В 1871 году, через четыре года после того, как Максвелл предложил этот мысленный эксперимент в письме к Тэйту, он описал его снова в учебнике “Теория теплоты”. Вскоре после этого идея, похоже, попалась на глаза Уильяму Томсону, который изложил свои соображения в опубликованной в 1874 Г°ДУ статье, где назвал “крошечное существо” Максвелла “демоном”. Прозвище прижилось. Томсон, как и Максвелл, подчеркнул абсурдность демона, чтобы показать, что в реальном мире, где демонов не существует, теплота самопроизвольно перемещается лишь из горячей зоны в холодную, но не наоборот. Второе начало термодинамики было в безопасности.
Следующие шесть десятилетий демон Максвелла жил в относительной безвестности. Затем, в 1929 году, он вернулся, чтобы подразнить нас наличием возможной связи между информацией, энергией и энтропией. На этот раз его воскресил ученый Лео Сцилард, с которым мы уже встречались в пятнадцатой главе.
В 1929 году Сцилард жил в Берлине и вместе с Эйнштейном занимался разработкой безопасных холодильников. В своей докторской диссертации он также анализировал статистические основы термодинамики. Таким образом, Сцилард прекрасно понимал тему как с теоретической, так и с практической стороны. Демон Максвелла захватил его воображение. Но если Максвелл и Томсон считали демона способом проверить состоятельность второго начала термодинамики, то Сцилард считал, что он может быть полезен для изучения физики информации.
Сцилард упростил задачу, которую Максвелл поставил своему демону. В изначальном варианте мысленного эксперимента шотландец предположил, что демону придется снова и снова измерять скорость множества разных молекул, чтобы в итоге обратить вспять второе начало термодинамики. В статье с блестящим названием “Снижение энтропии благодаря вмешательству разумных существ” Сцилард заявил, что демону не обязательно выполнять столь грандиозную задачу, чтобы проворачивать свою шалость.
Двигатель, функционирующий благодаря единственной молекуле
Как и Максвелл, Сцилард просит нас представить сосуд с перегородкой. Внутри этого сосуда, однако, находится лишь одна подвижная молекула. Сначала она свободно движется по сосуду, время от время сталкиваясь со стенками и отскакивая от них. Демону Сциларда, таким образом, достаточно следить за одной молекулой, в то время как демону Максвелла приходилось наблюдать за целыми триллионами частиц. Далее Сцилард еще сильнее упрощает задачу своему демону. Он просит его лишь следить, в какой половине сосуда — в левой или в правой — молекула находится в каждый момент времени. Заметив молекулу, скажем, в левой половине сосуда, демон Сциларда ставит перегородку, которая разделяет сосуд пополам, и молекула, по сути, оказывается в ловушке в его левой части.
Сцилард делает перегородку подвижной: она может двигаться внутри сосуда подобно тому, как поршень движется внутри цилиндра двигателя.
Поняв, в какой стороне сосуда находится молекула, демон приступает к действию. Если он знает, что молекула в левой части сосуда, то через блок прикрепляет груз к левой части подвижной перегородки. Теперь, двигаясь из стороны в сторону, молекула периодически сталкивается с подвижной перегородкой. При этом перегородка сдвигается дальше вправо и поднимает груз.
Суть этого остроумного устройства в том, что, имея одну простую единицу информации, в частности знание, что молекула находится в левой части сосуда, демон Сциларда способен поднимать груз, то есть совершать работу. Демон может повторять этот процесс бесконечно. По сути, он получает нечто из ничего, благодаря единственному биту информации — знанию, в которой части сосуда находится молекула. Я не случайно использовал здесь слово “бит”. Выбор между левой и правой частью сосуда двоичен, как и выбор между 1 и 0. Располагая лишь двоичной информацией, демон Сциларда способен преобразовать случайные движения молекулы в полезную работу. Это противоречит второму началу термодинамики, поскольку предполагает, что выполнять полезную работу можно и без перемещения теплоты из горячей зоны в холодную. С “демоном Сциларда” мы могли бы получать энергию из любого объема газа, даже если бы его температура везде была одинаковой. Если выпустить достаточное количество “демонов Сциларда”, можно генерировать все необходимое нам электричество из воздуха в земной атмосфере! Кажется, что можно создать “вечный двигатель”, как выражается Сцилард, просто “позволив разумному существу вмешиваться в работу термодинамической системы”.
Что же это значит? В предыдущей главе мы увидели, что обработка информации приводит к увеличению энтропии. Неужели, описывая свой мысленный эксперимент, Сцилард предполагает, что информация может делать и обратное, преодолевая второе начало термодинамики и преобразуя теплый воздух постоянной температуры в полезную работу? Такая система уменьшала бы энтропию Вселенной, поскольку “дармовую” работу можно было бы использовать, чтобы заставить теплоту перемещаться в “неправильном” направлении из холодной зоны в горячую.
Сцилард категорически заявляет, что этого не может произойти по следующей причине: в момент измерения, когда демон определяет местоположение молекулы, энтропия не может не увеличиваться, и это увеличение в итоге компенсирует любое уменьшение энтропии в результате работы поршня.
Аргумент Сциларда кажется закольцованным, и ученый лишь в общих чертах описал, как его демон провоцирует увеличение энтропии. Однако в своей статье он первым заявил, что обработка битов информации должна приводить к рассеянию теплоты, потому что в ином случае мы могли бы конструировать вечные двигатели, противоречащие законам термодинамики. Любопытно и то, что Сцилард написал эту статью в 1929 году, за несколько десятилетий до начала применения битов в глобальных сетях связи и осознания их важности для передачи и хранения информации.
Следующие лет тридцать демон Сциларда/Максвелла оставался в тени: ученые считали его любопытной, но все-таки не слишком значимой головоломкой. Немногие научные статьи, которые выходили в этот период и упоминали о демоне, следовали логике Сциларда. Их авторы строили догадки относительно того, какой аппарат демон может использовать для определения положения молекулы, и приходили, как и Сцилард, к выводу, что любая подобная система будет рассеивать достаточное количество теплоты, чтобы компенсировать снижение энтропии, которое происходит, когда поршень поднимает груз.
Однако с 1950-х годов, когда количество битов и транзисторов в мире начало стремительно возрастать, а компьютеры стали выдавать заметное количество теплоты, демон Максвелла/Сциларда превратился из научной диковины в технологически и коммерчески значимую вещь. Ученые из исследовательского отдела компьютерного гиганта IBM вспомнили о демоне, когда вопрос о том, имеет ли информация термодинамическую цену, снова вышел на первый план. Подобно тому, как более чем столетие назад Сади Карно осознал, что невозможно в полной мере разобраться в устройстве паровой машины, не изучив, помимо ее конструкции, также лежащие в основе ее работы физические законы, ученые из IBM поняли, что, для того чтобы в полной мере исследовать информацию, необходимо аналогииным образом идеализировать и проанализировать работающие с ней машины.
Двое ученых из IBM, Рольф Ландауэр и Чарльз Беннетт, так описали свою работу: “Мы ищем общие законы, которые должны управлять всей обработкой информации, каким бы образом она ни осуществлялась. Любые обнаруженные нами ограничения должны проистекать исключительно из фундаментальных физических законов, а не из особенностей используемой в настоящий момент технологии”.
Старший из ученых, Рольф Ландауэр, родился в еврейской семье в немецком Штутгарте 4 февраля 1927 года. Его отец Карл, успешный архитектор и строитель, умер в 1934 году от ран, полученных, когда он сражался в рядах немецкой армии на Первой мировой войне. До конца уверенный, что нацисты долго не протянут, в последнем письме Карл попросил свою жену Анну вырастить их сыновей хорошими немцами. Анна, однако, поняла сущность Третьего рейха и уже в начале 1938 года вместе с семьей эмигрировала в Нью-Йорк. На новом месте Рольф добился успехов в учебе и окончил Гарвард в 1945 году. После этого он вступил в ВМС США и прошел подготовку на помощника техника по электронному оборудованию. Ландауэр отметил, что этот практический опыт оказался бесценным для его последующей работы.
Несмотря на блестящий диплом, Ландауэр обнаружил, что многие американские университеты и промышленные лаборатории в начале 1950-х годов неохотно брали на работу евреев. По совету старого друга в 1952 году он устроился в исследовательскую лабораторию IBM, только что открытую на месте бывшего консервного завода в Покипси, в штате Нью-Йорк. Как и руководство AT&T, директор IBM Томас Уотсон — старший призывал исследователей заниматься интересующими их научными проблемами, не обращая внимания на коммерческую ценность изысканий. Кроме того, лаборатория IBM поддерживала тесные связи с университетскими учеными, в том числе из Колумбийского университета.
Ландауэр устроился в IBM в важный момент в истории компьютеров: у него на глазах произошел переход от электронных ламп к транзисторам. Компьютеры, по сути, представляют собой гигантские массивы двухпозиционных переключателей. В первых машинах переключателями служили электронные лампы, но они были энергоемкими, ненадежными и большими — размером примерно с электрическую лампочку. Один из первых компьютеров, ЭНИАК, средства на создание которого выделила армия США, намеревавшаяся использовать его для расчетов баллистических таблиц, занимал 1700 квадратных метров, весил 27 тонн и потреблял 174 кВт электричества. ЭНИАК выделял большое количество теплоты — два вентилятора мощностью по 20 лошадиных сил постоянно обдували его холодным воздухом, чтобы не допустить перегрева.
Транзистор, изобретенный в Лабораториях Белла в 1948 году, также работал в качестве переключателя, но его размер был сравним с горошиной. Кроме того, он потреблял совсем немного энергии и выделял гораздо меньше теплоты, чем электронная лампа. В связи с этим, когда в 1958 году IBM предложила свой первый компьютер на базе транзисторов, оказалось, что он имеет огромные преимущества в сравнении со своим предшественником на базе электронных ламп. Он был быстрее и мощнее, но весил вдвое меньше. Энергопотребление компьютера и его системы охлаждения сократилось более чем на 60 %. В результате инженеры и ученые, работающие в этой сфере, пришли к выводу, что за миниатюризацией — будущее, ведь чем меньше размер транзисторов, тем большее их количество можно разместить на отведенном месте, а это, в свою очередь, способствует повышению вычислительной мощности.