно было до поры до времени оставить в покое. Но чем дальше мы продвигаемся к 20 веку, тем яснее становится, что с этим демоном у нас серьезная проблема. В конце концов, оказалось, что имеется проблема со вторым законом термодинамики — то есть если бы мы имели достаточно знаний о мире, все было бы так, как мы хотим. Но как нам известно, все совсем не так.

Венгерский физик Лео Сцилард в 1929 году выдвинул отличный вопрос: можно ли знать все о мире, не меняя его. Ответ был простым: нет, нельзя.

В документе под устрашающим названием «Об увеличении энтропии в термодинамических системах при влиянии мыслящих существ» Сцилард задался вопросом о цене обретения знаний и о том, сможет ли такая цена «спасти» второй закон от демона Максвелла.

Лео Сцилард сам дал ответ на собственный вопрос. Он выяснил, что цена знания для спасения второго закона была бы слишком высокой. Если вы хотите быть таким же умным, как и демон Максвелла, вам придется конвертировать огромное количество энергии, а, следовательно, создать огромное количество энтропии в противовес накоплению знаний. Демон получает свое преимущество, наблюдая за абсолютно каждой молекулой, будучи готовым закрыть отверстие немедленно. Но подобное преимущество перевешивается его ценой: чтобы быть готовыми закрывать и открывать заслонку между двумя камерами в нужный момент, нам придется изучить движение всех без исключения молекул. Так что нам придется измерить все частицы. А это имеет свою цену. Сцилард объясняет: «Можно предположить, что процедура изменения будет фундаментально связана с производством определенного среднего количества энтропии — и это восстановит соответствие со вторым законом».

Если наука может достичь своих целей, то и демон Максвелла тоже может достичь своих целей — пробить дыры в самом фундаментальном законе природы, открытом наукой.

В действительности это последствия вопроса, заданного Войцехом Зуреком в 1988 году: если единственная причина, по которой не работает демон Максвелла, заключается в том, что демону приходится тратить огромное количество энергии на то, чтобы забыть все, что он узнал, демон мог бы суммировать свои знания в новой формуле, которая не потребует за забывание высокой платы. Затем он сможет воспользоваться практически всеми преимуществами своего знания мира на молекулярном уровне: он сможет извлекать тепло из ночного мороза — бесплатно. Второй закон термодинамики будет нарушен, вечный двигатель станет возможным — и привычное научное видение мира окажется под угрозой.

Так что, скорее всего, у демона не получится «сжать» свои знания до нескольких простых формул и данных, которые рассказажут всю историю молекул в контейнере, где действует демон.

Но если демон не сможет этого сделать, это наверняка будет не по силам и человеку? Целью науки всегда было создание наиболее краткого из всех возможных описания мира. Но этой краткости, с которой может быть описан мир, есть свой предел. Иначе с демоном Максвелла будут проблемы.

Это следствие вопроса Войцеха Зурека: если мы сможем доказать, что у нас получится описать весь мир в достаточно краткой форме, самое фундаментальное утверждение в нашем восприятии мира будет сломано: нарушится второй закон термодинамики.

«Какое яблоко?» — Сет Ллойд был быстр. Очень быстр. На самом деле ему удалось выдать довольно хорошую практическую шутку.

Физик из Калифорнийского института технологии стоял спиной к затихшей аудитории. Он писал на доске формулы и одновременно объяснял, как ему удастся вывести сущность всех вещей из определения информации.

Был день пятницы 20 апреля 1990 года, и в начале недели Джон Вилер предсказал, что к этому моменту все собравшиеся получат объяснение того, как сложена Вселенная. Конечно, в Институте Санта Фе этого пока не произошло, но многие физики ощущали, что конференция по сложности, энтропии и информационной физике действительно приближалась к чему-то интересному. «Все от бита», — как объяснял это седеющий провидец Джон Вилер, имея в виду вывод теории вещей из теории информации.

Сет Ллойд начал свою лекцию «Логические разногласия» рассказом о яблоке и его самости. «Я хочу попытаться сделать то, что предложил Вилер — и вывести это из бита», — сказал Ллойд и откусил от яблока (

игра слов: bit — бит и bite — кусать

).

Но вскоре он переключился со своего материального яблока к более теоретическим материям, обернутым в очень длинную серию уравнений, которые Ллойд царапал на доске, а пара дюжин физиков в это время старались не уснуть в конце этого последнего дня недели.