Таким образом, второе начало положило конец поискам философского камня – секрета бессмертия; жить вечно означало бы вечно оставаться вне состояния равновесия, но поскольку энергия преобразуется в тепло, рано или поздно не должно остаться еще не преобразованной энергии. Задним числом понятно, что эти поиски, как и многие другие предприятия алхимиков, не могли не закончиться неудачей. Однако не всегда бывает ясно, к какой области относится задача, которую мы решаем, – честной науки или запретной магии. По счастью, существует простое заклинание, правильное применение которого позволяет разрешить эту дилемму при помощи всего пары слов.

Тщетные химеры

Многие научные идеи бывают зарублены на корню, когда кто-нибудь замечает, что они противоречат второму началу термодинамики. Были и у меня идеи, которые постигла эта участь. Когда факт такого противоречия установлен, для изгнания беса используют традиционное заклинание, состоящее из двух латинских слов – «Perpetuum mobile!» (перпе́туум мо́биле) – или, если вам претит излишняя претенциозность, «вечный двигатель». Показать, что из некоего предположения вытекает возможность вечного движения, – простой способ убедиться в его ошибочности, потому что если бы вечное движение существовало, это означало бы, что мы заблуждаемся относительно более или менее всего на свете.

Первому началу можно дать другую, эквивалентную формулировку:

Не может существовать устройства, создающего полезное движение без использования энергии.

Такое устройство было бы вечным двигателем первого рода, то есть нарушающим первое начало термодинамики. Его невозможность ограничивает те типы магии, которые может использовать волшебник. Например, недавно мне пришло в голову, что, может быть, можно было бы сделать заводного механического кролика, который в движении заводил бы свою собственную пружину. Тогда его завод мог бы никогда не кончиться! Но я быстро понял, что такой кролик невозможен, так как он получал бы нечто, ничего не отдавая взамен. «Perpetuum mobile!» – вскричал я, и эта идея была снова ввергнута в бездну чересчур живого воображения. Более правдоподобный вариант предложил один мой друг, спросивший, почему электромобили не используют собственные тормоза в качестве своего рода динамо-машин, которые могли бы заряжать их аккумуляторы: тогда им не понадобился бы источник питания! На самом деле, электромобили действительно возвращают таким образом часть затраченной энергии, но, опять же, не могут вернуть всю ее, потому что в этом случае они получали бы нечто, ничего не отдавая взамен.

В 1670 году один из основателей Королевского общества[54] Джон Уилкинс, епископ Честерский, назвал три широко определенных темы конструкций проектов двигателей, дав всем им «магические» названия. Это были «Химические экстракции», «Магнетические качества» и «Натуральное влечение гравитации». О том, что вечные двигатели не могут работать, знали даже в XVII веке, но попытки их создания упорно предпринимаются по сей день. Патентное управление Соединенного Королевства (United Kingdom Patent Office, UKPO) сочло необходимым выпустить следующее заявление:

Процессы или устройства, якобы работающие в явном противоречии с общепризнанными законами физики, например вечные двигатели, считаются не имеющими практического применения.

Руководство UKPO по патентной практике, ред. 2020 г., раздел 4.05

Хотя с этим утверждением трудно не согласиться, более поэтически та же мысль была выражена в записных книжках Леонардо да Винчи за 1494 год:

О вы, искатели вечного движения, сколько вы преследуете тщетных химер? Вам место среди алхимиков[55].

Второе начало тоже можно сформулировать в виде ограничения возможностей волшебников. Любое предполагаемое устройство, единственным результатом работы которого является преобразование тепла в полезное движение, называется вечным двигателем второго рода и существовать не может. Например, можно вообразить некий процесс, в котором молекулы воздуха, ударяясь в храповое колесо, поворачивают его, в результате чего происходит охлаждение воздуха и самопроизвольное вращение колеса. Второе начало термодинамики говорит, что такое устройство относится к разряду запретной магии.

Однако один физик подошел к разработке вечного двигателя второго рода чрезвычайно близко. Подобно мистеру Норреллу и мистеру Лики, он сделал это с помощью демона. Этим человеком был Джеймс Клерк Максвелл.

Демон Максвелла

Эйнштейн как-то заявил, что все его достижения стали возможными лишь потому, что он стоял на плечах Джеймса Клерка Максвелла. Максвелл внес огромный вклад во все аспекты современной физики, от объединения электричества и магнетизма в системе носящих его имя уравнений (тем самым он объяснил волновую природу света и предсказал существование радиоволн) до объяснения природы колец Сатурна, объяснения цветного зрения и изобретения цветной фотографии. Однако он никогда не писал о демонах. В письме другу, физику и математику Питеру Тэйту, он упоминал лишь некое «конечное существо», наделенное сверхъестественными способностями. Речь шла о мысленном эксперименте, целью которого было расширение пределов возможного с точки зрения второго начала термодинамики. Свое ставшее бессмертным название демон получил в письме, которое прислал в журнал Nature лорд Кельвин (чьим именем называется единица измерения температуры).

Демон Максвелла в представлении моей приятельницы Рут Гордон

Представьте себе коробку, разделенную на две половины. Коробку можно считать изолированной, то есть не взаимодействующей с остальной Вселенной. В одной половине коробки находится газ, полностью состоящий из черных молекул, а во второй – газ, полностью состоящий из белых молекул. А теперь вообразите, что в перегородке, разделяющей две половины коробки, открывается крошечное окошко со скользящей заслонкой. Через некоторое время обе половины будут содержать серую смесь черных и белых молекул. Причина этого состоит в том, что способов образования серого газа намного больше, чем способов разделения газа на черный и белый: микросостояний, совместимых с серым макросостоянием, намного больше, чем микросостояний, совместимых с раздельным черно-белым макросостоянием. Если бы серый газ самопроизвольно разделился на черный и белый газы, это нарушило бы второе начало.

А теперь представьте себе крошечного демона, способного открывать и закрывать окошко. Кроме того, этот демон видит точные положения и скорости всех молекул газа: ему известны как микросостояние системы, так и ее макросостояние. Максвелл понял, что такой демон способен, начав с состояния, в котором в обеих половинах коробки содержится серый газ, разделить его на черный и белый газы, тем самым нарушив второе начало термодинамики. Демону нужно лишь, не расходуя никакой энергии, открывать окошко, когда он видит черную молекулу, направляющуюся в одну сторону, или белую, движущуюся в обратном направлении, но не открывать его в