В 1867 году физик Питер Гатри Тейт написал своему близкому другу и университетскому приятелю Джеймсу Кларку Максвеллу, спрашивая его, не пробежится ли тот критическим взглядом по рукописи об истории термодинамики до ее публикации. Максвелл ответил, что будет счастлив это сделать, несмотря на то, что с подробностями истории термодинамики он незнаком. Но он, возможно, мог бы обнаружить одну или парочку дыр. После чего Максвелл продолжил свое письмо, указывая на одну огромную дыру в работе, которой он еще даже не видел: и эта дыра заключалась во втором законе термодинамики.

Идея Максвелла была проста: в контейнере с двумя отделениями — А и В — содержится газ. В перемычке, которая разделяет эти два контейнера, имеется дыра, которая может открываться и закрываться без приложения каких-либо усилий, другими словами, путем суперскольжения.

«А теперь представьте себе определенную сущность, которая узнала пути и скорости всех молекул посредством простого осмотра, и которая не может выполнять никакой другой работы, кроме как открывать или закрывать дыру в перемычке, пользуясь способом скольжения без массы», — написал Максвелл Тейту. Далее он продолжил описание того, как это маленькое существо открывает отверстие каждый раз, когда быстрая молекула из левой камеры направляется к нему. Когда медленная молекула из той же камеры приближается к отверстию, оно остается закрытым.

Таким образом из левой камеры в правую могу попасть только быстрые молекулы. И наоборот, только медленные молекулы из правой части камеры могут попасть в левую.

Результатом станет то, что в правой части камеры соберутся быстрые молекулы, а в левой — медленные. Количество молекул в обеих камерах остается тем же, но их средняя скорость меняется. В правой камере температура повышается, в то время как в левой она снижается. Разница создана. «И тем не менее не было выполнено никакой работы, — пишет Максвелл. — Был задействован только интеллект очень наблюдательного и ловкого существа».

Максвелл действительно обнаружил дыру во втором законе термодинамики: умное маленькое существо может создавать жар из обычного тепла, не производя при этом никакой работы. «Говоря коротко, — писал Максвелл, — если тепло — это движение конечных порций материи и если мы можем приложить к этим порциям инструменты, которые позволят работать с ними раздельно, то мы сможем воспользоваться преимуществом разницы движений различных пропорций для восстановления равномерно горячей системы, исходя из разницы температур или движения больших масс. Мы не можем этого сделать лишь потому, что недостаточно умны».

Мы слишком велики и неуклюжи, чтобы обойти второй закон термодинамики. Но если бы мы были немного более ловкими и наблюдательными, мы смогли бы разделить молекулы в воздухе нашей кухни, направив их в холодильник и в духовку — и это бы не отразилось в наших счетах за электричество.

Три года спустя Максвелл писал лорду Райли, другому физику: «Мораль такова: Второй закон термодинамики верен настолько же, насколько и утверждение о том, что если вылить в море какой-то объем воды, то мы никогда не сможем вновь получить тот же ее объем обратно».

Этим Максвелл хотел показать, что второй закон термодинамики имеет только статистическую ценность: это закон, который применим на нашем уровне, а не для крошечных и очень умных существ. Когда мы описываем мир таким, как мы его знаем, в форме очень больших скоплений молекул, закон увеличения энтропии и снижения доступности энергии действительно применим. Но если бы мы были чуть более умными, мы смогли бы получить тепло из холода, просто открывая окно, когда быстрые молекулы залетали бы в комнату по пути от холодного ночного воздуха (хотя это и происходило бы довольно редко), или когда медленные молекулы хотели бы покинуть комнату.

Вечный двигатель, основанный лишь на интеллектуальном наблюдении.

Идею о маленьком создании Максвелл опубликовал в своей книге «Теория тепла» в 1871 году, и три года спустя другой физик, Уильям Томсон, назвал это существо демоном — не злобной сущностью, а «разумным существом со свободной волей и достаточным уровнем тактильной организации и восприимчивости, чтобы наблюдать отдельные молекулы материи и оказывать на них влияние».

Демон Максвелла дразнит нас: причина, по которой нам приходится работать, чтобы получить тепло зимой, заключается в нашей собственной неадекватности, а не в неадекватности Вселенной. Все приходит в беспорядок и замешательство только по той причине, что мы слишком велики и неуклюжи, чтобы манипулировать отдельными компонентами материи.

Максвелл таким образом указал на разницу между описанием беспорядочного движения отдельных молекул туда-сюда — как доказано в возвышенных уравнениях Ньютона — и описанием конечных порций материи — как доказано представлением о тепловой смерти в термодинамике — которая через несколько лет приведет к реальной смерти Больцмана.

Термодинамика — это статистическая теория, которая говорит нам о мире, который мы можем узнать, но не можем получить, так как мы недостаточно умны. В действительности между различными формами энергии разницы нет — они одинаково доступны тому, кто знает, как ими пользоваться.

Тот факт, что энергия становится все более и более недоступной, следовательно, связан с нашим описанием мира и теми возможностями для вмешательства, которые дает нам это самое описание.

В девятом издании энциклопедии «Британика» 1878 года Максвелл написал о возрастающей недоступности энергии, ее рассеивании, о том, что она просачивается сквозь наши пальцы, о росте энтропии.

Он указал на одну особенность: если взять два газа, то смешав их, можно получить определенные преимущества. Исчезновение разницы во время смешивания дает доступ к определенным видам работы. Если же газы одного вида, смешав их, мы ничего не получим — интуитивно это кажется вполне верным и правильным. Но это ведет нас к странной мысли. Максвелл писал: «Теперь, когда мы говорим, что два газа одинаковы, мы имеем в виду, что не можем отличить один от другого с помощью любых известных реакций. Маловероятно, но возможно, что эти два газа происходят из разных источников, и при том, что они предположительно являются одинаковыми, они могут оказаться разными — и, возможно, может быть открыт метод, позволяющий разделить их с помощью обратимых процессов». Таким образом, не исключено, что когда мы со временем станем умнее, то сможем установить разницу, которой мы раньше не видели. Следовательно, внезапно мы сможем обнаружить энергию там, где ее раньше не было. Рассеивание энергии не может быть установлено, пока мы не научимся ее отличать. Эта способность не является постоянной! Максвелл продолжает свою мысль следующими выдающимися наблюдениями:

«Из этого следует, что идея о рассеивании энергии исходит из объема наших знаний. Доступная энергия — это энергия, которую мы можем направить в любое желаемое русло. Рассеянная энергия — это энергия, на которую мы не можем наложить свои руки и направить по своему усмотрению — к примеру, это энергия спутанного перемещения молекул, которое мы называем теплом. Таким образом, беспорядок, как и соответствующий ему термин «порядок», являются не качествами материальных вещей как таковых, а существуют только в уме, который эти вещи воспринимает».

И Максвелл продолжает: «Книга заметок при условии, что она ведется аккуратно, не будет казаться беспорядочной человеку неграмотному или ее владельцу, который отлично ее понимает. Но для любого другого человека, который умеет читать, она покажется необъяснимо запутанной. Аналогично и понятие рассеянной энергии не может быть доступно существу, которое не может преобразовать ни одну из природных энергий себе на пользу, или тому, который может проследить движение каждой молекулы и захватить ее в нужный момент. Только существо в промежуточной стадии, которое может использовать определенные виды энергии, в то время как остальные от него ускользают, может считать, что энергия неизбежно переходит из доступной формы в рассеянное состояние».

Демон Максвелла смеется нам в лицо: второй закон термодинамики можно обойти, если только мы окажемся для этого достаточно умны. Вот только мы не настолько умны.

Изгнание этого демона стало основной темой научной картины Вселенной 20 века. Если только с концепцией демона Максвелла все в порядке, единственное, что стоит между нами и вечным движением — это наша собственная глупость. Просто потому, что смертные недостаточно умны, мы обречены в поте лица зарабатывать себе на жизнь.

Но есть ли цена, которую придется заплатить за то, чтобы стать такими же умными, как и демон Максвелла?