— У вас есть новая беспроигрышная стратегия?
— Но, папа, эта стратегия действительно беспроигрышная, — с упреком сказала Мод, все еще держа руку на телефонной трубке.
— Мод совершенно права, — подтвердил мистер Томпкинс, протягивая профессору журнал. — Предлагаемая стратегия просто не может не выиграть!
— Так-таки и не может? — иронически переспросил профессор с улыбкой. — Сейчас увидим!
Бегло ознакомившись со статьей, профессор продолжал:
— Отличительная особенность предлагаемой стратегии состоит в том, что правило, регулирующее величину ставок, заставляет вас увеличивать ставку после каждого проигрыша и снижать ставку после каждого выигрыша. Следовательно, если вы будете попеременно выигрывать и проигрывать, причем выигрыши и проигрыши будут чередоваться с абсолютной регулярностью, то ваш капитал будет колебаться, причем каждое увеличение капитала будет чуть больше его уменьшения. В этом случае вы, несомненно, достаточно скоро станете миллионером. Но, как вы понимаете, абсолютная регулярность встречается нечасто. В действительности вероятность появления правильно чередующейся последовательности выигрышей и проигрышей столь же мала, как и вероятность появления одинаковой по длине серии одних только выигрышей. Таким образом, необходимо выяснить, что произойдет, если несколько выигрышей (или несколько проигрышей) следуют подряд друг за другом. Если вам, как говорят игроки, улыбнулась фортуна, то правила беспроигрышной стратегии вынуждают вас либо понижать, либо по крайней мере не повышать ставку после каждого выигрыша, поэтому общий выигрыш окажется не слишком большим. С другой стороны, те же правила заставляют вас после каждого проигрыша повышать ставку, поэтому полоса неудач может иметь для вас катастрофические последствия и даже побудить вас выйти из игры. Кривая колебаний вашего капитала на этот раз состоит из нескольких медленно возрастающих участков, сменяющихся резкими спадами. В начале игры вы с большей вероятностью попадаете на длинную медленно возрастающую часть кривой и в течение какого-то времени наслаждаетесь приятным ощущением того, что ваш капитал медленно, но неуклонно увеличивается. Но если вы продолжаете игру достаточно долго в надежде на получение все большей и большей прибыли, то совершенно неожиданно для вас внезапно наступает резкий спад, который может оказаться достаточно глубоким для того, чтобы вы, сделав очередную ставку, потеряли последний пенни. Можно показать, причем в совершенно общем виде, что в предлагаемой автором статьи стратегии, равно как и в любой другой выигрышной стратегии, вероятность того, что кривая достигнет двойной отметки, равна вероятности достигнуть нулевого значения. Иначе говоря, вы имеете точно такой же шанс на окончательный выигрыш, как если бы поставили все свои деньги на красное или черное и удвоили свой капитал или спустили все, что имели, за один-единственный запуск рулетки. Все «беспроигрышные» стратегии способны лишь продлить игру и тем самым дать вам возможность получить за свои деньги больше удовольствия. Но даже если вы не требуете от игры ничего большего, то и тогда игру не следует так усложнять. Как вы знаете, на ободе колеса рулетки нанесены тридцать шесть чисел. Ничто не мешает поставить по фишке на каждое из чисел, кроме какого-нибудь одного. В этом случае вы имеете тридцать пять шансов из тридцати шести на выигрыш и на то, что банк выплатит вам за одну фишку больше, чем те тридцать пять фишек, которые вы, делая ставку, выложили на стол. Однако в одном из тридцати шести запусков рулеточного колеса шарик остановится на том числе, на которое вы решили не ставить свою фишку, и вы потеряете все свои тридцать пять фишек. Если вы будете придерживаться такой стратегии в достаточно продолжительной игре, то кривая вашего флуктуирующего капитала будет выглядеть точно так же, как кривая, которую вы получили, следуя стратегии, предложенной журналом.
Разумеется, в своих рассуждениях я исходил из предположения о том, что банк не предпринимает никаких мер, чтобы искусственно понизить шансы игрока на выигрыш. В действительности же на каждом рулеточном колесе, которое мне приходилось видеть, был нуль — «зеро», а иногда даже два нуля, что понижает шансы игрока на выигрыш. Таким образом, независимо от выбранной игроком стратегии его денежки мало-помалу перекочевывают из его кармана в карман владельца казино.
— Вы хотите сказать, — удрученно проговорил мистер Томпкинс, — что надежной беспроигрышной стратегии не существует и что выиграть деньги без риска проиграть с вероятностью чуть больше, чем вероятность выигрыша, просто невозможно?
— Именно это я хотел сказать! — подтвердил догадку мистера Томпкинса профессор. — Более того, высказанные мной соображения относятся не только к таким в сущности пустяковым проблемам, как азартные игры, но и ко многим различным физическим явлениям, которые, на первый взгляд, не имеют никакого отношения к вероятностным законам. Поэтому если бы вам удалось изобрести надежную выигрышную стратегию для преодоления законов случая, то для нее нашлось бы немало гораздо более увлекательных применений, чем игра на деньги в казино. Например, такая стратегия позволила бы создавать автомашины, способные совершать пробеги любой протяженности без капли бензина, строить фабрики, работающие без угля, и осуществлять множество других не менее фантастических проектов.
— Я где-то читал о таких фантастических машинах. Кажется, они называются вечными двигателями? — заметил мистер Томпкинс. — Если я правильно помню, вечные двигатели по замыслу их создателей должны были бы работать без топлива. Принято считать, что они невозможны потому, что энергию невозможно производить из ничего. Но как бы то ни было, вечные двигатели не имеют никакого отношения к азартным играм.
— Вы совершенно правы, молодой человек, — согласился профессор, несказанно довольный тем, что его зять начинает понемногу разбираться в физике. — Такие вечные двигатели (их принято называть вечными двигателями первого рода) не могут существовать потому, что их существование противоречило бы закону сохранения энергии. Однако машины, работающие без топлива, которые я имею в виду, совершенно другого типа и их принято называть вечными двигателями второго рода. Их проектируют не для того, чтобы получать энергию из ничего, а для того, чтобы извлекать ее из тепловых резервуаров, скрытых вокруг нас в недрах земли, в море и в воздухе. Вообразите себе пароход, на котором пар в котлах получается не при сжигании угля, а при извлечении тепла из окружающей судно воды. В самом деле, если бы тепло можно было заставить течь от более холодного тела к более теплому, а не в обратном направлении, как обычно, то можно было бы построить систему, которая закачивала бы забортную морскую воду, извлекала бы из нее тепло и сталкивала за борт получающиеся из воды глыбы льда. При превращении в лед одного галлона воды, выделяется столько тепла, что его достаточно для того, чтобы довести до кипения другой галлон холодной воды. Пропуская с помощью насосов несколько галлонов морской воды в минуту, можно легко получить количество теплоты, достаточное для работы двигателя приличных размеров. Для всех практических целей вечные двигатели второго рода ничем не уступали бы вечным двигателям первого рода, предназначенным для получения энергии из ничего. Если бы вечные двигатели второго рода действовали, то все в мире могли бы существовать столь же беззаботно, как человек, обладающий беспроигрышной стратегией для игры в рулетку. К сожалению, ни вечные двигатели второго рода, ни беспроигрышные стратегии существовать не могут, ибо и те, и другие одинаково нарушают законы вероятности.
— Я могу допустить, что пытаться извлекать тепло из морской воды для подогрева судовых котлов — сумасшедшая идея, — сказал мистер Томпкинс. — Однако я не усматриваю никакой связи между этой проблемой и законами случая. Разумеется, если вы не станете предлагать использовать игральные кости или колесо рулетки в качестве движущихся частей машин, работающих без топлива. Но вы же ничего такого, надеюсь, и не предлагаете?
— Разумеется, не предлагаю! — рассмеялся профессор. — Не думаю также, чтобы самые сумасшедшие изобретатели вечных двигателей предлагали нечто подобное. Дело совсем в ином: тепловые процессы сами очень похожи по своей природе на игру в кости, и надеяться на то, что тепло потечет от более холодного тела к более горячему, все равно, что надеяться на то, что монеты из банка казино потекут к вам в карман.
— Вы хотите этим сказать, что банк холодный, а мой карман горячий? — спросил мистер Томпкинс, полностью запутавшийся в объяснениях.
— В каком-то смысле да, — согласился профессор. — Если бы вы не пропустили мою лекцию на прошлой неделе, то знали бы, что тепло представляет собой не что иное, как быстрое беспорядочное движение бесчисленных частиц, известных под названием атомов и молекул, из которых состоят все материальные тела. Чем сильнее это молекулярное движение, тем теплее тело. Поскольку это молекулярное движение совершенно беспорядочно, оно подчиняется законам случая. Нетрудно показать, что наиболее вероятное состояние системы, состоящей из большого числа частиц, соответствует более или менее равномерному распределению всей имеющейся энергии по частицам. Если какая-то часть материального тела нагрета, т. е. если частицы в этой части тела движутся быстрее, то, принимая во внимание огромное число случайных столкновений, можно ожидать, что избыток энергии вскоре равномерно распределится между всеми остальными частицами. Но поскольку столкновения между частицами чисто случайные, существует также вероятность того, что совершенно случайно значительная часть энергии окажется сосредоточенной в какой-то группе частиц в ущерб всем остальным частицам. Такая спонтанная концентрация тепловой энергии в какой-то одной части тела соответствовала бы потоку тепла, направленному против перепада, или градиента, температуры, и в принципе отнюдь не исключается. Но если мы попытаемся вычислить относительную вероятность такой спонтанной концентрации тепла, то получим столь малое числовое значение, что подобное явление с полным основанием можно назвать практически невозможным.
— Теперь мне понятно, — обрадовался мистер Томпкинс. — Вы хотите сказать, что хотя вечные двигатели второго рода могут изредка работать, вероятность такого события столь же мала, как вероятность выпадения семи очков сто раз подряд при игре в кости.
— В действительности шансы встретить действующий вечный двигатель второго рода еще меньше, — сказал профессор. — Вероятности выигрыша в азартной игре против природы столь малы, что трудно найти подходящие слова для их описания. Например, я могу подсчитать вероятность того, что воздух в этой комнате самопроизвольно соберется под столом, оставив повсюду абсолютный вакуум. Число игральных костей, которые вы должны были бы бросать одновременно, эквивалентно числу молекул воздуха в комнате, которое мне было бы необходимо знать. Насколько я помню, один кубический сантиметр воздуха при атмосферном давлении содержит двадцатизначное число молекул, поэтому во всей комнате наберется двадцатисемизначное число молекул воздуха. Пространство под столом составляет примерно около одного процента объема комнаты, и шансы любой данной молекулы оказаться именно под столом, а не где-нибудь еще, составляют поэтому один к ста. Следовательно, вычисляя вероятность того, что все молекулы окажутся под столом, я должен умножить одну сотую на одну сотую, на одну сотую и т. д. столько раз, сколько молекул в комнате. В результате я получу десятичную дробь с пятидесятью четырьмя нулями после запятой.
— Уф! — вздохнул мистер Томпкинс. — Не хотел бы я делать ставку со столь малыми шансами на выигрыш! А не означает ли это, что отклонения от равнораспределения молекул по пространству попросту невозможны?
— Вы совершенно правы, — согласился профессор. — Можно считать твердо установленным фактом, что смерть от удушья из-за того, что весь воздух соберется под столом, нам не угрожает и жидкость в бокале не закипит вдруг сама собой. Но если мы сосредоточим внимание на гораздо меньших областях, содержащих существенно меньшее число наших игральных костей — молекул, то отклонения от статистического распределения станут значительно более вероятными. Например, в этой же самой комнате молекулы воздуха то и дело группируются несколько более плотно в одних точках пространства, чем в других, образуя слабые неоднородности, которые получили название статистических флуктуаций плотности. Когда солнечный свет проходит через земную атмосферу, такие неоднородности приводят к рассеянию голубых лучей спектра и придают небу знакомый всем голубой цвет. Если бы не было этих флуктуаций плотности, то небо всегда было бы совершенно черным и звезды были бы отчетливо видны даже при полном дневном свете. При нагревании жидкости до точки кипения они слегка мутнеют, что также объясняется теми же самыми флуктуациями плотности, возникающими из-за хаотичности движения молекул. Но в больших масштабах флуктуации настолько маловероятны, что мы могли бы напрасно прождать их миллиарды лет и так и не увидеть ни одной флуктуации.
— Тем не менее у нас есть шанс стать свидетелями какого-нибудь необычного события прямо сейчас в этой самой комнате, — настаивал мистер Томпкинс. — Ведь так?
— Разумеется, такой шанс всегда есть, и было бы неразумно утверждать, будто половина содержимого супницы не может выплеснуться на скатерть потому, что половина всех молекул внезапно приобрела тепловые скорости в одном и том же направлении.
— Именно такое событие произошло лишь вчера, — вмешалась в разговор Мод, закончившая просматривать свой журнал и с интересом слушавшая беседу профессора и мистера Томпкинса. — Суп пролился прямо на скатерть, хотя горничная утверждала, что не притрагивалась к столу.
Профессор тихо рассмеялся.
— В этом конкретном случае, — заметил он, — я склонен винить в случившемся все же горничную, а не демона Максвелла.
— Демона Максвелла? — повторил мистер Томпкинс в величайшем изумлении.
— А я-то думал, что ученые менее всего помышляют о всяких там демонах и прочей чертовщине.
— По правде говоря, мы воспринимаем его не слишком серьезно, — пояснил профессор. — Знаменитый физик Джеймс Клерк Максвелл ввел представление о таком статистическом демоне для большей наглядности. Демон понадобился Максвеллу при рассмотрении некоторых явлений, связанных с теплотой. Демон Максвелла — существо весьма проворное и успевает изменять направление движения каждой молекулы в отдельности любым образом, каким вы только пожелаете. Если бы такой демон существовал в действительности, то тепло можно было бы заставить течь против градиента температуры и за фундаментальный закон термодинамики, известный под названием принципа возрастания энтропии , никто бы не дал и ломаного гроша.
— Энтропии? — переспросил мистер Томпкинс. — Мне приходилось слышать это слово и прежде. Один из моих коллег однажды пригласил гостей, и после нескольких тостов присутствовавшие среди приглашенных студенты-химики спели на мотив «Ах, мой милый Августин» куплеты, которые начинались так:
«Возрастает, убывает,
Убывает, возрастает —
Химики того не знают.
Энтропия возрастает?»
Кстати, а что такое энтропия?
— Понять это совсем нетрудно. Энтропия — это просто термин, используемый для описания степени беспорядочности движения молекул в любом физическом теле или в системе тел. Многочисленные случайные столкновения между молекулами всегда способствуют увеличению энтропии, так как полный хаос является наиболее вероятным состоянием любого статистического ансамбля. Но если бы за работу принялся демон Максвелла, то он довольно скоро смог бы навести кое-какой порядок в движении молекул так же, как хорошая сторожевая собака не дает разбежаться и пасет стадо овец, и тогда энтропия системы пошла бы на убыль. Должен сказать вам также, что согласно так называемой Н-теореме, которой мы обязаны Людвигу Больцману…
Явно забыв о том, что он разговаривает с человеком, который практически ничего не понимает в физике, а не читает лекцию студентам-старшекурсникам, профессор с увлечением продолжал свой монолог и без малейших колебаний прибегал даже к таким маловразумительным для непосвященных терминам, как «обобщенные параметры» и «квазиэргодические системы». Ему казалось, что в таком изложении фундаментальные законы термодинамики и их связь со статистической механикой Гиббса становятся кристально ясными.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
— Но, папа, эта стратегия действительно беспроигрышная, — с упреком сказала Мод, все еще держа руку на телефонной трубке.
— Мод совершенно права, — подтвердил мистер Томпкинс, протягивая профессору журнал. — Предлагаемая стратегия просто не может не выиграть!
— Так-таки и не может? — иронически переспросил профессор с улыбкой. — Сейчас увидим!
Бегло ознакомившись со статьей, профессор продолжал:
— Отличительная особенность предлагаемой стратегии состоит в том, что правило, регулирующее величину ставок, заставляет вас увеличивать ставку после каждого проигрыша и снижать ставку после каждого выигрыша. Следовательно, если вы будете попеременно выигрывать и проигрывать, причем выигрыши и проигрыши будут чередоваться с абсолютной регулярностью, то ваш капитал будет колебаться, причем каждое увеличение капитала будет чуть больше его уменьшения. В этом случае вы, несомненно, достаточно скоро станете миллионером. Но, как вы понимаете, абсолютная регулярность встречается нечасто. В действительности вероятность появления правильно чередующейся последовательности выигрышей и проигрышей столь же мала, как и вероятность появления одинаковой по длине серии одних только выигрышей. Таким образом, необходимо выяснить, что произойдет, если несколько выигрышей (или несколько проигрышей) следуют подряд друг за другом. Если вам, как говорят игроки, улыбнулась фортуна, то правила беспроигрышной стратегии вынуждают вас либо понижать, либо по крайней мере не повышать ставку после каждого выигрыша, поэтому общий выигрыш окажется не слишком большим. С другой стороны, те же правила заставляют вас после каждого проигрыша повышать ставку, поэтому полоса неудач может иметь для вас катастрофические последствия и даже побудить вас выйти из игры. Кривая колебаний вашего капитала на этот раз состоит из нескольких медленно возрастающих участков, сменяющихся резкими спадами. В начале игры вы с большей вероятностью попадаете на длинную медленно возрастающую часть кривой и в течение какого-то времени наслаждаетесь приятным ощущением того, что ваш капитал медленно, но неуклонно увеличивается. Но если вы продолжаете игру достаточно долго в надежде на получение все большей и большей прибыли, то совершенно неожиданно для вас внезапно наступает резкий спад, который может оказаться достаточно глубоким для того, чтобы вы, сделав очередную ставку, потеряли последний пенни. Можно показать, причем в совершенно общем виде, что в предлагаемой автором статьи стратегии, равно как и в любой другой выигрышной стратегии, вероятность того, что кривая достигнет двойной отметки, равна вероятности достигнуть нулевого значения. Иначе говоря, вы имеете точно такой же шанс на окончательный выигрыш, как если бы поставили все свои деньги на красное или черное и удвоили свой капитал или спустили все, что имели, за один-единственный запуск рулетки. Все «беспроигрышные» стратегии способны лишь продлить игру и тем самым дать вам возможность получить за свои деньги больше удовольствия. Но даже если вы не требуете от игры ничего большего, то и тогда игру не следует так усложнять. Как вы знаете, на ободе колеса рулетки нанесены тридцать шесть чисел. Ничто не мешает поставить по фишке на каждое из чисел, кроме какого-нибудь одного. В этом случае вы имеете тридцать пять шансов из тридцати шести на выигрыш и на то, что банк выплатит вам за одну фишку больше, чем те тридцать пять фишек, которые вы, делая ставку, выложили на стол. Однако в одном из тридцати шести запусков рулеточного колеса шарик остановится на том числе, на которое вы решили не ставить свою фишку, и вы потеряете все свои тридцать пять фишек. Если вы будете придерживаться такой стратегии в достаточно продолжительной игре, то кривая вашего флуктуирующего капитала будет выглядеть точно так же, как кривая, которую вы получили, следуя стратегии, предложенной журналом.
Разумеется, в своих рассуждениях я исходил из предположения о том, что банк не предпринимает никаких мер, чтобы искусственно понизить шансы игрока на выигрыш. В действительности же на каждом рулеточном колесе, которое мне приходилось видеть, был нуль — «зеро», а иногда даже два нуля, что понижает шансы игрока на выигрыш. Таким образом, независимо от выбранной игроком стратегии его денежки мало-помалу перекочевывают из его кармана в карман владельца казино.
— Вы хотите сказать, — удрученно проговорил мистер Томпкинс, — что надежной беспроигрышной стратегии не существует и что выиграть деньги без риска проиграть с вероятностью чуть больше, чем вероятность выигрыша, просто невозможно?
— Именно это я хотел сказать! — подтвердил догадку мистера Томпкинса профессор. — Более того, высказанные мной соображения относятся не только к таким в сущности пустяковым проблемам, как азартные игры, но и ко многим различным физическим явлениям, которые, на первый взгляд, не имеют никакого отношения к вероятностным законам. Поэтому если бы вам удалось изобрести надежную выигрышную стратегию для преодоления законов случая, то для нее нашлось бы немало гораздо более увлекательных применений, чем игра на деньги в казино. Например, такая стратегия позволила бы создавать автомашины, способные совершать пробеги любой протяженности без капли бензина, строить фабрики, работающие без угля, и осуществлять множество других не менее фантастических проектов.
— Я где-то читал о таких фантастических машинах. Кажется, они называются вечными двигателями? — заметил мистер Томпкинс. — Если я правильно помню, вечные двигатели по замыслу их создателей должны были бы работать без топлива. Принято считать, что они невозможны потому, что энергию невозможно производить из ничего. Но как бы то ни было, вечные двигатели не имеют никакого отношения к азартным играм.
— Вы совершенно правы, молодой человек, — согласился профессор, несказанно довольный тем, что его зять начинает понемногу разбираться в физике. — Такие вечные двигатели (их принято называть вечными двигателями первого рода) не могут существовать потому, что их существование противоречило бы закону сохранения энергии. Однако машины, работающие без топлива, которые я имею в виду, совершенно другого типа и их принято называть вечными двигателями второго рода. Их проектируют не для того, чтобы получать энергию из ничего, а для того, чтобы извлекать ее из тепловых резервуаров, скрытых вокруг нас в недрах земли, в море и в воздухе. Вообразите себе пароход, на котором пар в котлах получается не при сжигании угля, а при извлечении тепла из окружающей судно воды. В самом деле, если бы тепло можно было заставить течь от более холодного тела к более теплому, а не в обратном направлении, как обычно, то можно было бы построить систему, которая закачивала бы забортную морскую воду, извлекала бы из нее тепло и сталкивала за борт получающиеся из воды глыбы льда. При превращении в лед одного галлона воды, выделяется столько тепла, что его достаточно для того, чтобы довести до кипения другой галлон холодной воды. Пропуская с помощью насосов несколько галлонов морской воды в минуту, можно легко получить количество теплоты, достаточное для работы двигателя приличных размеров. Для всех практических целей вечные двигатели второго рода ничем не уступали бы вечным двигателям первого рода, предназначенным для получения энергии из ничего. Если бы вечные двигатели второго рода действовали, то все в мире могли бы существовать столь же беззаботно, как человек, обладающий беспроигрышной стратегией для игры в рулетку. К сожалению, ни вечные двигатели второго рода, ни беспроигрышные стратегии существовать не могут, ибо и те, и другие одинаково нарушают законы вероятности.
— Я могу допустить, что пытаться извлекать тепло из морской воды для подогрева судовых котлов — сумасшедшая идея, — сказал мистер Томпкинс. — Однако я не усматриваю никакой связи между этой проблемой и законами случая. Разумеется, если вы не станете предлагать использовать игральные кости или колесо рулетки в качестве движущихся частей машин, работающих без топлива. Но вы же ничего такого, надеюсь, и не предлагаете?
— Разумеется, не предлагаю! — рассмеялся профессор. — Не думаю также, чтобы самые сумасшедшие изобретатели вечных двигателей предлагали нечто подобное. Дело совсем в ином: тепловые процессы сами очень похожи по своей природе на игру в кости, и надеяться на то, что тепло потечет от более холодного тела к более горячему, все равно, что надеяться на то, что монеты из банка казино потекут к вам в карман.
— Вы хотите этим сказать, что банк холодный, а мой карман горячий? — спросил мистер Томпкинс, полностью запутавшийся в объяснениях.
— В каком-то смысле да, — согласился профессор. — Если бы вы не пропустили мою лекцию на прошлой неделе, то знали бы, что тепло представляет собой не что иное, как быстрое беспорядочное движение бесчисленных частиц, известных под названием атомов и молекул, из которых состоят все материальные тела. Чем сильнее это молекулярное движение, тем теплее тело. Поскольку это молекулярное движение совершенно беспорядочно, оно подчиняется законам случая. Нетрудно показать, что наиболее вероятное состояние системы, состоящей из большого числа частиц, соответствует более или менее равномерному распределению всей имеющейся энергии по частицам. Если какая-то часть материального тела нагрета, т. е. если частицы в этой части тела движутся быстрее, то, принимая во внимание огромное число случайных столкновений, можно ожидать, что избыток энергии вскоре равномерно распределится между всеми остальными частицами. Но поскольку столкновения между частицами чисто случайные, существует также вероятность того, что совершенно случайно значительная часть энергии окажется сосредоточенной в какой-то группе частиц в ущерб всем остальным частицам. Такая спонтанная концентрация тепловой энергии в какой-то одной части тела соответствовала бы потоку тепла, направленному против перепада, или градиента, температуры, и в принципе отнюдь не исключается. Но если мы попытаемся вычислить относительную вероятность такой спонтанной концентрации тепла, то получим столь малое числовое значение, что подобное явление с полным основанием можно назвать практически невозможным.
— Теперь мне понятно, — обрадовался мистер Томпкинс. — Вы хотите сказать, что хотя вечные двигатели второго рода могут изредка работать, вероятность такого события столь же мала, как вероятность выпадения семи очков сто раз подряд при игре в кости.
— В действительности шансы встретить действующий вечный двигатель второго рода еще меньше, — сказал профессор. — Вероятности выигрыша в азартной игре против природы столь малы, что трудно найти подходящие слова для их описания. Например, я могу подсчитать вероятность того, что воздух в этой комнате самопроизвольно соберется под столом, оставив повсюду абсолютный вакуум. Число игральных костей, которые вы должны были бы бросать одновременно, эквивалентно числу молекул воздуха в комнате, которое мне было бы необходимо знать. Насколько я помню, один кубический сантиметр воздуха при атмосферном давлении содержит двадцатизначное число молекул, поэтому во всей комнате наберется двадцатисемизначное число молекул воздуха. Пространство под столом составляет примерно около одного процента объема комнаты, и шансы любой данной молекулы оказаться именно под столом, а не где-нибудь еще, составляют поэтому один к ста. Следовательно, вычисляя вероятность того, что все молекулы окажутся под столом, я должен умножить одну сотую на одну сотую, на одну сотую и т. д. столько раз, сколько молекул в комнате. В результате я получу десятичную дробь с пятидесятью четырьмя нулями после запятой.
— Уф! — вздохнул мистер Томпкинс. — Не хотел бы я делать ставку со столь малыми шансами на выигрыш! А не означает ли это, что отклонения от равнораспределения молекул по пространству попросту невозможны?
— Вы совершенно правы, — согласился профессор. — Можно считать твердо установленным фактом, что смерть от удушья из-за того, что весь воздух соберется под столом, нам не угрожает и жидкость в бокале не закипит вдруг сама собой. Но если мы сосредоточим внимание на гораздо меньших областях, содержащих существенно меньшее число наших игральных костей — молекул, то отклонения от статистического распределения станут значительно более вероятными. Например, в этой же самой комнате молекулы воздуха то и дело группируются несколько более плотно в одних точках пространства, чем в других, образуя слабые неоднородности, которые получили название статистических флуктуаций плотности. Когда солнечный свет проходит через земную атмосферу, такие неоднородности приводят к рассеянию голубых лучей спектра и придают небу знакомый всем голубой цвет. Если бы не было этих флуктуаций плотности, то небо всегда было бы совершенно черным и звезды были бы отчетливо видны даже при полном дневном свете. При нагревании жидкости до точки кипения они слегка мутнеют, что также объясняется теми же самыми флуктуациями плотности, возникающими из-за хаотичности движения молекул. Но в больших масштабах флуктуации настолько маловероятны, что мы могли бы напрасно прождать их миллиарды лет и так и не увидеть ни одной флуктуации.
— Тем не менее у нас есть шанс стать свидетелями какого-нибудь необычного события прямо сейчас в этой самой комнате, — настаивал мистер Томпкинс. — Ведь так?
— Разумеется, такой шанс всегда есть, и было бы неразумно утверждать, будто половина содержимого супницы не может выплеснуться на скатерть потому, что половина всех молекул внезапно приобрела тепловые скорости в одном и том же направлении.
— Именно такое событие произошло лишь вчера, — вмешалась в разговор Мод, закончившая просматривать свой журнал и с интересом слушавшая беседу профессора и мистера Томпкинса. — Суп пролился прямо на скатерть, хотя горничная утверждала, что не притрагивалась к столу.
Профессор тихо рассмеялся.
— В этом конкретном случае, — заметил он, — я склонен винить в случившемся все же горничную, а не демона Максвелла.
— Демона Максвелла? — повторил мистер Томпкинс в величайшем изумлении.
— А я-то думал, что ученые менее всего помышляют о всяких там демонах и прочей чертовщине.
— По правде говоря, мы воспринимаем его не слишком серьезно, — пояснил профессор. — Знаменитый физик Джеймс Клерк Максвелл ввел представление о таком статистическом демоне для большей наглядности. Демон понадобился Максвеллу при рассмотрении некоторых явлений, связанных с теплотой. Демон Максвелла — существо весьма проворное и успевает изменять направление движения каждой молекулы в отдельности любым образом, каким вы только пожелаете. Если бы такой демон существовал в действительности, то тепло можно было бы заставить течь против градиента температуры и за фундаментальный закон термодинамики, известный под названием принципа возрастания энтропии , никто бы не дал и ломаного гроша.
— Энтропии? — переспросил мистер Томпкинс. — Мне приходилось слышать это слово и прежде. Один из моих коллег однажды пригласил гостей, и после нескольких тостов присутствовавшие среди приглашенных студенты-химики спели на мотив «Ах, мой милый Августин» куплеты, которые начинались так:
«Возрастает, убывает,
Убывает, возрастает —
Химики того не знают.
Энтропия возрастает?»
Кстати, а что такое энтропия?
— Понять это совсем нетрудно. Энтропия — это просто термин, используемый для описания степени беспорядочности движения молекул в любом физическом теле или в системе тел. Многочисленные случайные столкновения между молекулами всегда способствуют увеличению энтропии, так как полный хаос является наиболее вероятным состоянием любого статистического ансамбля. Но если бы за работу принялся демон Максвелла, то он довольно скоро смог бы навести кое-какой порядок в движении молекул так же, как хорошая сторожевая собака не дает разбежаться и пасет стадо овец, и тогда энтропия системы пошла бы на убыль. Должен сказать вам также, что согласно так называемой Н-теореме, которой мы обязаны Людвигу Больцману…
Явно забыв о том, что он разговаривает с человеком, который практически ничего не понимает в физике, а не читает лекцию студентам-старшекурсникам, профессор с увлечением продолжал свой монолог и без малейших колебаний прибегал даже к таким маловразумительным для непосвященных терминам, как «обобщенные параметры» и «квазиэргодические системы». Ему казалось, что в таком изложении фундаментальные законы термодинамики и их связь со статистической механикой Гиббса становятся кристально ясными.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21