Информация или интуиция?

DjVu

      Полный текст книги

      ПЕРВЫЕ ВСТРЕЧИ
     
      Вторая неделя поисков подходила к концу. Кажется, в схеме не осталось ни одной точки, к которой меньше десяти раз мы прикоснулись щупом тестера или осциллографа. Однако все это оказывалось бесполезным. Более того, поведение схемы, казалось бы, опровергало — в конце концов мы окончательно пришли к этому убеждению — элементарные законы физики. Но убеждения убеждениями, а дело делом. А вот дело явно не двигалось вперед.Схема, установленная в обширном помещении, занимала три большие стойки. Стойки были такими высокими, что до верхней части схемы можно было добраться только став на табуретку. Когда мы паяли там, наверху, капли расплавленного олова падали вниз и обязательно замыкали что-нибудь в средних этажах. Такие замыкания потом приходилось отыскивать часами. Перепайки внизу приходилось делать лежа в классической позе автомобилистами капли расплавленного олова норовили попасть за шиворот. Последствия отнимали меньше времени, но их отнюдь нельзя было назвать более приятными. Лицом, то есть стороной, на которой расположены лампы, стойки были обращены к проходу и отгораживали узкий закуток, в котором мы и ютились, отрезанные от внешнего мира. Если один лежал под стойкой, второй вынужден был через него перешагивать (и при этом частенько что-нибудь ронял на лежащего).Со всеми этими неудобствами можно было бы легко примириться, если бы получался хоть какой-нибудь результат. Однако к концу второй недели последние слабые надежды на получение этого результата стали постепенно угасать. А там, по ту сторону стоек, бодро шагали свободные, удачливые люди. И вот, когда сознание собственной непригодности окончательно созрело в нас, из прохода раздался голос нового сотрудника:— Эй, ребята, проверьте накал!Когда мы выскочили из-за стойки, мы увидели лишь, как за ним захлопывается дверь.Несколько прикосновений щупами тестера, и ситуация предстала перед нами во всей своей простоте. Из шести накальных трансформаторов (по два на стойку) два оказались не подключенными к сети. Каких-нибудь пятнадцать минут, и все заработало. Физическая картина мира вновь обрела свою стройность.— Он гениален, — единодушно решили мы.— Какая дьявольская интуиция!Правда, сам он впоследствии объяснял все иначе:— Я шел мимо и заметил, что в некоторых лампах на ваших стойках не светятся нити накала. Если бы так было у одной или двух ламп, можно было бы подумать, что они перегорели, но у вас не светились добрых три десятка. Единственное разумное объяснение — неисправность в цепях накала.Возможно, причиной было наше желание сохранить хоть каплю уважения к себе (ведь мы-то сами прошли перед стойками не меньше сотни раз!), но свое первоначальное мнение об этом человеке мы не изменили даже после его объяснений. Действительно, шел мимо чужих стоек, явно погруженный в собственные мысли. При этом взгляд его машинально зафиксировал отсутствие темно-красного, чуть заметного свечения у нескольких ламп, а ум так же. машинально выстроил ясную цепочку причин и следствий. Интуиция, и больше ничего!Так или иначе, но упущенные две недели наверстать не удалось. Месячный план оказался невыполненным, и квартальная премия, как говорят, нам улыбнулась. Так на собственном опыте мы познали, что такое ценность информации.Еще более ярким примером, иллюстрирующим понятие информации и ее ценности, могла бы служить история, рассказанная А. Пушкиным в «Пиковой даме», если бы эта история не была выдуманной. Правда, А. Пушкин так и оставил потомков лицом к лицу с загадкой: откуда все-таки взялась роковая дама? То ли Герман перепутал карты, то ли туз, стремясь сохранить равновесие, сам превратился в даму. На языке современной теории связи мы сказали бы, что сигнал оказался искаженным под воздействием шумов.
     
      ЧТО ТАКОЕ ИНФОРМАЦИЯ
     
      Слово «информация» лишь сравнительно недавно стало научным термином. Поэтому мы достаточно часто встречаем в разговорном языке такие выражения, как «передача информации», «сжатие информации», «обработка информации» и даже «дезинформация». Здесь каждый раз речь идет не об информации в строгом смысле этого слова, а о некоторых сведениях или, иначе, сообщениях. Например, по телеграфу всегда передается сообщение, то есть строчка, состоящая из символов некоторого языка. Такая строчка может содержать, а может и не содержать информацию. Сообщение можно сжать, то есть убрать все лишние символы и • м-1мнить лишь те, которые действительно необходимы для представления данной информации. Наконец, дезинформация — это сообщение, заведомо не содержащее информации.Что же означает слово «информация» в его научном значении?- Пытаясь ответить на подобный вопрос, мы и клялись писать эту книгу.В настоящее время существуют два различных взгляда на то, что принято называть информацией. Один взгляд, и его, по-видимому, придерживается большая часть специалистов и неспециалистов, сводится к тому, что существует как бы два сорта информации. Первый из них — это информация техническая, та самая, которая передается по телеграфным линиям или отображается на экранах радиолокаторов. Количество такой информации может быть в точности вычислено, и процессы, происходящие с такой информацией, подчиняются физическим законам.Другой сорт информации — информация семантическая, то есть смысловая. Это та самая информация, которая содержится, к примеру, в литературном произведении. Для такой информации тоже предлагаются различные количественные оценки и даже строятся математические теории. Но общее мнение скорее сводится к тому, что оценки здесь весьма условны и приблизительны и алгеброй гармонию все-таки не проверишь.Второй взгляд, которого мы и будем придерживаться в этой книге, состоит в том, что информация — это физическая величина, такая же, как, например, энергия или скорость. Определенным образом и в определенных условиях информация равным образом описывает как процессы, происходящие в естественных физических системах, так и процессы в системах, искусственно созданных. Обосновать такую точку зрения — основная задача этой книги.Как всегда, при наличии двух резко противоположных мнений существует и третье, примиряющее. Сторонники третьего подхода считают, что информация едина, но вот количественные оценки должны быть разными. Отдельно нужно измерять количество информации, причем количество информации — это строгая оценка, относительно которой можно развивать единую строгую теорию. Кроме количества информации, следует измерять еще и ценность. А вот с ценностью информации происходит то же самое, что и с понятием семантической информации. С одной стороны, вроде ее можно померить или даже вычислить, а с другой стороны, все эти вычисления справедливы лишь в ограниченном числе случаев. И вообще, кто может точно вычислить, скажем, ценность крупного научного открытия?В этой книге мы надеемся убедить читателя, во-первых, в том, что информация едина, во-вторых, в том, что достаточно лишь одной меры количества информации, и, наконец, в том, что современная теория информации — это фундаментальная научная дисциплина, все значение которой, наверное, до сих пор не понято до конца даже теми, кто ее развивает. Но если и удастся это сделать, то лишь к самому концу книги. А пока что нам нужно немножко освоиться с тем кругом понятий, которые в дальнейшем станут предметом обсуждений и размышлений.
     
      ДВЕ ЗАГАДКИ
     
      Более трехсот лет тому назад проживал в городе Тулузе знаменитый французский математик П. Ферма. Сын торговца, он изучил законоведение и с 1631 года до конца жизни был советником Тулузского парламента (то есть суда). Но занимался он отнюдь не только судебными кляузами. Будучи широко образованным человеком, он изучал и комментировал древних авторов и, кроме того, сам весьма успешно работал в области математики и физики. Широкую известность П. Ферма получил главным образом благодаря своей так называемой великой теореме Ферма. Формулировку ее он записал на полях принадлежащего ему тома сочинений Диофанта и там же указал, что нашел очень красивое и простое доказательство теоремы, но изложение его на полях не поместится.С тех пор ни одному из крупнейших математиков мира не удалось ни доказать, ни опровергнуть великую теорему Ферма. Это одна из загадок, которые П. Ферма оставил своим потомкам. Интересно, что при жизни он почти не издавал своих трудов. Большинство его научных достижений стало известно по всякого рода пометкам, вроде пометки на полях книги Диофанта, а главным образом из его обширной переписки с современниками.Второе открытие (или вторая загадка) менее популярно, но для нас оно будет представлять значительно больший интерес. Изучая законы распространения и преломления света, ученый сформулировал положение, известное ныне как принцип Ферма. Согласно этому принципу свет, распространяясь в неоднородной среде, всегда выбирает такой путь, время прохождения по которому оказывается наименьшим среди всех возможных. На первый взгляд нет тут ничего особенного, а тем более загадочного. Сформулирован некий физический принцип, справедливость которого неоднократно проверялась и была доказана экспериментально. Количественное выражение законов преломления света известно в физике под названием закона Снелла, по имени голландского математика В. Снелла, сформулировавшего свой закон в 1621 году.Загадка возникает тогда, когда мы начинаем размышлять над принципом Ферма. Не сочтите за труд, дорогой читатель, и посмотрите на приведенный здесь рисунок (рис. 1). В точке А расположен источник света (лампочка), а в точке Б вы видите световое пятно от этой лампочки на экране. Между точками А и Б расположена стеклянная пластинка. Сплошной линией показан путь света от точки А к точке Б. Это тот самый путь, на движение по которому согласно принципу Ферма будет затрачено наименьшее количество времени. Все очень просто, и картинка эта всем хорошо известна. Именно с нее начинается изучение так называемой геометрической оптики.Но вот вопрос. Скорость распространения света хоть и очень велика, но конечна. Значит, существует такой момент времени, когда свет уже вышел из точки А, но еще не дошел не только до точки Б, но даже до ближайшей к точке А грани стеклянной пластинки. Спрашивается, откуда свет знает, что нужно двигаться именно по пути, изображенному на рисунке сплошной линией? Ведь имеются такие моменты времени, когда луч света еще не дошел до стеклянной пластинки и, казалось, было бы правильным двигаться по прямой, соединяющей точки А и Б (пунктирная линия).Положение, которое мы пытаемся здесь обрисовать, становится особенно выпуклым, если рассуждать с позиций современного корпускулярного представления о природе света. Тогда уже не световой луч (понятие достаточно расплывчатое), а каждый отдельный фотон, покидая точку А, в каждый момент времени принимает решение о том, в каком направлении ему двигаться. И неизменно фотон выбирает именно тот путь, время движения по которому окажется минимальным. Вот что говорит об этом известный американский физик Ричард Фейнман:«Свет проходит, видит перед собой поверхность и отклоняется, потому что на поверхности с ним что-то происходит. Легко понять идею причинности, проявляющуюся в том, что свет идет из одной точки в другую, а затем в следующую точку. Но принцип наименьшего времени есть философский принцип, который совсем иначе объясняет причину явлений в природе. Вместо причинной обусловленности, когда из одного нашего действия вытекает другое и т. д., этот принцип говорит следующее: в данной ситуации свет выбирает путь с наименьшим, или экстремальным, временем. Но как удается свету выбирать свой путь? Вынюхивает он, что ли, соседние пути и сравнивает их потом друге другом?»Современная релятивистская квантовая физика дает нам по меньшей мере два различных пути для размышлений о принципе Ферма. Первый из них таков. Если мы точно знаем положение точек А и Б, а также положения всех промежуточных точек пути, по которому распространяется свет, следовательно, мы точно знаем длину волны этого света. Лучи с различной длиной волны отклоняются по-разному. На этом основано разложение белого света в спектр с помощью стеклянной приемы. Если мы точно знаем длину волны света, значит, мы точно знаем импульсы соответствующих фотоном. Но согласно принципу неточностей Гейзенберга точное знание импульса означает полную неопределенность координаты. Про фотон нельзя сказать, что в данный момент времени он находится где-то в определенной точке. Наоборот, как любят выражаться физики, фотон размазан по всему пути от А до Б. Ну а коли так, то о чем, собственно, толковать?Другой путь рассуждений подсказывает нам теория относительности. Фотон движется со скоростью света. Представим себе, что наблюдатель связан с системой координат, в которой фотон неподвижен. Эта вторая система движется со скоростью света относительно той (первой) системы координат, в которой расположены точки А И Б и стеклянная пластинка. Наблюдатель видит первую систему координат с точками А и Б так, что все расстояния, совпадающие с направлением движения систем друг относительно друга, равны нулю (как говорят, они испытывают лоренцево сжатие). Опять-таки мы приходим к выводу, что перед фотоном не возникает вопроса о выборе пути. Он как бы одновременно находится и в точке А и в точке Б.Если у читателя создалось впечатление, что хотя бы один из предложенных способов рассуждений дает ответ на загадку света, спешим разочаровать его. Это далеко не так. В лучшем случае мы просто можем заменить один вопрос другим. Откуда свет (или фотон) знает, что он должен двигаться (или быть размазанным) по пути, соответствующему кратчайшему времени?Вся история была здесь рассказана с определенной целью. Нельзя не заметить поразительную аналогию между вопросом о свете: откуда свет знает и т. д., — и вопросом: откуда наш новый сотрудник узнал и т. д. Более того, в наших рассуждениях с позиций теории относительности, возможно, брезжит какой-то намек на возможный путь рассуждений, связанный с вопросом о найденной неисправности. Шахматисты часто утверждают, что, планируя комбинацию, они видят ее конечную цель, то есть как бы одновременно находятся в начальной и конечной точках пути. Все это и называется одним словом — интуиция.Однако не слишком ли мы зарвались? Не кощунственно ли сравнивать специалиста-электронщика с каким-то там фотоном? Поскольку понятие информации играет в этой книге одну из первых ролей, придется поискать еще примеры, которые позволили бы нам до конца разобраться в сути дела.
     
      СКОЛЬКО ИНФОРМАЦИИ?
     
      Давайте сыграем в такую игру. Один загадывает число, скажем, в пределах от единицы до тысячи, а второй в попытках угадать это число задает вопросы, ответом на которые может быть только «да» или «нет». Цель игры — угадать задуманное число, задав минимальное количество вопросов. Сегодня в такую игру можно сыграть не только с приятелем, но и с карманным электронным калькулятором.Хорошо известна стратегия этой игры, позволяющая, во всяком случае, не проиграть. Следуя подобной стратегии, вы должны мысленно разделить интервал, в пределах которого загадываются числа, пополам и задатьвопрос:— Задуманное вами число больше пятисот двенадцати?По причинам, которые будут ясны в дальнейшем, мы берем не точно половину интервала, то есть не число «пятьсот», а ближайшую к этому числу целую степень двойки (и все остальные называемые в вопросах числа — это также целые степени двойки ‘либо суммы таких степеней). В случае положительного ответа вы делите пополам верхнюю половину интервала и задаете следующий вопрос:— Задуманное вами число больше семисот шестидесяти восьми?В случае же отрицательного ответа на первый вопрос пополам делится нижняя половина интервала и соответственно следующий вопрос формулируется так:— Задуманное вами число больше двухсот пятидесяти шести?Легко убедиться в том, что каким бы ни было задуманное число, если только оно находится в пределах интервала от нуля до тысячи, отгадать его можно, следуя такой стратегии, не более чем за десять вопросов. В общем случае минимальное количество вопросов равно целому, ближайшему (сверху) к двоичному логарифму от ширины интервала, в пределах которого загадываются числа.Спрашивается, сколько информации вы получаете, узнав задуманное число? Академик А. Колмогоров предложил принять за количество информации, содержащейся в некотором сообщении, грубо говоря, минимальное количество ответов типа «да» — «нет», которые надо получить, чтобы угадать это сообщение. Существенную роль здесь играет слово «минимальное». Имеется в виду, что, во-первых, всегда существует стратегия, позволяющая так, как это было в только что рассмотренном примере, угадать сообщение, задавая вопросы, ответами на которые могут быть только «да» или «нет». Но это еще не все. Имеется также в виду, что среди многих таких стратегий (или алгоритмов, следуя терминологии А. Колмогорова) существует одна, обладающая тем свойством, что при ее использовании задается минимальное количество вопросов.Возникают вопросы и у нас. Мы живем в мире, насыщенном информацией: газеты, радио, телевидение, кино, книги и периодические издания. Известно, что число научных публикаций настолько велико, что подчас оказывается проще сделать некоторое открытие заново, чем отыскать его описание, пользуясь при этом даже самой современной информационной техникой. Вряд ли кто-нибудь из наших современников поставит под сомнение существование такой категории, как информация. Иное дело количество. Можно ли измерить количество информации точно так же, как, например, мы измеряем массу тела или силу электрического тока?Тот же вопрос можно сформулировать и иначе: можно ли вообще применительно к такой категории, как информация, говорить о некоторой объективной сценке, понимаемой как количество?Наш повседневный опыт скорее свидетельствует в пользу отрицательного ответа на этот вопрос. Действительно, на основе нашего опыта мы, казалось бы, должны прийти к выводу, что количество информации в некотором сообщении существенным образом зависит от того, кто получает сообщение. Например, если сообщение составлено на английском языке, то для человека, не знающего этого языка, оно представляется бессмысленным набором букв (или звуков). Аналогичным образом представляется не содержащим никакой информации сообщение, составленное на знакомом языке, если его содержание общеизвестно: снег белый, летом тепло, зимой холодно.Согласно известному физическому принципу Паули в любой системе, состоящей из элементарных частиц (атом, молекула, кристаллическая структура), не может быть двух электронов, находящихся в одинаковых состояниях (то есть характеризуемых одинаковыми значениями квантовых чисел). Справедливость этого принципа давно уже подтверждена десятками тысяч экспериментов. Но возникает естественный вопрос: каким образом электрон узнает, что в данной системе, которая может быть очень сложна, например в случае кристалла, уже имеется один электрон с таким же набором значений квантовых чисел? Можно ли говорить, что электрон получает информацию о структуре, и если да, то можно ли измерить количество такой информации? Или же, наконец, может быть, электрон проявляет интуицию?Несмотря на то, что теория информации как самостоятельное научное направление существует уже более сорока лет, однозначных ответов на все эти вопросы пока еще не дано. С другой стороны, как мы надеемся показать в этой книге, именно с ответами на эти вопросы связаны самые фундаментальные, самые глубинные представления естественных наук. Не говоря уже о том, что сам процесс научного творчества, во всяком случае в области естественных наук, представляет собой не что иное, как угадывание на основании вопросов, которые исследователь задает природе. В большинстве случаев природа отвечает на эти вопросы лишь «да» или «нет» (подтверждается ли некоторая теория экспериментом или нет).Здесь, правда, возможно возражение. Результат расчетов, проведенных на основании некоторой теоретической предпосылки, и результат измерений, проведенных в эксперименте, никогда не совпадают абсолютно точно. Поэтому, казалось бы, можно говорить о степени подтверждения теории экспериментом. Более того, можно измерять эту степень подтверждения, например, количеством десятичных знаков после запятой, в котором совпадают данные расчета и данные эксперимента. Читатель наверняка заметил здесь аналогию с проведенными раньше рассуждениями.Однако в большинстве случаев это не так. Каждая теоретическая предпосылка уже содержит в самой себе оценку той необходимой точности, с которой должны совпасть результаты расчетов и результаты экспериментов, для того чтобы можно было утверждать, что теория подтверждается экспериментом. Например, такая фундаментальная физическая величина, как отношение заряда электрона к его массе, была измерена вначале с весьма невысокой точностью. Погрешность измерения составляла несколько процентов. И все же этих данных оказалось достаточно для того, чтобы утверждать существование самостоятельной частицы — электрона — с неизменными значениями заряда и массы.С другой стороны, весьма малое (порядка десятой доли процента) расхождение теоретических и экспериментальных данных при исследовании бета-распада привело, как известно, к чрезвычайно сложной ситуации. Такой крупнейший физик, как Н. Бор, с которым мы еще не раз встретимся на страницах этой книги, предлагал даже, основываясь на этом расхождении, отказаться от закона сохранения энергии. Восторжествовала, однако, гипотеза В. Паули, согласно которой при радиоактивном распаде, кроме альфа-частиц, электронов и гамма-квантов, образуются еще другие, неизвестные в то время частицы — нейтрино. Через много лет нейтрино были обнаружены в эксперименте, и тогда только природа дала свой положительный ответ на вопрос, заданный ей В. Паули.
     
      ОГЛЯНЕМСЯ НАЗАД
     
      Существует еще вопрос, имеющий гораздо более общий характер, Вправе ли мы ставить знак равенства между понятиями «электрон знает» и «мы с вами знаем»? Более того, применимо ли вообще понятие «знает» к атому?В попытке ответить на первый вопрос перенесемся на пару тысяч лет назад. Без сомнения, все наши читатели знают, что утверждение о прерывистом (атомарном) строении вещества первыми (во всяком случае в Европе) высказали греческие мыслители Левкипп и его ученик Демокрит. И именно потому, что этот факт из истории науки является общеизвестным, мы берем на себя смелость высказать предположение, что далеко не все, во всяком случае среди читателей этой книги, знают, какие именно рассуждения привели Демокрита к подобному утверждению.Это не были экспериментальные данные. Древнегреческие ученые вообще не ставили экспериментов, а если бы даже и ставили, во времена Демокрита не было возможности поставить эксперимент, результаты которого хотя бы косвенно могли дать малейший намек на дискретность структуры материи. Наоборот, все свидетельства наших органов чувств говорят об одном: если материя и дискретна, то лишь в большом. Можно отделить одну песчинку от другой, но чем глубже мы проникаем внутрь материи (напоминаем, речь идет о свидетельствах наших органов чувств), тем в большей мере она демонстрирует свои непривычные свойства.Так откуда же в головы Левкиппа и Демокрита могла прийти мысль о том, что все окружающие нас предметы состоят из мельчайших, недоступных нашим органам чувств-частиц — атомов? Точно так же, как электрону «приходит», что его место занято? Из опыта? Отнюдь нет. Идея об атомарной структуре материи была выведена Демокритом путем следующего рассуждения. Мир находится в непрерывном движении (это утверждение принималось как очевидное, поскольку в его пользу свидетельствовал повседневный опыт), но любое материальное тело может двигаться лишь в том случае, если оно окружено пустотой. Чтобы двигаться, надо иметь пространство, куда двигаться. Значит, повсеместное движение возможно лишь в том случае, если материя состоит из частиц, разделенных промежутками, в которые эти частицы перемещаются при своем движении. А из того факта, что наши органы чувств не способны воспринять этой дискретности, как раз и следует, что атомы малы. Настолько малы, что принципиально не могут быть восприняты.Смотрите, как интересно! Материя дискретна именно потому, что мы не замечаем этой дискретности. Знание непосредственно выводится из незнания. Но важно даже не это. Не дает ли нам только что сказанное основание утверждать, что для знания (во всяком случае, для познания того, что представляет собой окружающий нас мир) совсем необязателен эксперимент. Нужно лишь как следует подумать, Ведь рассуждения Демокрита предельно убедительны. И если нам не удастся найти здесь некорректности, все наши вопросы «как?» и «почему?» попросту потеряют смысл.Говорят, что И. Ньютона спросили однажды, как ему удалось открыть закон всемирного тяготения. «Я думал об этом!» — был ответ.Как видите, все очень просто.На самом деле все обстоит, конечно, не так просто, и нам не надо даже искать некорректность в рассуждениях Демокрита. Это сделал за нас другой древнегреческий мыслитель — Пифагор. Пространство, рассуждал Пифагор, существует лишь постольку, поскольку существует материя. Там, где нет материи, нет и пространства. Поэтому никаких пустых промежутков между материальными частицами существовать не может. Что же касается движения, то оно представляет собой лишь непрерывное превращение одних видов материи в другие.Мы могли бы пойти дальше и привести, скажем, пример того, как на основании исходного предположения о дискретности не только материи, но и пространства еще один древнегреческий философ — Зенон — пришел к своим знаменитым апориям, причем сделал это на основании логики, не менее безупречной, чем логика Демокрита. Но, наверное, примеры уже не нужны. Мы поняли главное. Логические построения действуют до тех пор, пока они не исчерпали информацию (все-таки информацию!), содержащуюся в исходных посылках. Логика, как и математика, — это мельница, которая перемалывает все, что в нее засыпано. Правильную картину мира нельзя составить, размышляя в комнате без окон. И мы с неизбежностью опять возвращаемся на круги своя, то есть к тому же вопросу. Сейчас, если угодно, мы можем сформулировать его так: откуда Демокрит (или Левкипп) мог знать, что… и т. д.?Специально для тех, кто предпочитает лишь модные направления в научно-популярной литературе, можем привести два небезынтересных факта. Во-первых, Демокрит действительно считал, что весь окружающий нас мир состоит из атомов. Но слово «атом» в точном переводе с греческого означает не «неделимый», а «неразрезаемый». Именно в этом смысле употреблял слово «атом» Демокрит. Неразрезаемый в том смысле, что если разрезать атом на части, то свойства его частей будут отличаться от свойств целого. В то же время Демокрит считал, что сами атомы состоят из еще более мелких частиц — амеров. Слово «амер» как раз и означает «неделимый». Надо отметить, что Демокрит ни в коей мере не претендовал на авторство атомарной теории строения мира. Наоборот, он указывал, что сведения о строении мира он почерпнул из рукописей вавилонских (халдейских) мудрецов, с которыми имел возможность познакомиться, путешествуя по Египту.
     
      ИНФОРМАЦИЯ И СЛУЧАЙ
     
      Все только что сказанное снова приводит нас к обсуждению вопроса о количестве информации. Мы угадывали числа, и количество информации вроде бы зависело (во всяком случае, читатель мог прийти к такому заключению) от величины интервала, в пределах которого происходит угадывание. Всякий физический эксперимент также представляет собой своеобразное угадывание некоторого числа. Однако, как мы только что говорили, в процессе эксперимента получается лишь ответ «да» или «нет» на вопрос, заданный естествоиспытателем.Впервые мера количества информации была предложена американским инженером Р. Хартли в 1927 году. Он рассуждал так. Всякое поступающее к нам сообщение выбирается из некоторого конечного набора. Чем богаче такой набор, тем труднее угадать, какое именно сообщение будет получено. Следовательно, тем больше информации оно несет с собой. Значит, количество информации должно зависеть от количества сообщений в исходном наборе.Проще всего было бы приравнять количество информации полному количеству сообщений в исходном наборе. Но здесь существует одна трудность. Пусть имеются два набора, каждый из которых содержит, скажем, но десять сообщений. Можно представить себе сложное сообщение, составленное из двух — по одному из каждого набора. Всего их можно образовать сто штук. Вот и получается, что если принять за меру количества информации количество сообщений в исходном наборе, то каждое из них, взятое из первого набора, будет содержать десять единиц информации, взятое из второго набора, — тоже десять. А сложное сообщение, составленное из двух простых, будет содержать не двадцать, как естественнее всего было бы ожидать, а сто единиц информации.Чтобы избежать этой трудности, Р. Хартли предложил брать в качестве меры количества информации не количество сообщений в исходном наборе, а двоичный логарифм этого количества. Легко показать, что в этом случае количество информации, переносимое сложным сообщением, окажется в точности равным сумме количеств информации, содержащихся в составляющих его простых.Возвращаясь к нашему примеру с угадыванием чисел, подсчитаем, чему равно количество информации по Хартли, содержащейся в одном угаданном числе, взятом в интервале от нуля до тысячи. Исходный набор содержит здесь тысячу возможных сообщений. Двоичный логарифм тысячи примерно равен десяти. Следовательно, меры Хартли и Колмогорова в, этом случае совпадают.Главная заслуга Р. Хартли состоит в том, что, он впервые связал понятие о количестве информации с понятием многообразия (количество сообщений в исходном наборе)., Второе важное положение теории Хартли состоит в том, что процесс получения информации рассматривается как выбор одного элемента из некоторого множества. Если исходное множество содержит только один элемент, выбирать не из чего и количество информации равно нулю. Тут снова оправдывается использование логарифма, поскольку логарифм единицы всегда нуль.Наконец, важнейшее положение теории Хартли состоит в том, что количество информации в ней целиком определяется свойствами источника и никак не зависит от свойств получателя. В теории Хартли роль получателя информации совершенно пассивна. Он лишь воспринимает сообщения, которые кто-то (отправитель, автомат, природа) выбирает из наперед заданного набора. Наоборот, в теории Колмогорова получателю отводится основная, активная роль. Это он задает вопросы. Ясно, что количество вопросов, необходимое для угадывания, зависит от того, насколько удачно они поставлены.Однако возможен принципиально иной подход к решению вопроса о количестве информации. Если предложить какому-либо человеку (при этом он не должен быть профессионалом математиком и, кроме того, не следует заранее вводить его в курс дела) выбрать наугад число из интервала от нуля до тысячи, он почти наверняка не загадает единицу или девятьсот девяносто девять. Напротив, в большинстве случаев загаданное число будет расположено где-то недалеко от середины интервала. В чем состоят психологические особенности загадывания чисел, мы не знаем (интуиция?), но каждый из читателей может легко убедиться в справедливости сказанного, предложив загадывать числа нескольким своим приятелям. Для этого не надо даже брать большие интервалы. Вполне достаточно, скажем, загадывать числа из интервала от нуля до десяти.С учетом этих соображений стратегию отгадывания можно построить следующим образом. Будем предполагать, что загаданное число почти наверняка не находится в интервалах от нуля до двухсот пятидесяти шести и от семисот шестидесяти восьми до тысячи. Попытаемся отгадать его, исходя из предположения, что оно заключено в интервале от 256 до 768. Далее используем уже известную стратегию деления пополам. Первый вопрос тот же самый:— Задуманное вами число больше 512?Однако второй вопрос уже будет сформулирован иначе. Если ответ на первый вопрос был положительным, то следующим мы зададим вопрос:— Задуманное вами число больше 640? (640 — половина интервала между 513 и 768.)Если же ответ на первый вопрос был отрицательным, то следующий вопрос будет звучать так:— Задуманное вами число больше 384? (384 — половина интервала между 257 и 512.)Легко подсчитать, что подобная стратегия позволяет отгадать число не более чем за девять вопросов, если, конечно, загаданное число взято из интервала от 256 до 768. Ну а если это не так?Тогда мы все равно отгадаем число. Но потратить придется больше, чем десять вопросов. Можно показать, что если все время придерживаться гипотезы об интервале, из которого выбрано загаданное число, и отказаться от нее лишь тогда, когда будет доказано, что она несправедлива (для этого тоже потребуется девять вопросов), то общее количество вопросов в этом случае будет семнадцать. Все дело в том, как часто принятая гипотеза будет оказываться несправедливой.Предположим, что мы только тем и занимаемся, что отгадываем числа. Предположим далее, что, как и считалось с самого начала, в подавляющем большинстве, например в 96 случаях из ста, загаданное число оказывается в пределах интервала от 256 до 768 и, следовательно, может быть отгадано за девять вопросов. Лишь в четырех случаях из ста загаданное число окажется вне этого интервала, и на его отгадывание затрачивается 17 вопросов. Среднее число вопросов будет, очевидно, равно 9,32, то есть меньше десяти.Значит, если строить стратегию отгадывания с учетом психологии своих приятелей, а проще говоря, с учетом вероятности нахождения загадываемого числа в пределах того или иного интервала, то среднее количество задаваемых вопросов окажется меньше, чем в том случае, когда стратегия отгадывания строится с учетом равной вероятности нахождения числа в любом месте исходного интервала. Меньше, даже, несмотря на то, что в отдельных случаях количество задаваемых вопросов будет значительно больше среднего. Переходя к терминологии, принятой в теории Хартли, можно сказать, что в последнем случае стратегия отгадывания строится с учетом распределения вероятности, заданного на исходном наборе чисел, или, как мы будем дальше говорить, на исходном многообразии.Здесь имеет смысл сказать несколько слов об интуиции. Что, например, следует думать о человеке, который отгадал число с первой попытки? Можно ли считать, что он проявил интуицию? Все только что проведенные рассуждения говорят, что это не так. Любое суждение как о процессе отгадывания, так и о свойствах отгадывающего, можно выносить лишь на основе подсчета среднего количества сделанных попыток. Мы еще вернемся к этому вопросу в главе третьей.Американский математик К. Шеннон в 1949 году предложил использовать в качестве меры количества информации как раз величину среднего количества вопросов, необходимого для отгадывания при использовании соответствующей стратегии. В теории Шеннона так же, как и в теории Хартли, предполагается, что сообщения поставляются (генерируются некоторым источником, который выбирает их из конечного наперед заданного набора сообщений. За количество информации, содержащейся в одном сообщении, принимается среднее значение логарифма от вероятности этого сообщения, взятое со знаком «минус». На первый взгляд представляется, что такое определение не имеет ничего общего со всем, что говорилось ранее. Однако можно убедиться, что это не так.Достаточно лишь вспомнить, что если все сообщения равновероятны, то вероятность получения одного из них равна единице, деленной на общее число сообщений и наборе. А логарифм обратной величины равен взятому со знаком «минус» логарифму от этой величины. Следовательно, в случае равновероятности всех сообщений количество информации по Шеннону совпадает с количеством информации по Хартли, а это последнее, в свою очередь, как было показано выше, совпадает, во всяком случае для примера с отгадыванием чисел, с количеством информации по Колмогорову.Другая, крайность имеет место тогда, когда вероятность появления одного из сообщений в- наборе равна единице, а всех остальных —соответственно нулю. Можно считать, что набор состоит из одного-единственного сообщения, поскольку все остальные в течение любого разумного интервала времени все равно не будут получены. Логарифм единицы равен нулю, поэтому, по Шеннону, количество информации, переносимой сообщением, вероятность появления которого равна единице, равно нулю. Тот же результат мы получаем, применяя меру Хартли к набору, состоящему из одного-едннственного сообщения. Наконец, ясно, что, если ваш приятель всегда загадывает одно и то же число, угадать его можно, не задавая никаких вопросов.Итак, мы установили, что в двух, как говорят, экстремальных случаях применение мер Хартли, Шеннона и Колмогорова дает одно и то же количество информации. Можно показать, что для неравновероятных сообщений количество информации, по Шеннону, будет всегда меньше максимально возможного, получаемого для равновероятных сообщений. В этом и состоит основное отличие теории Шеннона от теории Хартли. Теперь мы знаем, что существует по меньшей мере три различные меры количества информации. То, что их три, а также и то, что вообще-то говоря, не существует четкого рецепта, когда какой пользоваться, как раз и свидетельствует о незавершенности современной теории информации.Еще, один вопрос требует немедленного ответа. Каждая из трех рассмотренных нами мер предусматривает наличие источника, причем такого, который содержит лишь конечное число сообщений. А как быть в случае источника с бесконечным разнообразием сообщений?Чтобы мы могли свободно рассуждать в дальнейшем, необходимо доказать, что в природе не может существовать источник, располагающий бесконечным разнообразием сообщений (для искусственных источников это утверждение не требует доказательства). Посмотрим, что происходит, когда источником сообщений является сама природа, а точнее, некоторая определенная система конечных размеров, наблюдаемая нами в течение конечного интервала времени.Такая система может что-то сообщать лишь о своем собственном внутреннем состоянии. Согласно принципу неточностей Гейзенберга состояние физической системы может быть воспринято лишь с некоторой ошибкой (неточностью), причем эта неточность не может быть меньше определенной величины. Значит, любые два состояния системы могут отличаться друг от друга только в том случае, если они разделены некоторым конечным интервалом. В любой реальной системе описывающие ее физические величины не могут принимать бесконечные значения. Отсюда следует, что число различимых состояний любой ограниченной физической системы всегда конечно.Пусть, например, мы судим о состояниях системы по ее массе, а массу определяем с помощью весов со шкалой и стрелкой. Поскольку стрелка всегда имеет конечную ширину, невозможно измерить массу (произвести взвешивание) с точностью большей, чем, скажем, 1 грамм. Если мы знаем к тому же, что масса системы не более 1 килограмма, то не может быть более тысячи отличающихся друг от друга результатов взвешивания. Итак, наша предпосылка о конечности числа различных сообщений в источнике не снижает, как говорят, общности рассуждений.
     
      ЭНЕРГИЯ ПЕРВЫЙ СОРТ
     
      Один из важнейших вопросов, до сих пор до конца не решенный современной наукой, — это вопрос о причине движения. Мир материален, и заполняющая его материя находится в непрерывном движении — эта истина в настоящее время практически ни у кого не вымывает, сомнений. Но почему в движении? Что является причиной движения? Такие вопросы задавали себе еще древнегреческие ученые.Фалес из Милета считал, что всему причиной демоны. Все полно демонов, утверждал Фалес. По Гераклиту, единственной стихией, из которой все возникает п в которую все разрешается, является огонь (энергия?), который есть не что иное, как процесс горения. Огонь вечно подвижен и все движет. Он не только изменяется, но и сам все изменяет, сходит с неба и восходит к небу, угасая и воспламеняясь:«Итак, все изменяется, все течет и горит, но всякое изменение есть переход от чего-либо одного к чему-либо другому, причем второй момент вытесняет первый и постольку отрицает его собою; процесс явлений, в своем вечном круговороте, обусловлен вечной борьбой и враждою всего сущего. Все состоит из противоположностей, борющихся и переходящих друг в друга в живой стихии горенья. Единое согласуется с собою в вечном противоречии, и гармония мироздания вытекает из сочетания противоположных колебаний».Наконец, уже упоминавшийся Демокрит считал, что причина движения очень проста — все состоит из атомов, и эти атомы непрерывно движутся вниз (?!). Просто вниз, и все. Вопрос о причине движения имеет прямое отношение к другим вопросам, которые будут рассмотрены в этой книге. Скажем больше — это один из основных вопросов естествознания.В. Нернст, автор так называемого третьего начала термодинамики, имел небольшую собственную ферму. Однажды его спросили:— Почему бы вам не завести на ферме несколько десятков кур или хотя бы несколько овец?— Я не идиот, — ответил В. Нернст. — Разводить теплокровных животных — это все равно что за свой счет отапливать вселенную.Девятнадцатый век можно назвать веком зарождающейся энергетики. К середине его ученым стали окончательно ясны две вещи: во-первых, то, что энергия не может взяться ниоткуда или исчезнуть бесследно, она лишь непрерывно переходит из одной формы в другую, во-вторых, то, что различные формы энергии отличаются друг от друга по качеству. Самая «плохая» энергия — тепловая, лучше ее – механическая, формы энергии высшего качества — это энергия электрическая и энергия химическая. Переходы энергии из формы высшего качества в форму низшего качества наблюдаются в природе повсеместно. Наоборот, случаи перехода от формы низшего качества к форме высшего качества наблюдаются относительно редко. Кроме того, как правило, только часть запасов энергии низшего качества может преобразоваться в форму более высокого качества. Эта часть определяется: величиной, называемой коэффициентом полезного действия (КПД).Энергия высшего качества — это такая энергия, которая целиком может перейти в энергию более низкого качества. Пусть, например, в аккумуляторе запасен один джоуль электрической энергии. Этот джоуль можно целиком преобразовать в тепло. Наоборот, если мы вращаем электрический генератор с целью преобразовать механическую энергию в электрическую, то лишь часть имеющегося у нас запаса механической энергии перейдет в электрическую, а другая часть этого запаса преобразуется опять же в тепло (нагревание подшипников и обмотки). Следовательно, механическая энергия по качеству хуже, чем электрическая. Повторяем, все это было известно уже к середине XIX века. Однако и в наши дни мало кто может ответить на вопрос: почему, к примеру, тепловая энергия хуже механической?Попробуем: хотя бы, поискать пути к ответу на этот вопрос и для этого рассмотрим принцип действия какого-нибудь преобразователя тепловой энергии в механическую, например принцип действия паровой машины. Первые паровые машины представляли собой устройства, весьма сложные в обращении. Работала машина примерно так. Человек открывал кран, в цилиндр, в пространство под поршнем, поступал пар из котла. Поршень постепенно выдвигался. Когда поршень доходил до упора, кран в трубе, подводящей пар, закрывали, а цилиндр обливали холодной водой, Пар в цилиндре конденсировался, превращался в воду, и под действием атмосферного давления поршень вдвигался внутрь цилиндра. Через специальный кран из цилиндра спускали воду, в которую превратился пар, затем снова наполняли цилиндр паром и т. д. Как видите, человеку, обслуживающему такую паровую машину, скучать было некогда.Современная паровая машина отличается от только что описанной лишь тем, что цилиндр не обливают холодной водой, а просто выпускают из него отработавший пар. Система клапанов оказывается еще более сложной и оформляется в виде так называемого золотника. Золотник автоматически перемещается в соответствии с перемещениями поршня.Посмотрим теперь, в чем состояла основная функция человека, обслуживавшего первые паровые машины. Она состояла не в том, чтобы просто открывать и закрывать краны, а в том, чтобы делать это в строго определенные моменты времени. Именно тогда, когда поршень достигал наивысшей или наинизшей точки. Человек получал информацию о положении поршня, должным образом перерабатывал ее и затем использовал для управления состояниями кранов. В современной паровой машине задачи получения и преобразования информации решаются с помощью кривошипа и штока золотника.Возможно, кто-то из читателей захочет возразить нам, сославшись на то, что, например, в паровой турбине нет ни золотников, ни штоков и тем не менее задача преобразования тепловой энергии в механическую решается в турбине ничуть не хуже, а может быть, даже лучше, чем в паровой машине с цилиндром и поршнем. Штоков и золотников в паровой турбине действительно нет. И все же в ней выполняются все те же операции, что и в поршневой машине. Просто паровая турбина представляет собой удачную и остроумную конструкцию, где один и тот же рабочий орган — лопатка — выполняет функции и поршня, когда паровая струя ударяется именно в данную лопатку, и клапана, когда очередная лопатка принимает давление струи пара на себя и закрывает тем самым от воздействия пара лопатку, которая работала непосредственно перед этим. Расположение лопаток на колесе выбирается таким, чтобы переход действия струи пара с одной лопатки на другую совершался в тот момент, когда использование предыдущей лопатки становится далее неэффективным. В турбине получается и преобразуется ровно такое же количество информации, что и в поршневой машине, Просто функции получения и преобразования информации реализуются тем же самым колесом. Все сказанное справедливо также для двигателей внутреннего сгорания (дизельных и карбюраторных) и газовых турбин.
      По соображениям, которые станут ясны лишь по прочтении последующих глав, можно утверждать, что весьма высоким качеством (правда, не самым высоким) обладает энергия лазерного луча. Принцип действия лазера (его мы рассмотрим в дальнейшем) связан с достаточно сложными процессами получения и преобразования информации.При работе любого преобразователя тепловой энергии в механическую исходный запас тепловой энергии затрачивается на совершение механической работы.Спрашивается, куда затрачивается информация? Все сказанное приводит нас к единственному возможному ответу. Получение энергии более высокого качества из энергии более низкого качества возможно лишь в системе, в которой происходят процессы получения и преобразования информации (одним словом, можно сказать, процессы управления). А значит, можно считать, что качество энергии определяется количеством информации, затраченной при ее получении. Короче говоря, качество энергии есть не что иное, как ее информативность.Конечно, подобное утверждение звучит пока что достаточно голословно. Одна из целей нашей книги состоит в том, чтобы показать, что так оно и есть на самом деле. Это можно только показать, но не доказать, поскольку, как уже не раз отмечалось, сама теория информации является к настоящему времени незавершенной отраслью в науке.
     
      ЭНЕРГИЯ И ЭНТРОПИЯ
     
      К середине XIX века считалось, что причина движения найдена и получила свое название — это энергия. Энергия есть способность материальной системы совершать работу. Энергия не может взяться из ничего и не может исчезнуть. Этот закон, ставший краеугольным камнем здания классической физики, был открыт еще в XVIII веке великим М. Ломоносовым.Во вселенной разлит определенный запас энергии (все полно демонов?). Каждая материальная система также обладает некоторым запасом энергии. Обладать запасом энергии значит быть способным совершать работу, в частности, двигаться. Энергия может переходить из одной формы в другую. Уже известны такие формы, как механическая, химическая, электрическая. Но главная форма энергии, конечно же, тепловая. Именно в этой форме постоянно, бесплатно и в огромных количествах поставляет энергию Солнце. К тому же век пара и электричества — это в первую очередь век паровых машин или, как их вежливо называют в учебниках физики, тепловых двигателей.Казалось бы, все ясно. Но не тут-то было! Энергия обусловливает способность материальной системы совершать движения, это верно. Но энергия не есть причина этих движений. Вот на вершине горы лежит камень. Этот камень обладает потенциальной энергией. Чем тяжелее камень и чем выше гора, тем больше запас потенциальной энергии. Но этот камень почему-то не падает вниз. А другой камень, может быть, даже меньших размеров и, соответственно, с меньшим запасом потенциальной энергии, вдруг покатился вниз, да еще увлек за собой целую лавину камней.Так в чем же причина движения? Вопрос этот мучил многих. Размышлял над ним и немецкий ученый Р. Клаузиус. Всем, кто строил и исследовал тепловые двигатели, был хорошо известен следующий факт. Тепло охотно переходит от нагретого тела к холодному и никогда не переходит в обратном направлении. Если в стакан, налитый до половины холодной водой, долить кипятку, кипяток и холодная вода перемешаются и вся вода в стакане постепенно приобретет одинаковую температуру. При переходе тепла от нагретого тела к холодному может быть совершена работа. Наоборот, если имеются два тела с одной и той же температурой, то нагреть одно из них и охладить другое можно, только затратив определенное количество работы.Заинтересовавшись этими фактами, Р. Клаузиус заметил и нечто другое. Тепловую энергию можно преобразовать в механическую, электрическую или химическую. При этом на единицу затраченной тепловой энергии будет получена в точности единица энергии другого вида — никаких потерь здесь не происходит. Но если снабдить некоторую материальную систему запасом, скажем, химической или электрической энергии и затем предоставить эту систему самой себе, то в ней начнутся различные, подчас очень сложные преобразования и в конце концов, если не вся, то большая часть электрической или химической энергии перейдет в тепловую.Подметил Р. Клаузиус и многое другое. Высокие остроконечные горы постепенно, хотя для этого требуются целые геологические периоды, осыпаются, становятся более пологими. Ущелья, напротив, заполняются осадочными породами. Реки мельчают, заболачиваются. Извилистые русла рек постепенно спрямляются. Какой бы прочный дом вы ни построили, он постепенно разрушится. Создается впечатление, что все процессы в природе каким-то образом направлены.Р. Клаузиус ввел новую физическую величину, чтобы как-то оценить подобные преобразования, и назвал ее энтропией. Для всякой материальной системы энтропия — это мера близости системы к состоянию равновесия. Если система находится в состоянии равновесия, в ней невозможно движение, а энтропия ее максимальна. Например, если в некотором сосуде заключена жидкость и в любой точке внутри сосуда температура этой жидкости одна и та же, то, как уже говорилось, тепло не сможет переходить из одной области сосуда в другую. Работа внутри такого сосуда, обусловленная тепловыми процессами, совершаться не может, а энтропия системы «сосуд с жидкостью» будет максимальной.Повторим еще раз, потому что это очень важно. Пусть имеется материальная система, обладающая любым сколь угодно большим запасом Энергии и не взаимодействующая с другими системами. Если, однако, энтропия этой системы равна своему максимально возможному для данной системы значению, никакая работа внутри системы совершаться не может. Иначе говоря, если в данной системе вообще возможны некие процессы, которые мы определяем как процессы преобразования, или эволюции, то они неизбежно заканчиваются при достижении энтропией своего максимально возможного значения.И наоборот, пусть некая материальная система характеризуется некоторым значением энтропии, не равным максимально возможному для этой системы значению. Величина, показывающая, сколько не хватает до максимально возможного значения энтропии, и есть в определенном смысле мера способности системы совершать внутри себя работу. С другой стороны, эта величина равна разности между некоторым постоянным значением энтропии (для данной системы) минус реальное значение энтропии. Можно условиться принимать постоянную за начало отсчета, то есть за нуль. Тогда мера способности системы совершать работу будет представлять собой реальное значение энтропии, взятое со знаком «минус». Мы просим читателя как следует запомнить только что сказанное. В дальнейшем нам удастся прийти к довольно неожиданному выводу.Первоначально энтропию определяли для тепловых систем, причем полагали, что изменение энтропии пропорционально изменению количества тепла при данной температуре. Тот факт, что тепло всегда переходит только от более нагретого тела к менее нагретому, теперь можно сформулировать иначе: все самопроизвольные процессы в тепловых системах происходят всегда в сторону возрастания энтропии. Это утверждение, впервые высказанное Р. Клаузиусом, получило название второго начала термодинамики в отличие от первого начала — закона сохранения энергии, гласящего, что энергия не может возникнуть из ничего или исчезнуть бесследно.Уже отмечавшиеся нами наблюдения, а также многие-многие другие привели к выводу, что область действия второго начала термодинамики отнюдь не ограничивается тепловыми двигателями. Стало ясно, что так же, как и закон сохранения энергии, второе начало термодинамики или, как его иначе называют, закон неубывания энтропии, является фундаментальным физическим законом, справедливым для всех без исключения материальных систем.Размышления над вторым началом термодинамики привели к довольно жуткой картине — так называемой тепловой смерти вселенной. Действительно, раз тепло всегда переходит лишь от более нагретого тела к более холодному, рано или поздно во всей вселенной должна установиться одна и та же температура — звезды погаснут, а планеты нагреются, прекратятся все процессы и, конечно, жизнь во всех ее проявлениях. И что самое обидное, общего количества энергии, то есть способности совершать работу, в такой уравновешенной вселенной будет ровно столько же, сколько сейчас или, скажем, несколько миллиардов лет тому назад. Способность к движению сохранится, а вот причина, побуждающая систему к движению, исчезнет. К счастью, на самом деле все обстоит не так трагично. Правда, доберемся мы до объяснения истинного положения вещей лишь к самому концу книги.Пока что нам стало ясно одно: причина движения, которую тщетно искали ученые, начиная с самых древних времен, найдена, Современная наука утверждает: причина движения суть физическая величина, получившая название энтропии и взятая с обратным знаком. Чем дальше система от состояния равновесия, чем меньше истинное значение энтропии по сравнению с максимально возможным — тем больше движения может совершиться в такой системе.Правда, здесь снова возникает вопрос. Многочисленные адепты самых разнообразных религий также претендовали на то, что они знают, в чем причина движения. Эту причину они усматривали, смотря по вкусу, в божестве, божествах, демонах, вселенской идее или вселенском разуме, как у Аристотеля и Платона. В конце концов бог или демон — это всего лишь слова. Может быть, и энтропия — всего лишь слово, пришедшее на смену устаревшему и мало убедительному понятию вселенского разума?Нет, это не так. Оказывается, отталкиваясь от первого и второго начал термодинамики, чисто формально производя одни лишь математические преобразования, можно вывести практически все законы классической физики. История физики знает и весьма яркие примеры использования закона неубывания энтропии в достаточно далеких на первый взгляд областях. Всем известно, например, что М. Планк открыл свой знаменитый закон квантования энергии, положивший начало квантовой физике, и ввел новую фундаментальную физическую константу — постоянную Планка, — исследуя процессы излучения черного тела. Однако мало кто знает, что М. Планк проделал все это, рассуждая о том, как возрастает энтропия в системе, состоящей из черного тела и излучателей энергии. Так что понятие энтропии и закон, которому подчиняется эта физическая величина, позволяют не только объяснить уже известные физикам явления, но и предсказать новые, которые действительно затем обнаруживаются в природе. А это и есть лучшее доказательство справедливости физических утверждений.Универсальность понятия энтропии потребовала и другого определения, более общего, чем определение через количество тепла и температуру. Развитие статистической физики позволило очень быстро найти такое определение. Величину энтропии, характеризующую данное состояние материальной системы, стали определять как логарифм вероятности для системы принять это состояние.Произнеся слово «вероятность», мы не можем не высказать здесь ряд дополнительных соображений. В природе совершаются события, о которых принципиально можно узнать лишь очень немногое. Например, вся мощь современной науки и техники не позволяет определить точку, в которую попадет артиллерийский снаряд после выстрела. Можно лишь приближенно указать некую площадь земной поверхности, в пределах которой заключена эта точка. С другой стороны, имеется возможность с достаточной степенью точности предсказать, как будет выглядеть эта площадь после, скажем, ста выстрелов, произведенных без изменения прицела. Выполнить это нам помогает наука — теория вероятностей. А с точки зрения информации можно отметить, что в определенных условиях наше знание о явлениях природы приобретает довольно своеобразную форму: почти ничего не зная об отдельных явлениях, мы можем знать достаточно много о массе таких явлений, если они совершаются в неизменяющихся условиях.Эта книга посвящена информации, ее свойствам и связанным с нею закономерностям. Во второй половине XX века получила бурное развитие техника переработки информации. Мы не станем затрагивать здесь вопросы этой переработки, поскольку даже самое поверхностное их рассмотрение требует отдельной книги. Наша задача состоит в другом: вскрыть единство информационных процессов, совершающихся в самых различных искусственных и естественных системах. Подобные процессы, как правило, оказываются заложенными в самой основе физических явлений. Поэтому читателя не должно смущать, что подчас мы не будем достаточно долго произносить слово «информация».Мы намерены показать, что, казалось бы, совершенно бессмысленная игра в вопросы и ответы, которой мы отвели столько места в начале главы, имеет самое непосредственное отношение не только к принципу действия тепловых двигателей, но и к описанию процессов, происходящих, например, в столь экзотических астрономических объектах, как черные дыры. Однако все это потребует от читателя соответствующей подготовки.В этой главе мы еще почти ничего не сказали ни об информации, ни об интуиции. Задача здесь состояла в том, чтобы ввести читателя в круг понятий, с которыми мы будем иметь дело в дальнейшем. И все же было сделано одно утверждение, проливающее уже достаточно яркий свет на природу информации: качество энергии, сказали мы, определяется ее информативностью.
     
      О ВНУТРЕННЕМ СОВЕРШЕНСТВЕ
     
      Чтобы некоторую физическую теорию можно было признать верной, она должна обладать внутренним совершенством и внешним оправданием, писал Эйнштейн. Что же такое внутреннее совершенство? Конечно, под этим нельзя понимать всего лишь простоту — физика выглядела бы тогда уж слишком примитивной. В связи с затронутым нами вопросом представляет интерес высказывание Ричарда Фейнмана. Наука начинается со сбора фактов, считает Р. Фейнман. Затем эти факты обобщаются и устанавливаются математические закономерности. Однако истинного величия наука достигает тогда, когда предлагается способ рассуждений, из которого все известные факты следуют естественным образом.Способ рассуждений… Но ведь способ рассуждений не может быть абстрактным, во всяком случае применительно к точным наукам. Если наука описывает природу, то предложить способ рассуждений — это то же самое, что и предложить описание некоторого механизма, вызывающего к действию те или иные явления природы. Значит, перефразируя Р. Фейнмана, можно сказать: истинного величия наука достигает тогда, когда ей удается вскрыть наиболее общие механизмы природы.Имея в виду только что сделанное утверждение, обратимся к физике. Всем известно, что современная релятивистская квантовая физика достигла величайших за всю историю науки успехов, дала человечеству совершенно новое понимание мира. Эти дифирамбы можно продолжать сколь угодно долго. Кроме понимания мира, современная физика подарила человечеству множество практически полезных вещей, таких, как атомная энергия, электроника, наконец, кибернетика, замахивающаяся на создание искусственного интеллекта.Но при всем при том нельзя не заметить, что как раз для современной физики характерно наличие очень большого количества утверждений, которые ни из чего не вытекают и никак не доказываются. Скорость распространения взаимодействий в природе ограничена и ни при каких условиях не может превышать величины скорости распространения света в вакууме, то есть примерно 300 000 километров в секунду. Это одно из наиболее фундаментальных утверждений, на котором базируется вся современная релятивистская физика. Но возникает вопрос: почему? Почему именно 300 000? Не станем же мы утверждать, что существуют магические числа, числа-божества, управляющие миром, и 300 000 — одно из таких чисел. Заметим к тому же, что ведь 300 000 получилось совершенно произвольно, только потому, что за единицу длины мы приняли километр. Выбери мы в качестве единицы длины милю или, скажем, фут, получилось бы совсем другое число. Почему же какое-то число, которое к тому же не имеет определенного значения, играет роль фундаментальной мировой константы?Дело даже не в самом числе. Почему именно такая физическая величина, как скорость, приобретает столь исключительное значение? Ведь согласно тому же принципу относительности равномерное прямолинейное движение неотличимо от состояния покоя. А это значит, что далеко не всегда вообще можно судить, движется тело или не движется. Возьмем знаменитый парадокс близнецов. Были два брата-близнеца. Один из них отправился в далекий космический полет, другой остался на Земле. Вернувшись из путешествия молодым человеком, космонавт застал своего брата глубоким стариком. Сейчас это знает каждый школьник, и подобные факты никого не удивляют. Более того, неодинаковое течение времени в различных инерциальных системах отсчета давно доказано многими экспериментами.Порассуждаем, однако, еще немного. Вот Земля, а вот космический корабль. Если корабль летит прямолинейно и равномерно (он уже успел разогнаться до скорости, близкой к скорости света), то у космонавтов есть все основания утверждать, что они вместе с кораблем неподвижны, а Земля со всем ее населением отдаляется от них (приближается, если речь идет об обратном пути) со скоростью, близкой к скорости света. Но если так, то течение времени должно замедлиться именно на Земле и космонавты, вернувшись из путешествия, длившегося по корабельным бортовым часам, скажем, двадцать лет, застанут своих родственников и знакомых постаревшими всего на каких-нибудь несколько секунд. Так где же должно происходить замедление времени? На корабле или на Земле?Конечно, на корабле, потому что, разгоняясь или тормозя, космический корабль испытывает ускорение. В отличие от скорости ускорение — величина абсолютная. Она может быть измерена прибором, расположенным внутри корабля и никак не связанным с какими-либо внешними объектами. Именно ускорение воздействует на часы, замедляя или ускоряя их ход. Но роль физической константы играет почему-то не ускорение, а скорость.Все те же соображения можно высказать применительно к какой-нибудь другой физической константе, например постоянной Планка. И опять-таки сильнее всего раздражает не то, что имеется какое-то число, которое в отличие от многих других чисел определяет протекание весьма большого количества процессов в окружающей нас природе. Непонятно другое. Почему это число (постоянная Планка) имеет физическую размерность момента количества движения? В чем исключительность именно такой физической величины? Современная физика не только не может ответить на эти вопросы, она не подготовлена даже к тому, чтобы корректно их поставить.Вот и приходится школьникам, а затем студентам зазубривать утверждения вроде следующего: мир устроен так, что любая физическая система может излучать или поглощать энергию лишь целыми порциями — квантами, причем для каждого такого кванта величина энергии не может быть меньше произведения их частоты на постоянную Планка.— Но почему? — вопит обиженный ученик.— Так уж устроен мир! — Это единственный ответ, который может дать современный физик, будь он хоть трижды академик. Надеемся, читатель согласится с нами, что вряд ли утверждение, основанное на «так уж устроен мир», можно считать обладающим внутренним совершенством.
     
      ИГРАЕМ В БИЛЬЯРД
     
      ИГРАЕМ В БИЛЬЯРДПредыдущую главу мы закончили достаточно сильным утверждением о том, что качество энергии определяется ее информативностью, то есть количеством информации, затраченным в процессе преобразования энергии из одной формы в другую. В этой главе мы постараемся показать, что так оно и есть на самом деле. Это, в свою очередь, позволит нам утверждать, что информация суть физическая величина, такая же, как, например, масса или сила электрического тока.Изучение природы всегда связано с построением различных моделей. В данном случае наиболее удобной моделью, которая позволит нам понять связь между информацией и другими физическими величинами, а также прояснит вопрос о качестве энергии, будет бильярдный стол. Надеемся, что все наши читатели достаточно хорошо представляют себе, как выглядит бильярдный стол с шестнадцатью шарами. Поэтому мы не станем его здесь описывать, а условимся лишь о тех допущениях, которые необходимо сделать, чтобы он мог служить нам в качестве модели. Собственно говоря, нам понадобится одно-единственное допущение. Будем считать, что шары движутся по поверхности стола без трения, в том числе и о воздух. Будем считать также, что шары и борта стола идеально упругие. При таких условиях сумма кинетических энергий шаров в любые моменты времени будет одной и той же и начавшееся на столе движение никогда не прекратится. На некоторое время откажемся также от луз, а затем вернем их на свое место.А теперь — внимание! Составили шары в пирамидку, прицелились, ударили и смотрим, что будет происходить дальше. Для начала присмотримся к одному какому-нибудь шару. Вот он отскочил от пирамидки, ударился о борт, отскочил от борта, ударился о противоположный борт, снова отскочил, ударился о встречный шар, изменил направление своего движения, снова ударился о борт и так далее. Предположим, что мы наблюдаем за поведением шара после удара достаточно долго, скажем, полчаса. И зададим себе главный вопрос: можно ли каким-то образом связать исходное положение шара в пирамидке с тем положением, которое он занимает на столе в некоторый данный момент времени (у нас — через полчаса)?Конечно, если все время следить за движением шара или фиксировать это движение с помощью кинокамеры, можно восстановить всю его траекторию, и это даст возможность утверждать, что положение шара в данный момент времени в данном месте стола известным образом зависит от его положения в пирамидке в начальный момент. Однако согласитесь с тем, что достаточно нам хотя бы на несколько минут потерять бильярдный стол из виду, и мы не сможем ничего сказать о расположении шаров. Нет и не может быть никакой теории, которая позволила бы с заданной точностью (пусть даже совсем невысокой) предсказать положение шара через определенное время после удара, если даже нам известны направление и скорость битка или кия, наносящего первый удар.Объясняется это тем, что хотя, казалось бы, движения шаров, как катящихся по поверхности стола, так и отскакивающих от бортов и друг от друга, подчиняются простейшим законам механики, на самом деле точные значения углов, под которыми шары отскакивают от бортов и друг от друга, зависят от микроскопической структуры материала бортов и материала самих шаров, поверхность которых гладкая только на первый взгляд. Поверхность стола также имеет свою микроструктуру. Благодаря всему этому катящиеся шары на самом деле следуют достаточно сложным траекториям.Сложность траекторий шаров приводит к тому, что по прошествии достаточно большого количества времени после исходного удара у нас не будет никаких оснований для выделения какой-либо, даже достаточно большой области поверхности стола, в которой преимущественно должен оказаться данный шар. С совершенно одинаковыми основаниями мы можем указать любую область поверхности стола как возможное местоположение наблюдаемого шара.Здесь необходимо сделать очень важную оговорку. Мы значительно облегчили бы себе труд, если бы сразу сказали, что величина угла, под которым шары отскакивают от бортов или друг от друга, всегда содержит случайную составляющую и в результате этого по истечении достаточно большого времени после начального удара каждый шар с равной вероятностью может наблюдаться в любой области поверхности стола. Более того, у читателя, живущего в 80-х годах XX столетия, не возникло бы никаких сомнений в том, что он понимает, о чем идет речь.Однако мы потому выбрали в качестве модели бильярдный стол, чтобы рассмотреть основные закономерности поведения шаров без привлечения понятий случайной величины и вероятности. Независимо от того, имеет ли наш читатель опыт игры на бильярде или нет, он достаточно хорошо может себе представить, как ведут или как должны вести себя шары. Именно из наблюдения за их поведением он сделает вывод, что если наблюдать за некоторым шаром в течение достаточно долгого времени, то можно будет убедиться в том, что в конце концов на поверхности бильярдного стола не останется ни одной, даже самой маленькой области, где бы шар не побывал хоть однажды. А это эквивалентно утверждению о том, что у нас нет никаких оснований выделить какую-либо область стола и считать ее преимущественным местом нахождения данного шара.Суммируя сказанное, будем утверждать, что по прошествии достаточно большого времени (что значит «достаточно большого», предоставляем судить читателю) после исходного удара мы не знаем и принципиально не можем знать, где находится каждый шар. Чтобы у читателя не создалось впечатления, что мы уж очень далеко уклонились от главной темы, скажем иначе: у нас нет информации о положении шара. Заметим, однако, что сам шар прекрасно «знает», где он находится. Если вам почему-либо не нравится, что мы наделяем шар свойством «знать», можно сказать и иначе. Если поместить наблюдателя внутрь бильярдного шара и снабдить его соответствующими измерительными приборами, то в любой момент времени он будет точно знать, где находится, более того — он сможет связать свое местоположение со всеми предыдущими. Отсюда вывод: можно измерить угол, под которым отскакивает шар, но нельзя его предсказать. Нельзя предсказать, поскольку отсутствуют законы, в точности управляющие движением шаров.
     
      Модель ТОМА СОЙЕРА
     
      Но если сам шар «знает», где он находится, может быть, все-таки не стоит быть столь категоричными? Может быть, все-таки есть возможность предсказать положение шаров на бильярде?Некоторую идею в этом направлении нам может дать метод, разработанный в свое время бессмертным Томом Сойером и успешно использованный им также для определения местонахождения шара, точнее, шарика.Процитируем соответствующие строки из книги Марка Твена:«…он подумал, что, пожалуй, стоило бы отыскать шарик, который он забросил, и терпеливо принялся за розыски. Но найти шарик не мог. Тогда он вернулся к тайнику, стал на то самое место, с которого бросал шарик, вынул из кармана второй шарик и бросил его в тем же направлении, приговаривая:— Брат, ступай ищи брата!Он заметил, куда упал шарик, побежал туда и стал искать. Должно быть, шарик упал слишком близко или слишком далеко. Том проделал то же самое еще два раза. Последняя проба удалась: шарики лежали на расстоянии фута друг от друга».Так, может быть, все дело обстоит довольно просто? Достаточно взять два бильярдных стола, выставить па них пирамидки в точности одинаковым образом и совершить в точности одинаковые первые удары, тогда, наблюдая за ситуацией на одном из столов, можно будет знать, что происходит на другом? Увы, читатель отлично знает, что это не так. Если мы возьмем даже не два, а, скажем, тысячи бильярдных столов, то непосредственно из собственного опыта мы можем сделать заключение, что, к примеру, через полчаса после первого удара среди этой тысячи не найдется и двух столов с одинаковым расположением шаров.Объясняется это хотя бы тем, что в природе не существует и не может существовать двух в точности одинаковых бильярдных шаров, а также тем, что, даже пользуясь сверхсовременной измерительной техникой, мы не сумеем выставить две в точности одинаковые пирамидки.Приходим к окончательному заключению. Благодаря отражениям от бортов и друг от друга каждый движущийся бильярдный шар совершает весьма сложную траекторию. Обратите внимание на слово «сложную», оно еще не раз встретится нам в дальнейшем. В силу этой сложности оказывается, что по прошествии достаточно большого количества времени после первого удара на поверхности бильярда не останется ни одной, даже самой маленькой области, в которой выбранный шар не побывал хотя бы однажды. Это объективная характеристика бильярдного стола. Достаточно отметить на поверхности стола какую угодно область и наблюдать за ней не отрывая глаз, и рано или поздно, но ваш шар пересечет эту область.
     
      БИЛЬЯРД С КРЫШКОЙ
     
      Только что сказанное представляет собой содержание так называемой теоремы Луивилля, лежащей в основе современной статистической физики. Если шар рано или поздно побывает в любой, сколь угодно малой, области, у нас нет никаких оснований выделить какую-либо область и считать ее преимущественной для пребывания данного шара. Заметим, что такая характеристика не совсем объективна, поскольку в ней идет речь об основаниях, имеющихся у нас. И тем не менее она целиком вытекает из предыдущих.Поскольку у нас нет никаких оснований предпочесть одну какую-либо область поверхности бильярдного стола другой, мы можем сделать и такое заключение: среднее количество времени, в течение которого данный шар пребывает в пределах данной области на поверхности бильярда, зависит только от размеров этой области. Это уже объективная характеристика, поскольку среднее количество времени можно измерить.Все три только что сформулированные характеристики по существу означают одно и то же. И причина того, что это именно так, одна — каждый из движущихся бильярдных шаров описывает достаточно сложную траекторию.Перед тем как перейти к дальнейшему, сделаем следующее замечание. При описании поведения бильярдных шаров нам несколько раз пришлось использовать слова «знаем», «не знаем». Это отступление может дать читателю некоторую идею относительно того, почему мы занялись изучением бильярда в книге, посвященной информации и интуиции.А теперь пойдем дальше. Закроем ровно половину (скажем, правую) бильярдного стола специально изготовленной крышкой. Крышка должна быть сделана так, чтобы она не оказывала никакого влияния на движение шаров, а лишь скрывала от наших глаз все, что происходит с шарами в пределах закрытой половины стола. Теперь нашему наблюдению доступна лишь левая половина бильярда. Введем понятие состояний. Будем считать, что бильярд находится в состоянии 0, если в пределах левой половины нет ни одного шара. Бильярд находится в состоянии 1, если в пределах левой половины находится один шар, в состоянии 2, если в пределах левой половины находится два шара, и т. д., в состоянии 16, если в пределах левой половины собрались все шестнадцать шаров.Заметим теперь, что состояния 0 и 16 могут быть реализованы единственным способом: когда все шары находятся справа или слева. Состояния 1 и 15 могут быть реализованы шестнадцатью различными способами: первый шар находится слева (справа), остальные в противоположной стороне, второй шар находится слева (справа), остальные… и т. д. Для подсчета числа способов, которыми могут быть реализованы состояния 2 и 14, будем рассуждать следующим образом. Имеется пятнадцать способов, в которых участвует шар номер 1, а именно: слева (справа) находятся шары с номерами 1 и 2, 1 и 3 и т. д., 1 и 16; четырнадцать способов, в которых участвует шар номер 2: это 2 и 3, 2 и 4 и т. д. … 2 и 1.6 (способ «2 и 1» уже был учтен в предыдущем случае); тринадцать способов с участием шара номер 3: это 3 и 4, 3 и 5, и т. д., всего 120 способов.Количество способов, которыми может быть реализовано каждое состояние, сведено в следующую таблицу, из которой мы видим, что наибольшим числом способов могут быть реализованы состояния 7, 8 и 9, то есть состояния, когда примерно половина шаров расположена на правой стороне бильярда, а другая половина — на левой.Состояния Кол-во способов, которыми могут быть реализованы данные состояния0 и 16 11 и 15 612 и 14 1203 и 13 5604 и 12 18205 и 11 43686 и 10 80087 и 9 114408 12870
      Мы уже установили, что для каждого отдельного шара нет никаких оснований выделять преимущественную область его пребывания. С тем же успехом мы можем утверждать, что нет никаких оснований предпочесть одну какую-либо конфигурацию расположения шаров другой. А коли так, то точно так же, как мы это делали раньше, мы можем установить, что, какова бы ни была конфигурация расположения шаров, рано или поздно она реализуется, и что среднее количество времени, в течение которого на бильярдном столе имеет место данная конфигурация, одинаково для всех конфигураций.Каждый из рассмотренных выше способов представляет собой частный случай конфигурации. Следовательно, мы можем прийти к выводу, что среднее количество времени, в течение которого бильярдный стол находится в данном состоянии, пропорционально количеству способов, которыми реализуется данное состояние. Эти средние количества времени (в долях от полного времени наблюдений) сведены в таблицу. Из рассмотрения это? таблицы видно, что большую часть времени бильярдный стол проводит в состояниях 7, 8 и 9.
      Состояния Среднее время в долях от полного времени наблюдений0 и 16 1,5*10-51 и 15 2,4*10-42 и 14 1,8*10-33 и 13 8,5*10-34 и 12 2,8*10-25 и 11 6,7*10-26 и 10 0,127 и 9 0,178 0,2Можно сказать и иначе. Если, бросив взгляд на бильярдный стол, мы застали его в состоянии 0 или 1 (15 или 16), у нас есть все основания ожидать, что в самом скором времени на смену этому состоянию придет какое-нибудь более часто встречающееся. Наоборот, если, случайно бросив взгляд на бильярдный стол, мы застаем его в состоянии 7, 8 или 9, у нас есть все основания считать, что еще в течение достаточно долгого времени он будет пребывать в этом состоянии. Можно сказать, что бильярдный стол стремится к состояниям 7, 8 или 9. Это верно в том смысле, что действительно на смену редко встречающимся состояниям быстро приходят часто встречающиеся состояния.Однако этим все и ограничивается. Другими словами, если уж использовать слово «стремится» (почему — будет ясно из дальнейшего), то надо хорошо отдавать себе отчет в том, что в данном контексте это слово значит лишь то, что было только что сказано. Не существует никакого специального механизма, который заставлял бы бильярдный стол стремиться к, состояниям 7, 8 или 9 в том смысле, в каком можно сказать, что стальной шарик стремится притянуться к магниту. Все зависит от того, как мы определили состояния. Именно из этого определения вытекает, что состояния 7, 8 и 9 реализуются значительно большим количеством способов, чем состояния 0 и 16.С другой стороны, состояния, определенные именно так, имеют достаточно четкий физический смысл. Например, общая масса шаров, расположенных в пределах, скажем, левой половины стола, равна массе одного шара, помноженной на номер состояния. С этой точки зрения можно также сказать, что большую часть времени бильярдный стол проводит в таком состоянии, когда масса шаров, расположенных слева, примерно равна массе шаров, расположенных справа.Мы нарочно тратим так много времени, чтобы читатель мог до конца понять и как следует прочувствовать следующее обстоятельство. Единственное реально наблюдаемое на поверхности стола физическое явление — это то, что шары двигаются, сталкиваются друг с другом и с бортами стола и вследствие этого описывают весьма сложные траектории. Все остальное есть лишь различные способы описания этого обстоятельства и, возможно, различные его следствия. Обнаруженные нами закономерности выполняются тем строже, чем больше шаров. Например, для пятидесяти шаров среднее количество времени, в течение которого стол будет находиться в одном из «средних» состояний, окажется уже равным 0,8, а для ста шаров —- равным 0,94.
     
      БАЛЛОН С ГАЗОМ
     
      В статистической физике количество способов, которым может быть реализовано некоторое состояние, называется «статистическим весом» данного состояния. Натуральный логарифм статистического веса называется энтропией.Здесь мы сталкиваемся с уже знакомой нам по предыдущей главе ситуацией. Чем большим числом способов может быть реализовано некоторое состояние, тем чаще в среднем (статистически) это состояние может наблюдаться. Отсюда и название: «статистический вес». Пусть теперь у нас имеются две системы. В первой имеется состояние А, реализуемое, скажем, пятью способами, а во второй имеется состояние В, реализуемое, скажем, четырьмя способами. Соответственно, статистический вес состояния А в первой системе будет равен 5, а статистический вес состояния В во второй системе будет равен 4.Объединим теперь обе системы и рассмотрим сложное состояние, состоящее в том, что первая система находится в состоянии А, вторая — в состоянии В. Ясно, что статистический вес такого сложного состояния равен 5X4 = 20. Из самого определения статистического веса следует, что при объединении систем статистические веса их состояний перемножаются.Энтропия — это величина, показывающая, насколько близко находится физическая система к своему состоянию равновесия. Только что мы увидели, что таким же точно свойством обладает статистический вес и его тоже можно было бы принять за меру близости к равновесию. Однако, как уже говорилось в связи с мерой Хартли, всегда удобнее, если некоторая характеристика составной системы равна сумме соответствующих характеристик каждой из составляющих систем. По этой причине за энтропию принимают именно логарифм статистического веса, поскольку логарифм произведения равен сумме логарифмов сомножителей.Поскольку логарифм любой величины увеличивается тогда, когда увеличивается эта величина, и уменьшается тогда, когда она уменьшается, сделанные нами наблюдения можно обобщить, сказав, что энтропия бильярдного стола либо остается постоянной, либо стремится к увеличению. Слово «стремится» нужно понимать именно так, как мы это делали выше.Объектом изучения статистической физики являются твердые, жидкие и газообразные тела, состоящие из огромного количества молекул. Лучше всего законы статистической физики выполняются для газов, потому что у газов молекулы расположены на достаточно больших расстояниях друг от друга и взаимодействуют между собой, лишь соударяясь, причем для молекул газа оказываются справедливыми законы соударения упругих шаров. Объем с газом, находящимся при атмосферном или более низком давлении, ведет себя практически так же, как бильярдный стол. Молекулы газа находятся в постоянном движении. Они соударяются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором газ заключен. Если отсутствует обмен тепла между объемом с газом и внешней средой, то суммарная энергия всех молекул остается постоянной, движение их не прекращается и не становится более интенсивным. Это полностью совпадает с предположением об отсутствии трения, которое мы приняли для нашего бильярда.Единственное существенное отличие объема с газом от бильярдного стола состоит в том, что под состояниями объема с газом понимают не только каждое данное распределение молекул в пространстве, так сказать, распределение по местам, но и их распределение по скоростям. Легко показать, однако, что принятие в расчет также и скоростей не вносит ничего существенно нового. Действительно, применительно к шарам на бильярде мы утверждали, что для каждого шара все области поверхности стола равнозначны, шар не предпочитает ни одной из них, и единственное условие состоит в том, чтобы шар не выходил за пределы бильярда. Аналогичным образом любой бильярдный шар, а также любая молекула может принимать любое значение скорости. Ограничение здесь состоит в том, чтобы кинетическая энергия любой молекулы, пропорциональная, как известно,квадрату скорости, не превышала полную энергию всего объема с газом. Кроме того, сумма энергий всех молекул в любой момент должна быть равна полной энергии газа, которая должна оставаться постоянной.Здесь опять же можно говорить о количестве способов, которыми реализуется каждое состояние. Так, количество способов, реализующих состояние «одна молекула имеет полную энергию, остальные молекулы неподвижны», очевидно, равно числу молекул. Количество способов, реализующих состояние «две молекулы имеют некоторые значения энергии, сумма которых равна полной энергии, остальные молекулы неподвижны», равно числу сочетаний из общего количества молекул по два, умноженному на число различных энергетических состояний, и т. д. Если бы в свое время мы не делили бильярдный стол пополам, а рассматривали бы скорости отдельных шаров, результат оказался бы тем же самым.Наконец, самая полная картина получается тогда, когда одновременно учитываются и местоположение молекул (бильярдных шаров), и их скорости. Количество различных возможных состояний, а также и число способов, которыми может быть реализовано каждое состояние, существенно возрастают, но это ведет лишь к тому, что основной закон неубывания энтропии начинает выполняться еще более точно уже при относительно малом числе молекул.Применительно к объему с газом статистическим весом каждого состояния этого объема будет по-прежнему называться число способов, которым может быть реализовано это состояние, а энтропией объема с газом называться логарифм статистического веса. Утверждение о том, что в любой изолированной физической системе энтропия может лишь либо возрастать, либо оставаться постоянной, представляет собой один из фундаментальнейших законов природы, получивший название второго начала термодинамики. Этот закон означает, в частности, что, если некоторая изолированная физическая система находится в состоянии, характеризуемом максимально возможным значением энтропии, такая система не способна совершить механической работы, поскольку она находится в состоянии равновесия.Для совершения механической работы необходимо, чтобы система имела определенный запас энергии и, кроме того, необходимо, чтобы энтропия этой системы имела значение ниже максимально возможного. Процесс выполнения механической работы будет сопровождаться установлением равновесия и, соответственно, повышением энтропии.
     
      СЕКРЕТ КАЧЕСТВА
     
      Вернемся теперь к нашим рассуждениям о качестве энергии. В свое время мы говорили, что разные виды энергии обладают различным качеством, причем наинизшее качество — у энергии тепловой, затем следует механическая энергия и т. д. Однако сегодня каждый школьник знает, что никакой тепловой энергии на самом деле в природе не существует. Тепловая энергия есть не что иное, как суммарная кинетическая (механическая) энергия движущихся молекул. Процесс преобразования тепловой энергии в механическую, скажем, в паровой машине, есть не что иное, как процесс преобразования механической энергии беспорядочного движения молекул в механическую энергию (работу) упорядоченного движения поршня. Секрет качества кроется именно в том, что в газе молекулы занимают любые области объема и двигаются с любыми скоростями в любых направлениях. Энтропия такой системы высока, а способность совершить работу мала.Чтобы сказанное стало более ясным, рассмотрим для примера цилиндр с поршнем, находящимся в одном из крайних положений, причем пространство перед поршнем заполнено газом (паром) под давлением, значительно большим атмосферного. Если по какой-либо причине поршень остается неподвижным, газ можно рассматривать как изолированную систему (теплообменом со стенками цилиндра пренебрегаем), находящуюся в состоянии с максимальным значением энтропии. Никакой механической работы в такой системе не совершается. Если же поршень имеет возможность двигаться, мы обязаны рассматривать в качестве физической системы систему, состоящую из газа, занимающего рабочий объем цилиндра, самого поршня и пространства по другую сторону поршня. Энтропия такой системы много меньше максимально возможной, поскольку все молекулы собраны лишь в малой части общего объема системы (вспомните бильярдный стол!). Поршень начинает двигаться, газ расширяется вслед за поршнем, и в нем начинают преобладать молекулы, упорядочение движущиеся вслед за поршнем. Образуется как бы газовая струя.Теперь можно окончательно сформулировать наши выводы. В системе с неподвижным поршнем мы имеем только беспорядочное движение молекул. Энтропия такой системы максимальна, и механическая работа в ней не совершается. В системе с движущимся поршнем осуществляется преобразование энергии беспорядочного движения молекул (тепловой) в энергию упорядоченного движения молекул (энергию газовой струи). Энергия газовой струи уже есть механическая энергия, и в дальнейшем происходит лишь обмен механической энергии газовой струи и механической энергии поршня. Возникает вопрос, ради которого и велось все это несколько затянувшееся обсуждение. Что же является причиной того, что в одном случае тепловая энергия остается тепловой, а в другом случае преобразуется в механическую? Единственная причина, которую пока мы можем назвать, — это движение поршня. Сейчас мы перейдем к обсуждению этой причины, однако предварительно сделаем несколько замечаний. Не будет преувеличением сказать, что классическая физика базируется на двух основных законах, получивших название начал термодинамики. Первое начало термодинамики — это закон сохранения энергии. Второе начало термодинамики, как мы только что установили,— это закон неубывания энтропии. Оба начала термодинамики в одинаковой степени универсальны, но (и этот вывод принадлежит нам с вами) они имеют совершенно различную природу. Закон сохранения энергии есть не что иное, как обобщение человеческого опыта. Он просто постулируется. Постулируется по той единственной причине, что до сих пор физикам не удалось поставить ни одного эксперимента, в котором опровергался бы закон сохранения энергии. Закон сохранения энергии нельзя ни из чего вывести, в него можно просто верить до тех пор, пока он не окажется опровергнутым экспериментом. Есть, правда, все основания полагать, что такого эксперимента не существует.Иное дело закон неубывания энтропии. Как мы только что имели возможность убедиться, закон неубывания энтропии представляет собой следствие самого способа определения понятия энтропии. Физическая реальность состоит в том, что, например, для такой системы, как объем с газом, в силу одинаковости молекул газа и изотропности (то есть неизменяемости свойств при переходе из одной области в другую) физического пространства ни одно из состояний молекул не оказывается предпочтительным. Отсюда следует, что состояние всего объема, в котором молекулы равномерно распределены по всему пространству и движутся во всех направлениях со всеми возможными скоростями, имеет наибольший статистический вес, то есть может быть реализовано наибольшим количеством способов.Здесь небезынтересно сделать следующее замечание. Если разделить статистический вес данного состояния на полное количество способов, которым реализуются все возможные состояния, то получится величина, близкая к вероятности этого состояния, причем приближение тем лучше, чем больше число молекул. Поэтому довольно часто энтропию состояния определяют не как логарифм статистического веса, а как логарифм вероятности этого состояния. Сам закон неубывания энтропии при этом формулируется так: всякая физическая система стремится принять наиболее вероятное состояние. Однако подобная формулировка есть не что иное, как тавтология, ибо наиболее вероятное состояние — это и есть то состояние, в котором система проводит наибольшее количество времени. Сказанное заставляет нас поставить еще один вопрос: можно ли уподоблять друг другу понятия статистического веса и вероятности? Обсуждением этого вопроса мы тоже займемся в свое время.
     
      ИНФОРМАЦИЯ — ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА!
     
      Теперь мы достаточно подготовлены к тому, чтобы поставить один из главных (для данной книги) вопросов. Является ли информация физической величиной?Посмотрим вначале, что такое физическая величина. Определить физическую величину — это значит задать способ ее измерения. При этом должно удовлетворяться такое условие: если физическая величина имеет одно и то же значение, то измерения, проводимые в одних и тех же условиях, должны давать один и тот же результат. Так, например, по определению, сила тока в один ампер — это сила такого тока, который, протекая через раствор азотнокислого серебра в течение одной секунды, приводит к выделению на одном из электродов 1,118 миллиграмма металлического серебра. Это количество серебра должно выделяться независимо от того, производятся измерения на дне моря или на вершине Эвереста, за Полярным кругом или в тропиках, сегодня или сто лет спустя, и, уж конечно, независимо от того, кто проводит измерения и вообще присутствует ли при этих измерениях наблюдатель. Следовательно, мы сможем утверждать, что информация суть физическая величина, если сумеем предложить для нее такой способ измерения, который будет давать одинаковые результаты для одного и того же количества информации независимо от условий измерения.Попробуем показать, что это возможно. Представим себе на этот раз не цилиндр, а просто некоторый баллон, заполненный газом. Молекулы газа находятся в непрерывном движении, и все области внутренней поверхности стенок сосуда испытывают одно и то же давление. Одинаковость давления — это также один из законов природы, являющийся следствием того обстоятельства, что для молекул нет предпочтительных областей пространства, в том числе и областей, примыкающих к стенкам сосуда.Предположим теперь, что мы с вами обрели волшебную способность видеть отдельные молекулы. Если, используя эту способность, мы будем наблюдать за газом достаточно долго, то рано или поздно наступит момент, когда мы обнаружим область пространства, прилегающую к стенке сосуда и не заполненную молекулами. Мы обязательно увидим такую область. Вспомним, что каждая молекула в своем движении посещает все, даже самые маленькие, области внутри сосуда. Значит, среди прочих возможных сочетаний положений молекул возможно и такое, когда некоторая область пространства не будет содержать ни одной молекулы. Аналогичным образом мы рассматривали случай, когда все шары на бильярде собирались в правой его половине, а левая половина была пуста. Пользуясь приведенной ранее таблицей состояний, мы можем даже посчитать, что полное количество времени, в течение которого бильярд пребывает в таком состоянии (состояние 0), равно примерно одной шестидесятипятитысячной от общего времени наблюдений. Но тем не менее такое бывает.Представим себе, что стенки сосуда выполнены из какого-либо гибкого, но неупругого материала. Заметив полость, не заполненную молекулами, мы тут же вдавим в нее стенку. Если материал достаточно эластичный, а молекулы по ту сторону отсутствуют, не будет никакой силы, противодействующей перемещению стенки, а значит, мы не затратим никакой механической работы.В следующее же мгновение молекулы газа придут в соприкосновение с вдавленным участком стенки и он начнет испытывать такое же точно давление, как и все другие ее участки. Под действием этого давления участок стенки начнет перемещаться до тех пор, пока сосуд не приобретет первоначальную форму. Поскольку в данном случае движение происходит под действием силы (давления газа), будет совершено некоторое количество механической работы.Что же мы выяснили? Первоначально мы располагали сосудом, например шарообразной формы, выполненным из материала болонья и заполненным газом. Утверждение о том, что все области поверхности сосуда испытывают одинаковое давление, равносильно утверждению, что газ в сосуде находится в состоянии равновесия, а энтропия его равна своему максимально возможному значению. Такая физическая система способна совершить механическую работу лишь в том случае, если каким-то образом осуществить обмен энергией с окружающей ее средой. Но мы рассматривали лишь газ, содержащийся в сосуде, и тем самым молчаливо предположили, что какие-либо обмены с внешней средой отсутствуют. Физики говорят, что в данном случае имеет место изолированная физическая система.Изолированная физическая система, находящаяся в равновесии и имеющая максимально возможное значение энтропии, не способна совершить механическую работу. Это хорошо известный факт, являющийся прямым следствием второго начала термодинамики.
     
      КРАШЕНЫЕ ШАРЫ
     
      Вернемся к бильярду. Покрасим восемь шаров из шестнадцати в красный цвет, а остальные восемь — в синий. По-прежнему будем считать, что правая половина бильярда закрыта, а левая открыта. Посмотрим, внесла ли раскраска шаров что-то новое. Конечно, внесла. Если раньше мы говорили, что, например, состояние 1 — это состояние, когда один шар (неважно, какой) находится слева, а все остальные справа, то теперь мы уже должны говорить: состояние 1К (красный шар слева) или 1С. Аналогичным образом состояние 5 (пять шаров слева) подразделяется на шесть различных состояний: все пять шаров синие, один красный и четыре синих, два красных и три синих и т. д.Итак, раскраска шаров приводит к тому, что количество различных состояний существенно увеличивается, а статистический вес каждого состояния соответственно уменьшается. Раскраска шаров влечет за собой уменьшение статистического веса, а значит, и энтропии каждого состояния. Вряд ли кто-нибудь станет возражать, что раскраска шаров увеличивает количество информации, которую можно получить от бильярдного стола. Мы с вами можем еще не знать, что такое количество информации и в каких единицах ее надо мерить. Однако ясно, что сообщение: пять шаров находятся слева — несет с собой меньше информации, чем сообщение: слева находятся три красных шара и два синих. Аналогичным образом цветная телевизионная передача несет с собой больше информации, чем черно-белая. Например, если игроки одной команды одеты в синие майки и белые трусы, а игроки другой команды — в красные майки и белые трусы, то, наблюдая за игрой на экране цветного телевизора, мы никогда не перепутаем игроков различных команд, в то время как на экране черно-белого телевизора все игроки будут выглядеть одинаково.Главная трудность проводимых нами рассуждений состоит в том, что как в разговоре о шарах, так и в разговоре о телевизионных передачах предполагаются некие «мы», способные отличить красный шар от синего и игрока одной команды от игрока другой команды. Получается, что энтропия бильярдного стола зависит от присутствия наблюдателя. Чтобы внести некоторую ясность, рассмотрим снова физическую систему, состоящую из цилиндра с поршнем, причем поршень находится в одном из крайних положений, рабочий объем за поршнем заполнен газом под давлением больше атмосферного, а объем по другую сторону поршня заполнен тем же самым газом или воздухом, находящимся при атмосферном давлении. На вопрос о том, может ли такая система совершать механическую работу, любой старшеклассник ответит:— Да, конечно, может, потому что энтропия системы «объем с газом», у которой большинство молекул сосредоточено в одной, меньшей, части, а в другой, большей, части находится лишь незначительное количество молекул, много меньше максимальной.Такой ответ и верен и неверен. Неверен он потому, что если закрепить поршень и не дать ему возможность двигаться, то способность совершить механическую работу так и останется принципиальной и никогда не сможет быть реализована. Заметим, и это важно, что для того, чтобы закрепить поршень, например, вставив палку, уперев ее одним концом в поршень, а другим — в противоположную стенку цилиндра, не требуется затраты энергии. Иначе говоря, цилиндр с закрепленным поршнем ничем не отличается от такого же точно цилиндра с незакрепленным поршнем, кроме способности поршня двигаться.Будем считать теперь, что молекулы газа в рабочем объеме цилиндра делятся на синие, то есть такие, скорость которых имеет составляющую, направленную в сторону поршня, и красные, скорость которых имеет составляющую, направленную в сторону от поршня. В системе с закрепленным поршнем нет никакой возможности отличить синие молекулы от красных. И наоборот, в системе с движущимся поршнем поршень испытывает удары только синих молекул и как бы увлекает их за собой — тем самым отличает синие молекулы от красных.Значит, на поставленный ранее вопрос: может ли система, состоящая из цилиндра, поршня и газа, совершать механическую работу? — существует и такой ответ: да, может, потому что в системе имеется орган (поршень), способный отличить синие молекулы от красных. А коли так, мы вправе сделать два вывода. Первый вывод подтверждает уже сделанные нами высказывания о том, что способность некоторого запаса энергии совершать механическую работу (качество энергии) определяется его информативностью. Второй вывод наиболее важен для нас на данном этапе рассуждений: для того чтобы воспринимать информацию, совсем необязательно наличие человека-наблюдателя. Информация может восприниматься и поршнем.
     
      ДЕМОНЫ МАКСВЕЛЛА
     
      Положение резко меняется, когда мы получаем возможность наблюдать за молекулами. Значение энтропии остается постоянным в среднем, но оно может испытывать так называемые флюктуации, то есть изменяться на короткое время с обязательным последующим восстановлением. То, что мы наблюдали, как раз и было такой флюктуацией. Мы воспользовались этим и заставили систему совершать механическую работу. Как бы ни мала была эта работа, ситуация совершенно ясна. Вряд ли кто-нибудь возразит против того, что результат наблюдений за физической системой суть информация. А коли так, мы с неизбежностью приходим к выводу, что, располагая информацией об изолированной физической системе, находящейся в состоянии равновесия, мы все же можем заставить ее совершить механическую работу. Причем, и это очень важно, для совершения механической работы совсем необязательно присутствие наблюдателя. С тем же успехом можно покрыть всю поверхность сосуда измерителями давления (их называют датчиками) и построить автоматическую систему, вдавливающую внутрь некоторый участок поверхности в тот момент, когда укрепленные на ней датчики фиксируют отсутствие давления.Подобные датчики и связанные с ними автоматы — это члены сейчас уже достаточно обширного семейства так называемых демонов Максвелла. Английский ученый Дж. Максвелл, размышляя о втором начале термодинамики, предложил модель, содержащую фантастические существа — демоны. Эти демоны способны не только видеть каждую молекулу, но и определять ее скорость. Один из демонов открывает дверку, пропуская только быстрые молекулы, а другой — только медленные. Такое устройство с демонами позволяет отделить быстрые молекулы от медленных, а значит, снизить энтропию.Дж. Максвелл рассматривал свою модель как доказательство хотя бы принципиальной возможности нарушения второго начала термодинамики.В настоящее время доказано, что получать информацию о какой бы то ни было системе невозможно без воздействия на эту систему. Получить информацию о скорости молекулы демон может, лишь подействовав на молекулу и тем самым изменив ее скорость. Нарушения второго начала не происходит. Но то обстоятельство, что получение информации связано с затратами энергии, а располагая такой информацией, можно совершить механическую работу, то есть получить какое-то количество энергии, не может не привести нас к выводу, что информация суть физическая величина, которую, во всяком случае в термодинамических системах, можно измерять количеством затраченной или полученной энергии (механической работы).
     
      ИНФОРМАЦИИ РАБОТАЕТ
     
      Энергия, полученная при выполнении механической работы, в свою очередь, зависит от энтропии. Когда энтропия максимальна, система не содержит информации. Но стоит энтропии уменьшиться, например, в результате флюктуации, появляется информация, которая может быть использована для совершения .механической работы. Можно высказать следующее предположение. В любой изолированной физической системе сумма энтропии и информации есть величина постоянная, равная максимально возможному для этой системы значению энтропии. Количество информации в таком случае равно разности между максимально возможным и фактическим значениями энтропии. Наконец, приняв максимально возможное значение энтропии за начало отсчета, можно сказать, что количество информации равно энтропии, взятой с обратным знаком. Ученые придумали даже специальный термин «негэнтропия», то есть отрицательная энтропия.Чего же мы достигли на данном этапе рассуждений? Главное — мы показали, что информация суть физическая величина. Если измерять ее в единицах энтропии, то такие измерения для одинаковых количеств информации будут давать один и тот же результат независимо от условий, в которых измерения проводятся.Мы определили энтропию как логарифм статистического веса. Однако, во всяком случае в таких системах, как объем с газом, энтропия может быть определена непосредственно через значения других физических величин. В частности, для объема с газом приращение энтропии численно равно приращению количества тепла при данной температуре. Следовательно, энтропию, а значит, и информацию можно измерить, измеряя температуру и количество тепла.Мы высказали предположение о том, что качество энергии есть не что иное, как ее информативность. Сейчас это предположение можно считать доказанным для тепловой и механической энергии. Даже больше того, мы показали, что никакой специальной тепловой энергии не существует. То, что принято называть тепловой энергией, — это на самом деле энергия беспорядочного механического движения молекул. Беспорядочного — значит лишенного информации. Стоит, однако, внести в систему какое-то количество информации, движение упорядочивается и энергия системы приобретает новое качество.С этой точки зрения энергию паровой струи следует считать механической энергией. Таким образом, например, в паровой турбине преобразование тепловой энергии в механическую происходит без посредства поршня. За счет специальной конфигурации котла, трубопровода и сопла беспорядочное движение молекул в котле преобразуется в упорядоченное движение молекул в струе, вылетающей из сопла. Колесо же лишь преобразует поступательное движение паровой струи во вращательное движение вала. Сказанное отнюдь не противоречит сделанным в первой главе утверждениям относительно роли информации в процессе преобразования тепловой энергии в механическую. Мы просто показали здесь, что информация, которая вводится в систему выбором конфигурации трубопровода и сопла, существует и на более ранних этапах.Механическая энергия отличается от тепловой более высоким содержанием информации (информативностью).Однако у нас нет никаких оснований утверждать то же самое применительно к электрической, химической и другим видам энергии. Частично мы это сделаем в последующих главах.Мы доказали, что информация, которую можно получить, наблюдая за шарами на бильярдном столе или за молекулами в баллоне с газом, суть физическая величина, предложили способ и единицу измерения этой физической величины. Но из всего сказанного здесь отнюдь не следует, что эта информация — то же самое, что и информация, получаемая в процессе отгадывания чисел или при чтении художественной литературы.Это тоже предстоит доказать, и мы сделаем попытку привести такое доказательство в дальнейшем. Однако на этом пути нас подстерегает одна трудность, к рассмотрению которой мы и переходим в следующей главе.На всем протяжении этой главы речь шла об информации. Ну а как же интуиция? Ограничимся пока замечанием, что, если бы демоны Максвелла все-таки могли нарушать второе начало термодинамики, они явно делали бы это на основании интуиции.
     
      СПОР ГИГАНТОВ
     
     
      СПОР ГИГАНТОВВ 1905 году А. Эйнштейн высказал гипотезу о двойной, корпускулярно-волновой, природе света. И соотношение неточностей Гейзенберга, и корпускулярно-волновая двойственность объектов микромира представляли собой существенное препятствие для всяких попыток создания теории атома. Стремясь преодолеть эти препятствия, Н. Бор сформулировал то, что он сам назвал принципом дополнительности.«С этой точки зрения, — писал Н. Бор, имея в виду принцип неточностей, — именно невозможность определения орбиты электрона в атоме создает необходимые условия для недвусмысленного определения энергии атома. Мы должны рассматривать невозможность определения орбиты как важный шаг вперед в нашем понимании атома».Корпускулярно-волновая двойственность означает, по мнению Бора, что сведения о положении частицы мы дополняем сведениями о ее скорости, а представление об электроне как частице — пониманием его как волны. «Как бы ни противоречили друг другу на первый взгляд эти явления, — доказывал Н. Бор, — следует понять, что они дополняют друг друга в том смысле, что, взятые вместе, они дают нам всю информацию об атомном объекте, которую можно выразить понятным языком, не прибегая к экивокам!»Появилось слово «информация», и читатель наконец-то понял, зачем понадобилось ворошить события, происходившие в 20-х годах нашего века. Согласно Н. Бору знать окружающий нас мир можно лишь на основе дополнительности, то есть полная картина явления получается в том случае, если сведения о положении дополняются сведениями о скорости. Но одновременное точное знание. положения и. скорости запрещено принципом Гейзенберга. Значит, такая картина, состоящая из двух взаимодополняющих друг друга частей, по необходимости ограничена и ставит предел в познании даже самых простых вещей.Подобное утверждение противоречит самому духу физики, которая неизменно продвигалась вперед и для которой препятствия в понимании того или иного явления служили лишь указаниями на то, в каком направлении надо сконцентрировать усилия. Этого не мог не чувствовать Н. Бор. Отсюда и сама сущность его формулировки принципа дополнительности: объяснить мир — это значит сформулировать ряд физических законов, которым подчиняются все наблюдаемые явления.В октябре 1927 года состоялась пятая физическая конференция Сольвеевского института. Обратясь к Н. Бору с просьбой рассказать о науке познания и ее основах, устроители конференции предоставили ему полную возможность высказаться по поводу принципа дополнительности.После доклада Н. Бора со своего места поднялся А. Эйнштейн. Ему не нравилась неопределенность. Он не желал отказываться от реальности, Он не считал, что дополнительность является приемлемым или необходимым решением. «Слабость теории заключается в том, что, с одной стороны, невозможны более тесные связи С волновой концепцией, а с другой стороны, она оставляет на волю случая время и направление элементарных процессов», — подытожил он свое выступление.Спор А. Эйнштейна и Н. Бора продолжался в кулуарах на протяжении всей конференции. На центральный вопрос: можно ли с помощью квантовой механики исчерпывающе описать наблюдаемое явление — А. Эйнштейн уверенно ответил: нет!— Я глубоко убежден, — сказал он, — что статистический характер квантовой теории связан с тем, что теория имеет дело с неполным набором величин, необходимых для описания физических систем.
     
      ИГРАЕТ ЛИ ГОСПОДЬ БОГ В КОСТИ?
     
      Тогда же А. Эйнштейн произнес знаменитую фразу: — Неужели вы в самом деле думаете, что господь бог играет в кости?Эта фраза А. Эйнштейна известка всем. Менее известен ответ Н. Бора:— А, по-вашему, разве не следует проявить осторожность в описании на простом человеческом языке поступков господа бога?А. Эйнштейн объяснял тупик, в который зашли ученые-физики, как «меру глубины нашего невежества» и повторял, что еще большее неудовлетворение вызывает другая сторона квантовой теории — ее неумение «спуститься» к реальной действительности.— Мы склоняемся к убеждению,— продолжал он,— что исчерпывающее описание конкретной системы все-таки возможно. Но мир статистической квантовой теории не предусматривает места для такого исчерпывающего описания.Следующая Сольвеевская конференция состоялась в Брюсселе в 1930 году. Там снова встретились А. Эйнштейн и Н. Бор, и все началось сначала. Как и во время предыдущей встречи, А. Эйнштейн широко пользовался мысленными экспериментами. Для этой встречи он подготовил такое рассуждение.— Пусть у нас имеется ящик, — говорил он, — заполненный излучением. В стенке ящика проделано отверстие, закрытое шторкой. Шторка открывается с помощью часового механизма, находящегося в том же ящике. Поставим ящик на весы. Точно в заранее определенный момент времени часовой механизм откроет шторку и продержит ее в открытом состоянии ровно столько времени, сколько нужно, чтобы из ящика вылетел один квант. Таким образом, момент времени, когда вылетел квант, мы будем знать совершенно точно. Величину энергии, унесенную квантом, мы тоже можем знать совершенно точно: она пропорциональна изменению массы ящика, которое может быть зафиксировано весами. Итак, вопреки соотношению неточностей можно в одном эксперименте точно измерить энергию и время.Обратим внимание читателя на одну весьма важную подробность. Измерение времени здесь осуществляется за счет того, что момент открывания шторки задается заранее.Н. Бор и его сотрудники не спали ночь, пытаясь найти некорректность в рассуждениях А. Эйнштейна. И такая некорректность действительно была найдена. Согласно теории самого А. Эйнштейна скорость течения времени зависит от величины гравитационного поля. После того как из ящика вылетел квант, изменяется масса ящика, а следовательно, его гравитационное поле. Начиная с этого момента часы показывают уже другое время.Однако этот и многочисленные подобные аргументы не решили спора. Он продолжался до тех пор, пока были живы оба его участника. Продолжается он и сейчас. И наш вопрос: интуиция — информация? — это все тот же вопрос о возможных способах построения картины мира, который волновал участников спора гигантов.Попробуем разобраться чуть-чуть более подробно. В качестве примера одного из случайных событий в физике можно взять распад ядра данного конкретного атома радиоактивного элемента. Хорошо известно, что радиоактивный распад подчиняется строгим законам, на основании которых можно, в частности, весьма точно определить время, в течение которого распадается, к примеру, точно половина первоначально взятого количества атомов. И в то же время физика не располагает даже самыми приближенными соображениями относительно того, в какой момент времени распадется ядро именно данного конкретного атома.Если, однако, мы будем наблюдать за одним атомом радиоактивного вещества достаточно долго, то рано или поздно он распадется, и момент распада мы можем зафиксировать с любой степенью точности. Событие произошло, причем произошло в данный момент времени. Возникает вопрос: откуда атом знал, что его ядро должно распасться именно в этот момент?А. Эйнштейн на этот вопрос ответил бы примерно так: «Атом знал момент своего распада совершенно точно. Мы с вами тоже в принципе можем знать этот момент. Для этого необходимо лишь создать теорию, свободную от недостатков квантовой теории, базирующейся на принципе дополнительности Бора».Н. Бор ответил бы иначе: «Не только мы с вами, но и сам атом до последнего момента не знает, когда он распадется. Не знает потому, что распад атомного ядра сопровождается энергетическими преобразованиями, количественное описание которых может быть известно с любой степенью точности. А коли так, то согласно принципу неточностей, который суть один из законов природы (именно природы, а не нашего познания), неточность времени может быть сколь угодно велика».Наконец, В. Гейзенберг рассуждал бы следующим образом: «Сам атом, может быть, и знает, в какой момент произойдет его распад, а вот мы не знаем и не узнаем никогда. Потому что узнать что-либо можно лишь с помощью эксперимента, а в одном эксперименте на пути к определению точных значений энергии и времени имеется препятствие в виде принципа неточностей».
     
      СКОЛЬКО СПОСОБОВ!
     
      Вопрос «Играет ли господь бог в кости?» имеет значение далеко не только для квантовой физики.В предыдущей главе мы пришли к выводу, что информация суть физическая величина и один из возможных способов измерения состоит в том, чтобы измерять .ее количественно через величину энтропии, взятую с обратным знаком. Это лишь один из возможных способов, и мы пока что уклонились от обсуждения вопроса о том, является ли такой способ наилучшим или даже вообще приемлемым. Тем не менее уже на данном уровне рассмотрения стало ясно, что энтропия и информация играют очень важную роль при описании процессов, происходящих в природе.Были высказаны гипотезы, что степень информированности физической системы определяет качество энергии, накопленной в этой системе, и, более того, что информация и есть та самая причина движения, которую философы и физики ищут с незапамятных времен. Действительно, чем дальше находится физическая система от своего состояния равновесия, тем меньше ее энтропия и, соответственно, ‘тем больше негэнтропия, то есть количество содержащейся в системе информации. С другой стороны, чем дальше находится физическая система от своего состояния равновесия, тем большее количество механической работы (движения) может быть совершено в процессе возврата системы в состояние равновесия. Все это не может не заставить нас более внимательно посмотреть, что же представляет собой энтропия.В начале книги мы определили энтропию как логарифм статистического веса. Статистический вес — это количество способов, которым может быть реализовано данное состояние системы. Логарифм берется, исходя из требования аддитивности (складываемости). Применительно к энтропии это означает, что энтропия системы, состоящей, скажем, из двух подсистем, должна быть равна сумме энтропии каждой из этих подсистем.Было показано, что среднее количество времени, в течение которого система пребывает в данном состоянии, пропорционально количеству способов, которым может быть реализовано это состояние, то есть его статистическому весу. Это справедливо в том случае, когда псе способы равнозначны и ни один из них не оказывается предпочтительным. Поэтому, если статистический вес некоторого состояния или некоторой группы состояний существенно больше статистического веса других состояний, то система большую часть времени в среднем проводит именно в этом состоянии или в этой группе состояний.Наиболее существенно здесь то, что подобное утверждение не исключает возможности для системы находиться в состоянии с малым статистическим весом. Более того, основной принцип отсутствия предпочтительных состояний требует, чтобы каким малым ни был бы статистический вес некоторого состояния, система обязательно, хоть, и весьма малое время, но все-таки пре бывала в этом состоянии. Однако, оказавшись в состоянии с малым статистическим весом, система в ближайшее время переходит в состояние с большим статистическим весом. Это обстоятельство составляет содержание второго начала термодинамики и формулируется каш закон неубывания энтропии. Мы уже отмечали, что закон неубывания энтропии отражает всего-навсего определенное свойство величины, которую мы назвали статистическим весом. В то же время закон неубывания энтропии является одним из наиболее универсальных законов физики. Возникает вопрос: чем же так замечателен статистический вес, что законы, описывающие его поведение, приобретают значение фундаментальных физических законов?
     
      СВОЙСТВА БЕЗРАЗЛИЧИЯ
     
      Бросим еще один взгляд на бильярдный стол. В предыдущей главе мы показали, что наибольшим статистическим весом обладают состояния, При которых в пределах правой половины стола находятся семь, восемь или девять, то есть примерно половина шаров. Это представляется совершенно естественным. Ясно, что если на поверхности бильярда нет никаких предпочтительных областей, то шары должны распределиться по поверхности равномерно и, в частности, на половине поверхности в среднем должна находиться примерно половина шаров. Однако все это совсем не так очевидно, как кажется на первый взгляд. Вспомним, что у настоящего бильярда шары нумерованы, и если бы мы потребовали, чтобы в правой половине бильярда находились, скажем, шары с номерами от 1 до 8, а, соответственно, на левой половине — шары с номерами от 9 до 16, то такое состояние реализовалось бы одним-единственным способом, его статистический вес был бы равен единице, а энтропия — нулю.Кажется, мы наконец-то начинаем понимать, в чем дело. Обнаруженные в предыдущей главе свойства бильярдного стола определяются тем, что нам совершенно безразлично, какой именно шар находится справа, а какой – слева. В расчет принимается лишь общее количество шаров. Как раз это безразличие и является причиной того, что статистический вес одних состояний оказывается на несколько порядков больше статистического веса других.Но подобное безразличие возникло опять-таки не по нашей прихоти. Уже применительно к бильярдному столу становится ясно, что, например, такое обстоятельство, как равновесие, требует, чтобы справа и слева находилось, но одинаковому количеству шаров, и никак не зависит от того, какой шар находится справа, а какой — слева. Бильярдный стол нам понадобился как модель реальных физических систем, состоящих из большого числа одинаковых молекул, в частности, объемов с газом.Макроскопические (то есть такие, которые мы можем непосредственно воспринять с помощью наших органов чувств или простейших приборов) величины, описывающие поведение газа, суть давление, объем и температура. Все так называемые газовые законы представляют собой соотношения между этими тремя величинами. Давление определяется тем, как часто и с какой силой ударяются молекулы о стенки сосуда. При этом совершенно безразлично, какая именно молекула ударяется в каком именно месте. Важно лишь среднее количество молекул, находящихся в непосредственной близости от данной области поверхности стенки, и их средняя скорость. Температура газа определяется средней скоростью движения молекул, и опять-таки для того, чтобы температура имела данное значение, совершенно несущественно, какое значение скорости имеет каждая молекула. Важна лишь средняя скорость. Наконец, объем вообще не зависит ни от количества, ни от скоростей молекул. Конечно, если он больше суммарного объема, занимаемого всеми молекулами.Все сказанное является справедливым далеко не только для бильярдных столов и объемов с газом. Всякий раз, когда мы сталкиваемся с явлениями, представляющими собой результат одновременного действия очень большого числа элементов, независимо оттого, что представляют собой элементы, в силу того что поведение каждого элемента никак не определяет явление в целом, мы описываем это явление средними значениями по всему множеству элементов. Состояния, которые определяются лишь средним значением, взятым при условии, что индивидуальность элементов совершенно не принимается во внимание, называются вырожденными. Количество способов, которым может быть реализовано такое состояние, определяет степень вырождения.Теперь мы, кажется, получили возможность сказать кое-что о сути рассматриваемых явлений. Суть состоит именно в том, что до сих пор, начиная от бильярдного стола и кончая различными физическими телами: твердыми, жидкими и газообразными, — мы имели дело с явлениями, зависящими от совместного действия чрезвычайно большого количества элементов. Большинство состояний, которые мы реально наблюдаем в окружающем нас мире, оказываются вырожденными. Соответственно, большинство законов природы представляют собой соотношения между средними величинами. Именно вырожденность состояний и определяет свойства статистического веса.Итак, свойство природы, описываемое законом неубывания энтропии, есть на самом деле свойство, состоящее в том, что большинство явлений природы сводится к вырожденным состояниям.Но так бывает далеко не всегда. Уже в следующей главе мы столкнемся с явлениями, в которых вырождение, как говорят, снимается и индивидуальность элементов начинает играть существенную роль. А пока что все сказанное следует рассматривать как своеобразное введение к тому основному, что мы собираемся поведать в этой главе.
     
      ДВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНТРОПИИ
     
      А поведать мы собираемся вот о чем. По определению, энтропия суть логарифм статистического веса. Это самое правильное определение энтропии, и именно оно встречается в большинстве серьезных учебников статистической физики.Есть, однако, второе определение, и встречается оно даже чаще первого. Согласно этому определению энтропия данного состояния физической системы определяется как величина, пропорциональная логарифму вероятности данного состояния. В качестве коэффициента пропорциональности обычно выбирают так называемую постоянную Больцмана, k, имеющую размерность эрг/°К (читается эрг на градус). Мы уже отмечали, что если пользоваться таким определением, то сама формулировка второго начала термодинамики: всякая изолированная физическая система стремится принять состояние с максимальным значением энтропии — превращается в тавтологию: всякая физическая система стремится принять наиболее вероятное состояние. Но речь пойдет не об этом.Все это представляет для нас чрезвычайно большой интерес, поскольку пока что мы договорились измерять количество информации через соответствующие значения энтропии и от способа определения энтропии непосредственным образом зависит способ определения информации. Более того, упомянутая впервой главе мера Шеннона как раз и связана с определением количества информации через вероятности отдельных состояний (сообщений) .Легко показать, что оба рассмотренных нами определения энтропии означают почти одно и то же.Для этого введем в рассмотрение время. Предположим, что среднее количество секунд, в течение которого в среднем каждый шар пребывает в пределах правой половины стола, в точности одинаково для всех шаров. Это опять-таки и есть наше основное предположение. Тогда среднее количество секунд, в течение которого бильярд пребывает в некотором данном состоянии, в точности пропорционально статистическому весу данного состояния. Вероятность же данного состояния, по определению, есть предел отношения среднего времени, в течение которого система пребывает в данном состоянии, к полному времени наблюдений, когда полное время наблюдений стремится к бесконечности. Переменная величина может быть сколь угодно близка к своему пределу, но все же не равна ему. Именно поэтому мы и говорим, что приведенные выше два определения энтропии означают почти одно и то же. Почти — в смысле близости истинных значений величины к ее пределу. Каким же определением следует пользоваться?Если задача состоит в том, чтобы в процессе анализа явлений природы проводить различные вычисления с использованием значения энтропии, то, безусловно, имеет смысл использовать определение энтропии через вероятность (вероятности), поскольку это дает возможность использовать хорошо развитый к настоящему времени и очень удобный аппарат теории вероятностей. Такие вычисления будут приближенными, однако степень приближения всегда может быть проконтролирована.Более того, для таких, к примеру, систем, как объем с газом, содержащих огромное количество элементов (молекул), можно сразу утверждать, что разница между статистическим весом, поделенным на полное число способов, которыми реализуется любое состояние, и вероятностью будет меньше любой разумной величины,Иное дело, когда цель состоит в том, чтобы объяснить некоторое физическое явление, вскрыть его причину или механизм, лежащий в его основе. Пусть, например, мы хотим объяснить тот факт, что давление газа на все стенки сосуда, в который он заключен, одинаково. Разделим мысленно сосуд на две части и проведем все те же рассуждения, которые мы проводили применительно к двум половинкам бильярдного стола. Мы видим, что большую часть времени сосуд будет находиться в состоянии, когда в обеих его частях находится примерно одинаковое количество молекул. Значит, и среднее количество ударов молекул о стенки в единицу времени (а это и есть давление) будет одинаковым в обеих частях. Но возможны и отклонения от этого общего правила (флюктуации), которые действительно наблюдаются в природе.Рассуждая с вероятностных позиций, мы лишь заменяем одно слово (одинаковое давление) другим словом (равновероятность). Вероятностные представления не позволяют нам также объяснить механизм возникновения флюктуации.Прибегая к вероятностным понятиям, мы неизбежно сталкиваемся с тем обстоятельством, что само по себепонятие вероятности вытекает из другого понятия-случайности. Вопрос о том, в какой мере можно пользоваться вероятностными понятиями, сводится к другому вопросу: случаен или детерминирован окружающий нас мир, то есть снова, играет ли господь бог в кости?
     
      ИНФОРМАЦИЯ И ВЕРОЯТНОСТЬ
     
      Так кто же прав — А. Эйнштейн или Н. Бор?Современная наука не дает однозначного ответа на этот вопрос. Ясно, что и мы не можем претендовать на знание такого ответа. Мы можем лишь провести обсуждение в той мере, какая поможет нам вскрыть взаимосвязь между понятиями информации и вероятности. Заметим прежде всего, что нам удалось провести все рассуждения относительно энтропии и второго начала термодинамики, не прибегая к понятиям случайного события и вероятности. Можно сказать даже, что наше обсуждение ближе к истине, поскольку оно основано на точных, а не приближенных соотношениях.Изучение бильярдной модели позволяет сделать и еще один интересный вывод. Никакие современные средства не дают возможность предсказать заранее то положение, в котором будет находиться бильярдный шар, скажем, через полчаса после первого удара по пирамидке (стоит напомнить, что мы рассматриваем бильярд без трения). С этой точки зрения по прошествии достаточного времени после удара мы вправе рассматривать положение каждого- шара как случайное событие. Но возникает вопрос: насколько существенно для всех проведенных в предыдущей главе рассуждений, то обстоятельство, что положение шара оказывается случайным?Это существенно тогда, когда мы проводим количественный анализ ситуации. Заменив с самого начала утверждение о том, что на поверхности бильярда нет предпочтительных областей, утверждением о том, что все положения шаров равновероятны, мы могли бы существенно упростить расчеты статистического веса, применив математический аппарат теории вероятностей.В то же время это обстоятельство оказывается совершенно несущественным, когда мы ставим себе целью объяснить, почему явление происходит так, а не иначе. Действительно, все выводы, сделанные во второй главе, остались бы справедливыми и в том случае, если бы мы с самого начала предположили, что шары представляют собой идеальные сферы, а поверхности бортов —! идеальные плоскости. (Там мы предположили, что шары и борта идеально упруги, а это совсем не означает, что их геометрические формы идеальны.) Эти два предположения дали бы нам возможность предсказывать положения шаров на сколь угодно большое время вперед, но ни в коей степени не изменили бы окончательных выводов. Ведь основная посылка о равновероятности (теперь можно воспользоваться этим словом), всех положений шаров вытекает не из случайной природы этих положений, а из сложности траекторий. Каждый шар рано или поздно посетит все области поверхности бильярда (это другая формулировка той же посылки) именно потому, что он постоянно сталкивается с бортами и с другими шарами, меняя при этом направление своего движения.То же самое справедливо и для реальных физических систем. Давно доказано, что мы не можем предсказать состояние каждой молекулы в каждый момент времени не только потому, что это требует выполнения астрономического объема вычислений, но, главное, потому, что одновременное знание координат и скорости молекулы (это и есть ее состояние) запрещено принципом неточностей Гёйзенберга. Но опять-таки термодинамические свойства газа вытекают не из случайности состояния молекул, а из чрезвычайной сложности их траекторий, которая, в свою очередь, определяется многократными столкновениями. В частности, доказательство теоремы Луивилля не требует привлечения вероятностных понятий.Создается впечатление, что термодинамические законы могут быть выведены и без привлечения представлений о случайности. Есть, правда, одно обстоятельство, применительно к которому только что сделанное предположение не будет справедливым. Перед тем как переходить к обсуждению этого обстоятельства, попытаемся сначала прояснить для себя некоторые свойства вероятностных представлений.
     
      НЕСКОЛЬКО СТАРЫХ ПИСЕМ
     
      «Герцог Роанекий имеет склонность к математике. Чтобы не скучать во время путешествий, он запасся одним пожилым человеком. Этот господин был в то время еще очень мало известен, но потом о нем стали говорить. Это сильный математик, не знающий, впрочем, ничего, кроме математики, — науки, вовсе не имеющей значения в свете. И вот этот человек, не обладающий никаким вкусом и тактом, постоянно вмешивался в наши разговоры, причем почти всегда удивлял нас и часто вынуждал смеяться… Так прошло два или три дня. Постепенно он становился менее уверен в себе, стал только слушать и спрашивать и завел себе памятную книжку, куда вносил разные замечания… Мало-помалу он стал говорить гораздо разумнее прежнего и сам радовался, что так изменился. Радость его была необычна, и он выражал ее каким-то таинственным образом: говорил, например, что любил многие вещи, так как был уверен, что другие не могут знать того, что он знает.— Наконец, — сказал он, — я вышел из этих диких мест и вижу чистое и ясное небо. Уверяю вас, что я не привык к яркому свету, что я был ослеплен им, а потому сердился на вас; но теперь я привык, этот свет восхищает меня, и я жалею о потерянном времени.После своего путешествия этот человек перестал думать о математике, до тех пор его занимавшей!»Мы привели отрывки из письма некоего кавалера де Мере, писанного во второй половине XVII века. Приведем заодно и характеристику кавалера де Мере, данную ему одним из его современников. Кавалер де Мере был в полном смысле тип блестящего салонного философа, как раз под пару тем ученым дамам, которых изобразил Мольер в своей комедии «Жеманницы». Кавалер был именно такой жеманницей мужского рода. Он оставил немалое количество сочинений, принесших ему немного чести. Весьма образованный для дворянина того времени, знавший древние языки, умевший пересыпать свою речь цитатами из Гомера, Платона и Плутарха, кавалер де Мере в своих сочинениях частью обкрадывал древних и новых писателей, частью изрекал банальные афоризмы. Девиз кавалера де Мере: «Всегда быть честным человеком!» — не мешал ему вести отчаянную игру и оставить после себя долги, разорившие всех его кредиторов.Однако зачем цитировать письмо какого-то французского великосветского пустомели, да еще жившего 300 лет тому назад?Письмо это во многих отношениях примечательное. Начнем с того, что «пожилым человеком», о знакомстве с которым повествует кавалер де Мере, был не кто иной, как великий Блез Паскаль. Примечательно письмо и как пример того, сколь мало проницательности, да и просто обычной наблюдательности может быть у человека, если он не очень умен да, кроме того, глаза ему застит светская спесь.Б. Паскалю, когда, по всей вероятности, он впервые встретился с кавалером де Мере, было всего 28 лет. Правда, он мог выглядеть несколько утомленным, так как перед этим сделал свои обессмертившие его имя открытия о распределении давления в жидкостях и газах. Кроме того, он только что потерял отца. Именно желание отдохнуть и слегка развлечься побудило его от правиться в путешествие с герцогом Роанским, Но все же нельзя назвать пожилым человека 28 лет от роду! Кстати сказать, Б. Паскаль был достаточно красив и именно в рассматриваемое время влюблен в сестру герцога Шарлотту Роанскую.Что математика — «наука, вовсе не имеющая значения в свете», это кавалеру де Мере виднее. Спорить мы с ним не станем; а вот то, что Б. Паскаль после путешествия перестал думать о математике?.. Но давно уже пора открыть наш главный секрет. Мы бы, конечно, ни в коем случае не стали рассказывать о знакомстве Б. Паскаля с кавалером де Мере, если бы это знакомство не послужило толчком к появлению совершенно нового раздела математики, причем послужило именно то обстоятельство, что, как уже отмечалось, кавалер де Мере вел отчаянную игру. В описываемое время Б. Паскаль не чурался светских удовольствий и слегка поигрывал. Нет ничего неожиданного в том, что между ним и кавалером де Мере завязывались разговоры об азартных играх. В этих-то разговорах кавалер де Мере предложил Б. Паскалю решить две задачи.
     
      ЗАДАЧИ КАВАЛЕРА де МЕРЕ
     
      Первая состояла в том, чтобы узнать, сколько раз надо метать две кости, чтобы надеяться получить наибольшее число очков, то есть двенадцать. Как мы скоро увидим, эта задача весьма простая.Вторая задача много сложнее. Страстный игрок, де Мере чрезвычайно интересовался следующим вопросом: каким образом разделить ставку между игроками в случае, если игра не была окончена?Пытаясь решить, задачи де Мере (главным образом вторую из них), Б. Паскаль в 1654 году начал переписываться с другим крупнейшим французским математиком — П. Ферма. Не будучи знакомы лично, благодаря переписке они стали близкими друзьями. П. Ферма решил обе задачи с помощью придуманной им «теории сочетаний». Решение Б. Паскаля было значительно проще. Он исходил из чисто арифметических соображений. Нисколько не завидуя П. Ферма, Б. Паскаль, наоборот, радовался совпадению результатов и писал ему: «С этих пор я желал бы раскрыть перед вами свою душу, так я рад тому, что наши мысли встретились. Я вижу, что истина одна и та же в Тулузе и в Париже».Приведем вкратце решение Б. Паскаля для второй задачи кавалера де Мере. Предположим, говорит Б. Паскаль, что играют два игрока и что выигрыш считается окончательным после выигрыша одним из них трех партий. Пусть ставка каждого игрока составляет 32 луидора, и предположим, что первый уже выиграл две партии (ему не хватает одной), второй выиграл одну (ему не хватает двух). Им предстоит сыграть еще партию. Если ее выиграет первый, он получит всю сумму, то есть 64 луидора; если второй, у каждого будет по две выигранные партии, шансы обеих будут равны, и в случае прекращения игры каждому, очевидно, надо дать поровну.Итак, если выиграет первый, он получит 64 луидора. Если выиграет второй, то первый получит лишь 32 луидора. Поэтому, если оба согласны не играть предстоящей партии, то первый вправе сказать:— Тридцать два луидора я получу во всяком случае, даже если я проиграю предстоящую партию, которую мы согласились признать последней. Стало быть, 32 луидора мои. Что касается остальных 32, может быть, их выиграю, я, может быть, вы. Поэтому разделим сомнительную сумму пополам!Значит, если игроки разойдутся, не сыграв последней партии, то первому надо дать 48 луидоров, или же три четверти всей суммы, второму 16 луидоров, или одну четверть, из чего видно, что шансы первого из них на выигрыш втрое больше, чем второго (а не вдвое, как можно было бы подумать при поверхностном рассуждении).Конечно, все это пока еще не математика, а скорее рассуждения, основанные на здравом смысле. Но вот что главное — здесь делается попытка оценить количественно то, что, казалось бы, по самой своей сути никакой количественной оценке не подлежит. И до Б. Паскаля ничего подобного никому и в голову не приходило. Математики всегда гордились (да и сейчас гордятся) именно тем, что выводы их науки справедливы всегда, при любых условиях. Дважды два, говорят они; всегда четыре —- и сегодня, и через миллион лет, и на Земле, и на любой другой планете. А тут – на тебе! Спрашиваете вы, допустим, у некоего специалиста: будет ли завтра дождь? Специалист отвечает, мол, девяносто шансов из ста за то, что дождя не будет, а десять шансов за то, что дождь пойдет. Как это понимать? Особенно в том случае, если дождь все-таки пойдет. Куда тогда подеваются эти самые девяносто шансов?И вот оказывается, что человеческому гению под силу даже такая задача: применить точные количественные меры именно там, где по самой сути ничего точного, казалось бы, быть не может. Конечно, большую роль здесь сыграло и то, что к этому времени человечеству уж очень нужны были такие методы.И здесь невозможно удержаться, чтобы не поудивляться еще раз, до чего же все-таки везет дуракам! Ведь кавалер де Мере, формулируя свои задачи, явно ни о чем, кроме игры в кости, не думал. А что получилось? .Возьмем хотя бы первую задачу: сколько раз надо метать кости, чтобы надеяться получить наибольшее число очков? Заметьте, что, например, вопрос, сколько надо бросить в землю семян, чтобы надеяться получить столько-то растений, или вопрос, сколько надо выпустить снарядов, чтобы надеяться поразить цель, это та же самая первая задача кавалера де Мере. Вряд ли нужно добавлять еще что-нибудь для доказательства важности подобных задач. Обратите также внимание на словечко «надеяться». Оно имеет очень большое значение, так как входит в терминологию науки теории вероятностей.
     
      ВЕРОЯТНОСТЬ И ЧАСТОТА
     
      Итак, теория вероятностей — это раздел математики, занимающийся вычислением количественных оценок в условиях, когда некоторые события могут или наступить, или не наступить, и при этом считается, что отсутствует даже принципиальная возможность точно предсказать наступление каждого такого события. Подобные события получили название случайных. Случайное событие представляет собой основной объект изучения в теории вероятностей. Любой из вас приведет какое угодно количество примеров случайных событий, а мы пока что воздержимся от этого.Первое, что сделал Б. Паскаль, — это предложил присваивать каждому случайному событию некоторую численную меру, называемую вероятностью его наступления. Вероятность — положительное число, заключенное между нулем и единицей. Вероятность достоверного события, то есть такого, наступление которого можно предсказать заранее (утром солнце взойдет), принимается равной единице. Вероятность невозможного события, то есть такого, которое в рассматриваемой ситуации никогда не наступает, принимается равной нулю. Вероятность события, которое может наступить или не наступить, — больше нуля и меньше единицы. Интересно заметить, что обратные утверждения неверны. Событие, вероятность наступления которого равна единице, все-таки может и не наступить, а событие, вероятность которого равна нулю, может наступить хотя бы принципиально. Но это уже тонкости теории вероятностей.Чтобы все сказанное стало более понятным, давайте рассмотрим такой пример. Предположим, что мы хотим определить частоту выпадания герба при бросании монеты. (Частотой в данном контексте называется отношение числа случаев, в которых получен рассматриваемый исход (выпал герб) к общему числу случаев.) Ясно, что эта частота должна приближаться к величине 0,5. Обычно, когда монету бросают много раз подряд, все так и получается: при увеличении количества бросаний частота выпадания герба, то есть количество случаев, когда выпал герб, поделенное на общее количество бросаний, приближается к 0,5.Знаменитый статистик К. Пирсон подбрасывал монету 24000 раз подряд — то ли делать ему было нечего, то ли уж очень захотелось воочию увидеть, как эта самая, частота приближается. И действительно, оказалось, что из 24000 бросаний герб выпал 12012 раз. Как видите, частота оказалась очень близкой к 0,5.Все-таки хочется обратить ваше внимание, во-первых, на то, что герб выпал не ровно 12000, а 12012 раз. Эти 12 еще составят предмет самостоятельного разговора. Второе замечание — более общее. Нет никакой гарантии, что при дальнейшем увеличении количества бросаний частота не начнет отклоняться от величины, принимаемой за вероятность.Теперь мы вплотную подошли к рассмотрению еще одного примера. Состоит он в» следующем. Предположим, что мы бросили монетку сто раз подряд и сто раз подряд выпал герб. Такое, хоть и редко, но вполне может случиться. Бросаем монетку в сто первый раз, но перед этим задаем себе вопрос: что вероятнее при сто первом бросании — выпадание герба или выпадание решки? Вы, конечн., скажете, что если только что сто раз подряд выпадал герб (предполагается, что монета правильная), то уж сейчас-то наверняка выпадет решка. Как бы не так! Вероятность выпадания решки при сто первом бросании точно такая же, как и вероятность выпадания герба, и равна она 0,5.Действительно, ведь события, состоящие в выпадании герба или решки при данном бросании, суть события независимые. Их вероятность ничуть не зависит от того, что происходило при предыдущих бросаниях. И вообще, при подсчете частот нет никакого рецепта, подсказывающего, с какого момента надо начинать считать. Вот и получается: как бы сильно частота ни отклонилась от вероятности (в только что рассмотренном примере (сто бросаний — сто гербов), частота выпадания герба оказалась 1 вместо 0,5), это совсем не значит, что вот теперь-то она должна начать приближаться. Приближается она опять же в среднем. Иначе говоря, чем больше серий опытов мы проведем, тем вероятнее, что средняя частота окажется достаточно близкой к вероятности, Но опять-таки «вероятнее».
      Мы с вами достаточно подготовлены, чтобы решить первую задачу кавалера де Мере. Итак, сколько раз надо метнуть две кости, чтобы можно было надеяться на выпадание 12 очков?На первый взгляд задача кажется очень простой (ее решил сам кавалер де Мере). Но на деле это не так. Вся загвоздка в том, как понимать слово «надеяться». Начнем рассуждать так, как мы это делали уже не раз. Две игральные кости могут упасть на стол 36 различными способами: 1 и 1, 1 и 2, и т. д. Поскольку мы считаем кости правильными, то у нас нет никаких оснований предпочесть какой-нибудь один или группу способов получить 12 очков, то есть 6 и 6 может образоваться одним-единственным способом. Отсюда мы приходим к заключению, что вероятность выпадания 12 очков равна 1/36.О чем это говорит? Ровным счетом ни о чем. Бросьте кости один раз, и у вас либо выпадут 12 очков, либо нет. (Если выпадет с первого раза, в этом случае вы можете наделить кости (или себя!) свойством иметь интуицию.) Будем, однако, рассуждать дальше. Число способов не получить 12 очков равно, очевидно, 35, а вероятность не получить 12 очков равна 35/з6. Бросаем кости 36 раз подряд. Вероятность того, что и в этом случае мы не получим 12 очков, равна, (35/з6)36~0,36. Тех, кому неясно, почему так получилось, просим посчитать число способов, которыми могут упасть две кости при 36-кратном бросании. Вероятность того, что при 36-кратном бросании выпадет 12 очков, равно 1 — 0,36 = 0,64,Если провести, скажем, сто серий по 36 бросаний в каждой, то, как нам говорит проведенный выше расчет, примерно в 64 сериях из ста с большой степенью вероятности можно ожидать однократное выпадание 12 очков. Только что сказанное есть факт, получаемый с помощью науки, называемой теорией вероятностей. А вот можно ли в таких случаях надеяться — это уж пусть кавалер де Мере решает для себя сам. Мы не будем ему в этом помогать, а удовлетворимся тем, что мы заодно ответили на такой вопрос: вероятность 1/36— это много или мало?Теперь мы знаем: если вероятность некоторого события равна 1/36, то при 3600-кратном повторении ситуации (3600 = 100-36), вызывающей появление данного события, «можно надеяться», что это событие совершится около 64 раз. Но может и не совершиться ни разу.Никаких гарантий на этот счет теория вероятностей не дает.Обычно специалисты по теории вероятностей рассуждают так. Мол, основное назначение теории вероятностей состоит в том, чтобы по известным вероятностям простых событий (предполагается, что вычислить эти вероятности достаточно просто) точно вычислять вероятности сложных событий.Все это совершенно справедливо. Теория вероятностей есть раздел математики, и, если так можно выразиться, внутри этого раздела все утверждения отвечают требованиям математической строгости. И действительно, теория вероятностей позволит определить, к примеру, вероятность аварии самолета, если известны вероятности выходов из строя каждой из нескольких десятков тысяч составляющих этот самолет Деталей. Еще раз повторяем — расчет можно выполнять совершенно точно, но при этом остаются два «но». Во-первых, мы никогда не будем знать точно вероятность для каждой из деталей, а во-вторых, даже зная вероятность аварии самолета (пусть она равна, скажем, 0,0001 — это очень малая вероятность), мы все же ничего не сможем сказать в ответ на вопрос: будет иметь место авария в данном рейсе или нет? Здесь та же самая ситуация, что и со стократным бросанием монеты.Что же это за наука такая, скажете вы, результаты которой, по существу, ничего не означают?Столь категорическое утверждение, конечно, не будет правильным. С помощью теории вероятностей уже было решено и ежедневно решается множество задач, в том числе имеющих огромное значение для науки и практики.Но справедливо и то, что в ряду других математических дисциплин теория вероятностей, прямо скажем, отличается большим своеобразием.Вернемся, однако, к самой теории и обсудим подробнее вторую задачу кавалера де Мере. Решение этой задачи, найденное самим Б. Паскалем, мы уже приводили раньше. Но в данном случае нас интересует не решение, а вообще правомочность постановки подобных задач. Вторая задача тем и отличается от первой, что в известной степени она иллюстрирует применение методов теории вероятностей к некоторой жизненной ситуации.Сформулируем ее для себя следующим образом: как справедливо разделить ставку, если игра не закончена, но можно вычислить вероятности выигрыша для каждого из игроков? Главный вопрос, на наш взгляд, состоит именно в том, можно ли говорить вообще о справедливом дележе, если игра не закончена? Кстати, совсем необязательно играть. Можно поставить вопрос шире. Как соотносятся между собой категории справедливости в общежитейском понимании этого слова и категория вероятности?Постараемся показать, что вопрос этот отнюдь не праздный.Все азартные (а в общем-то, и необязательно азартные) игры можно разделить на два класса. К первому классу отнесем игры, в которых вероятность выигрыша перед началом игры одна и та же для каждого игрока. (Правильно говорить не о вероятности, а о математическом ожидании выигрыша, но мы с вами не знаем, что это такое.) Ко второму классу отнесем игры, не обладающие этим свойством.Рассмотрим сначала игры первого класса. Пусть, например, два игрока играют в орлянку. Доказано, что если монета правильная и если ни один из игроков не делает явных ошибок, то вероятность выигрыша для каждого приближается к нулю по мере увеличения количества бросаний. (Ясно, что при одном-единственном бросании один из партнеров должен выиграть и, следовательно, другой — проиграть.) Спрашивается, зачем вообще начинать игру и тратить на это время, если заведомо известно, что вероятность выигрыша (кстати, и проигрыша!) равна нулю?Примером игр второго класса может служить рулетка. Здесь имеется заведомо отличная от нуля вероятность выигрыша для одного из участников, а именно хозяина рулетки — крупье — и соответственно, отличная от нуля вероятность проигрыша для всех остальных участников. Становится совсем непонятным, зачем начинать играть в рулетку и подобные игры, если заведомо известно, что имеется отличная от нуля вероятность проиграть?Все дело в том, что игрок в азартные игры рассчитывает именно на отклонение частоты событий от- их вероятности. Вспомним, что у К. Пирсона при 24 000 бросаний монеты герб выпал 12012 раз. Если представить себе двух игроков, один из которых ставит всегда на герб, а второй — всегда на решку, то именно эти 12 лишних гербов и составят чистый выигрыш одного из игроков. Остальные 23 988 бросаний в известном смысле будут совершены впустую.
     
      ВОТ СЧАСТЛИВЧИК!
     
      Значит ли все сказанное, что теория вероятностей неприменима к задачам о справедливом разделе? -Нет, это означает гораздо больше. Понятие вероятности применительно к одиночным событиям вообще не имеет смысла. Мы уже знаем достаточно много, чтобы прийти к такому выводу. Только что высказанное утверждение трудно принять; ведь в повседневной жизни мы привыкли, часто даже подсознательно, оценивать вероятности тех или иных имеющих к нам отношение событий и принимать решения на основе этих оценок. И все же это утверждение справедливо. Давайте порассуждаем еще немного’.Вот перед нами монета и игральная кость. Пусть некто подбросит монету, и у него выпал герб. Это не производит на нас никакого впечатления. Должно было выпасть одно из двух: или герб, или решка — причем мы хорошо знаем, что оба эти события имеют одинаковую вероятность наступить. Выпадание двух гербов подряд тоже в общем-то оставит нас равнодушными: мы знаем, что так случается, и довольно часто.Возьмем теперь игральную кость. Пусть некто бросает ее, и с первого же раза выпадает шестерка. Если он к тому же предварительно заключил пари, что так и произойдет, впечатление будет достаточно сильным. А если две шестерки подряд?— Вот счастливчик! — скажем мы и тем самым сразу раскроем наше подсознательное отношение к происходящим событиям.Действительно, если сто человек одновременно бросят по две кости, то две шестерки выпадут лишь у одного, двух, от силы — трех. Это и дает нам основание как-то выделить этих двоих-троих, назвать их счастливчиками. Добавим, однако, что даже у ста человек при одном бросании может не выпасть двух шестерок ни у кого.Наша подсознательная оценка вероятности есть не что иное, как рефлекс, который вырабатывается в результате определения частоты тех или иных событий.События, происходящие часто, мы считаем более вероятными, а события, происходящие редко, — менее вероятными. Если же некоторое событие (например, бросание кости) совершается один раз, то предварительное знание вероятности этого события ровным счетом ничего не дает. Пусть некто выбросил кость. Происходит одно из двух: или выпадает шестерка, или не выпадает. И то и другое может произойти (подчеркнем это еще раз) вне всякой зависимости от величины вероятности того и другого события.На первый взгляд представляется, что в случае так называемых практически достоверных или практически невозможных событий ситуация должна быть несколько иной. Ясно, например, что на Землю падают метеориты, и, следовательно, событие, состоящее в том, что метеорит попадет, скажем, вам на голову, в принципе возможно. Однако вероятность такого события исчезающе мала, мы с полным основанием считаем его практически невозможным. Поэтому и выходим на улицу без противометеоритных зонтиков.Однако мы не пользовались противометеоритными зонтиками и тогда, когда самого понятия вероятности еще не существовало. Рассуждая более строго, можно сказать, что наше поведение или, в более общем случае, реакция некоторой системы будет одной и той же независимо от того, равна ли вероятность данного события, скажем, 0,001 или 0,0001. Иными словами, здесь важна не количественная оценка вероятности, а лишь то обстоятельство, что она очень мала. Причем малость вероятности оценивается опять-таки через частоту (мы не реагируем на очень редкие события) главным образом на основе здравого смысла.Возможно, у некоторых читателей создалось впечатление, что авторы без достаточного почтения относятся к теории вероятностей. Спешим заверить, что это совсем не так. Современная теория вероятностей представляет собой весьма развитый раздел математики, обладающий внутренним совершенством и большой практической ценностью.Все, что говорилось в этой главе, коротко можно сформулировать так. Теория вероятностей оперирует со специальными величинами, исторически получившими название вероятностей. Окружающий нас мир устроен так, что при многократном повторении ситуаций, в которых возможны различные исходы, частота каждого з исходов по мере увеличения числа повторений стремится к некоторой постоянной величине, которая в большинстве случаев совпадает с вероятностью. Поэтому теория вероятностей представляет собой мощное средство для оценки частот. При этом, однако, весьма существенно, что само приближение частоты к вероятности происходит достаточно своеобразно, или, как мы говорим, сходится по вероятности. Именно тот, кто никогда не забывает этого последнего обстоятельства и умеет учитывать его при вычислениях, может считаться хорошим специалистом в теории вероятностей.Мы достаточно хорошо ознакомились с основными свойствами вероятности и можем вернуться к рассмотрению некоего обстоятельства, в котором существенным образом проявляется случайность.
     
      ВОШЕДШИЕ, ОСТАВЬТЕ УПОВАНИЯ!
     
      Обстоятельство, на которое мы намекнули, связано с необратимостью термодинамических процессов. Чтобы разобраться, что это такое, обратимся снова к бильярду — этой поистине универсальной модели, Совершен первый удар, и шары пришли в движение. Может ли случиться так, что, подвигавшись какое-то время, шары снова соберутся в пирамидку?Весь наш жизненный опыт говорит нам, что такого быть не может. Точно так же, как осколки разбитой чашки могут двигаться после ударов достаточно долго, по никто никогда еще не наблюдал, чтобы осколки снопа собрались в целую чашку. Как и частички дыма от сгоревшего полена не собираются снова вместе с тем, чтобы образовать целое полено. А что говорит на сей счет теория?Наше основное положение сводится к тому, что любой бильярдный шар в своем движении обязательно посетит все без исключения области бильярдного стола.Раз все без исключения, значит, рано или поздно он посетит и ту область, где он находился еще в составе пирамидки. Более того, с течением времени он будет посещать эту область вновь и вновь, поскольку среднее количество времени, которое он проведет в этой области, пропорционально ее размерам и времени наблюдений.Значит, с увеличением времени наблюдений будет увеличиваться и время, проведенное шаром в пределах рассматриваемой области.Сказанное справедливо для любого шара. Следовательно, обязательно рано или поздно наступит момент, когда шары снова соберутся в пирамидку. Однако расчеты показывают, что ждать этого придется, возможно, миллион лет, а пирамидка будет существовать лишь мгновение, после чего снова на миллион лет шары разойдутся и равномерно покроют поверхность бильярдного стола. Наблюдения подобного рода заставляют сделать вывод, что для природы естественны процессы, сопровождающиеся превращением пирамидки в равномерно распределенные шары, и, наоборот, неестественны, а точнее говоря, встречаются настолько редко, что практически этим можно пренебречь, процессы, когда произвольно движущиеся шары снова собираются в пирамидку.Все то же самое справедливо и для реальных физических систем. Теоретически процессы, происходящие в паровой машине, обратимы. Действительно, газ, заключенный в рабочем объеме цилиндра, оказывает давление на поршень. Мы говорим, что состояние газа характеризуется двумя параметрами: объемом и давлением. Расширяясь, газ приводит в движение поршень, и при этом совершается механическая работа. Однако если после этого работу совершим мы и вернем поршень в прежнее положение, то давление газа вернется к прежнему значению и все можно будет начинать сначала. Поэтому процесс расширения газа теоретически можно считать обратимым. На самом деле, однако, все обстоит не так. Расширяясь, газ не только совершает механическую работу по перемещению поршня, но и сообщает поршню определенную скорость, то есть кинетическую энергию. Вернув поршень назад, мы уже не получим прежних значений давления.Наконец, тепло всегда переходит от более нагретого тела к более холодному и никогда в противоположном направлении.На этом обстоятельстве, как уже говорилось, базируется теория, предсказывающая тепловую смерть вселенной.
     
      КУДА ДЕВАЛАСЬ ИНФОРМАЦИЯ ?
     
      Возможно, у читателя создалось впечатление, что, увлекшись термодинамическими рассуждениями, мы забыли, чему посвящена эта книга. Ничего подобного! Все сказанное до сих пор имеет прямое отношение к нашей главной героине — информации. Ведь до сих пор мы имеем единственное строгое определение информации как энтропии, взятой с обратным знаком. Поэтому утверждение о том, что все процессы в природе направлены в сторону увеличения энтропии, одновременно является утверждением о том, что все процессы в природе направлены в, сторону уменьшения связанной с этими процессами информации. На первый взгляд подобное утверждение представляется весьма правдоподобным. Действительно, все, что мы знаем, рано или поздно забывается. Книги приходят в негодность. Мы имеем лишь весьма приближенное представление о том, что происходило, к примеру, в Древней Греции. А ведь там когда-то бурлила жизнь, и каждый день каждого человека был до отказа заполнен информацией. Где она, эта информация?Да что там древние греки, попробуйте во всех деталях восстановить, о чем вы думали, скажем, на прошлой неделе! Совершенствование техники хранения информации лишь замедляет этот процесс, однако основная тенденция остается неизменной.Всякий раз, когда мы сталкиваемся с каким-то явлением природы, возникает естественное желание разобраться, почему так происходит. Вот и сейчас мы не можем не задать вопрос: почему мир устроен так, что все процессы направлены в сторону уменьшения количества информации?Американский математик У. Гиббс высказал предположение, что во всем виновато время. В механике Ньютона каждая переменная обладает свойством симметрии. Это значит, что если изменения некоторой переменной описывают реально осуществимый физический процесс, то, изменив знак этой переменной на противоположный, мы снова получим описание реально осуществимого физического процесса. Если процесс состоит в том, что револьверная пуля после выстрела движется, скажем, с севера на юг, то, поменяв знак у переменной, описывающей расстояние, мы получим процесс, состоящий в том, что пуля движется с юга на север. Аналогичным образом, если пуля имеет данную, скорость (направленную опять-таки с севера на юг), то, поменяв знак, мы получим ту же скорость, но противоположно направленную. И то и другое вполне реально. Наконец, если в уравнениях небесной механики все знаки поменять на обратные, получится уравнение, описывающее, например, солнечную систему, в которой при наблюдениях с Земли Солнце встает на западе и заходит на востоке. Опять-таки нет ничего такого, чтобы запрещало существование подобной солнечной системы.А вот время, согласно У. Гиббсу, не обладает свойством симметрии. Время всегда направлено в одну лишь сторону, в сторону повышения энтропии и уменьшения информации. Если поменять знак у времени, мы получим вселенную, в которой разбитые чашки склеиваются, а дым превращается в березовые поленья.Однако обвинить во всем время — это значит заменить один вопрос другим. Существует другая теория, в которой все сводится к понятиям порядка и беспорядка. Например, считается, что струя пара, в которой все молекулы движутся, хотя и с разными скоростями, но в одном и том же направлении, может служить примером физической системы, в которой царит порядок.После взаимодействия с лопаткой турбинного колеса молекулы отскакивают от лопатки под различными углами, струя пара превращается в облачко пара, в котором молекулы движутся не только с различными скоростями, но и в самых различных направлениях. Такое облако — пример физической системы, в которой царит беспорядок.Как и в предыдущем случае, подобных примеров можно привести сколько угодно. И основной вывод тогда будет состоять в том, что вселенная стремится от состояний, характеризуемых большей упорядоченностью, к состояниям, характеризуемым меньшей упорядоченностыо, или что время, по У. Гиббсу, может протекать лишь в направлении от порядка к беспорядку. Такую трактовку законов природы вряд ли можно признать удачной. Начнем с того, что она снова не дает ответа на основной вопрос: почему? — а лишь заменяет понятия «состояние с малой энтропией» и «состояние с большой энтропией» понятиями «порядок» и «беспорядок».
     
      ЧТО ЕСТЬ ПОРЯДОК!
     
      Если считать слова «порядок» и «беспорядок» просто синонимами слов «состояние с малым значением энтропии» и «состояние с большим значением энтропии», то и сама теория, провозглашающая стремление к беспорядку, будет правильной постольку, поскольку справедливо второе начало термодинамики, но при этом она и не будет содержать ничего нового.Дело представляется иначе, если использовать понятия «порядок» и «беспорядок» в общепринятом человеческом смысле. Мы говорим, что элементы некоторой системы находятся в порядке, или, иначе, упорядочены. если состояния этих элементов подчиняются какому-либо закону. Например, о планетах солнечной системы мы так и говорим, что они расположены в порядке, характеризуемом тем, что кубы их расстояний от Солнца пропорциональны квадратам периодов обращений. Однако никто не сказал, что закон обязательно должен быть простым. Или, иначе, что степень порядка тем выше, чем проще закон, описывающий этот порядок. Скорей наоборот, чем сложнее закон, тем выше степень упорядоченности.Рассмотрим, к примеру, произведение какого-нибудь великого художника. Можно считать, что картина состоит из отдельных мазков красок. Эти мазки расположены в соответствии со строгими законами, одни из которых определяют соответствие между изображенным па картине и натурой, а другие — соответствие между изображенным на картине и той мыслью, .которую вложил в нее художник. Чем сложнее эти законы, тем, вообще говоря, талантливее мы считаем произведение. Возможно, это последнее утверждение у кого-то встретит возражение, но мы надеемся, что все согласятся хотя бы с тем, что в картине, представляющей собой истинное произведение искусства, степень упорядоченности отдельных элементов все-таки выше, чем, скажем, в картине, изображающей черный квадрат на желтом фоне.Интересно в этой связи проследить одну тенденцию, чаще всего наблюдаемую в научно-фантастической литературе. Прибытие людей на неизвестную планету — ситуация достаточно обычная для подобных произведений. И вот, увидев, например, пейзаж, состоящий из правильных прямоугольников, люди сразу решают, что планета населена разумными существами. Действительно, деятельности человека характерно стремление к правильным геометрическим фигурам, что частично может быть объяснено соображениями целесообразности.Однако вряд ли кто-нибудь будет возражать, что истинного величия архитектура достигает не в каком-нибудь стеклобетонном параллелепипеде, а, скажем, в контурах готического замка, больше всего напоминающих естественный горный пейзаж.Шенноновская теория информации дает возможность строго показать, что наибольшей информативностью, или, другими словами, наибольшим количеством информации, приходящейся на один элемент (символ), обладает сообщение, в котором все символы равновероятны, то есть расположены наиболее произвольным образом.Все сказанное позволяет нам сделать вывод, что теорию, основанную на понятиях порядка и беспорядка, вряд ли можно признать удачной. Мало того, что она не дает ответа на основной вопрос, она к тому же еще заставляет смещать наши представления о порядке и беспорядке.
     
      СНОВА ШАРЫ
     
      А что, если в попытках ответить на вопрос, почему отдельные процессы в природе необратимы, мы привлечем понятие случайности? Ведь любой процесс в больших физических системах, таких, как множество бильярдных шаров или молекул, сводится к последовательности элементарных актов. На бильярдном столе эти акты суть столкновения шаров между собой. Рассмотрим подробнее столкновение шаров, предположив сначала, что оно происходит в строгом соответствии со всеми законами механики.Вот шары движутся по двум сближающимся прямолинейным траекториям, вот они пришли в соприкосновение, разошлись и продолжают двигаться по двум, теперь расходящимся, траекториям. Стоп! Остановили время и пустили его наоборот. Теперь шары сходятся, двигаясь в обратном направлении по траекториям, по которым они расходились, входят в соприкосновение и, если все законы механики выполняются, теперь расходятся именно по тем траекториям, по которым они ранее сходились. В классической механике процесс столкновения шаров обратим. Следовательно, должен быть обратим и любой более сложный процесс, состоящий из отдельных элементарных столкновений.Представим себе теперь, что акт столкновения хотя бы в малой своей части содержит элемент случайности. Тогда, точно зная траектории, по которым шары сближаются, мы сможем лишь приближенно предсказать траектории, по которым они будут расходиться после столкновения.Если акт столкновения шаров содержит элемент случайности, то оно, столкновение, может быть строго описано в терминах теории вероятностей (теория вероятностей представляет собой строгую, а не приближенную теорию именно для случайных событий). В частности, теория вероятностей позволит предсказать величину угла, в пределах которого будут расположены траектории каждого шара после столкновения.Итак, если элементарный акт столкновения двух шаров содержит элемент случайности, то мы наблюдаем такую картину. Два шара движутся по строго определенным сближающимся траекториям, приходят в соприкосновение, и после этого каждый шар произвольно выбирает себе одну из траекторий в пределах данного угла. Как говорил А. Эйнштейн, бог, перед тем как задать тару определенную траекторию, каждый раз бросает кости.Ясно, что такой процесс необратим. ЕСЛИ после столкновения шаров мы поменяем знак у переменной времени, получится следующее. Расходившиеся шары начнут сближаться в точности по тем же траекториям, по которым они до этого расходились, а придя в соприкосновение, они уже не станут двигаться по своим прежним траекториям. Вместо этого каждый шар опять-таки выберет себе одну из траекторий в пределах данного угла. Но необратимость одного элементарного акта, конечно, означает необратимость и всего процесса, состоящего из таких элементарных актов. Более того, после каждого очередного столкновения неопределенность траектории, а следовательно, и положение шаров будут возрастать, И очень скоро наступит такое положение, когда определенно нельзя будет ничего сказать о положении шаров. Любые утверждения могут делаться только применительно к вероятностям положений и состояний.
     
      КТО ЖЕ ПРАВ, А. ЭЙНШТЕЙН ИЛИ Н. БОР!
     
      Теперь ясно, что предположение о случайности отдельных элементарных актов в природе полностью объясняет необратимость происходящих в ней процессов. Вопрос о том, действительно ли имеет место эта самая случайность, то есть опять-таки, кто прав, А. Эйнштейн или Н. Бор?Никакие макроскопические эксперименты не позволяют однозначно ответить на этот вопрос. Мы уже подчеркивали, и имеет смысл повторить еще раз, что второе начало термодинамики описывает лишь некоторое свойство массовых процессов. Причем это свойство проявляется только в вырожденных системах, то есть в системах, где существенным для их протекания является только наличие элемента в данный момент времени и в данной области пространства, и при этом совершенно безразлично, какой именно элемент на самом деле участвует в данном элементарном акте. Стоит, как мы говорили, снять вырождение, и система начнет вести себя совеем по-иному.Для удовлетворения второго начала термодинамики требуется также равновероятность отдельных микросостояний. Однако для такой равновероятности совсем необязательно, чтобы отдельные элементарные акты содержали элемент случайности. Если все элементарные акты будут совершаться в строгом соответствии с законами классической механики, но этих актов будет очень много и совершаться они будут над большим количеством элементов, то очень скоро система станет вести себя так, что все ее состояния окажутся равновероятными, или, во всяком случае, так, как если бы они были равновероятными. Вспомним, что вынести точное суждение по поводу вероятности можно лишь в том случае, если мы наблюдаем систему в течение бесконечного времени, или, что равносильно, наблюдаем бесконечное количество одинаковых систем.Лучшим доказательством сказанного является опыт работы с так называемыми генераторами случайных чисел. В современных ЭВМ реализуются алгоритмы, позволяющие получать последовательности чисел, распределение которых с любой наперед заданной точностью совпадает с соответствующим распределением случайных явлений. И в то же время эти числа получаются с помощью алгоритма, то есть строго детерминированным образом.Утверждение о том, что из случайной природы элементарных актов вытекает необратимость процессов, состоящих из этих актов, имеет и обратную силу. Если большинство процессов в природе действительно необратимы, значит, в их основе лежат случайные события. Казалось бы, нет лучшего доказательства случайной природы элементарных актов. Ведь разбитая чашка не склеивается! Но не станем торопиться. Наблюдая за разбитыми чашками, мы исследуем лишь локальные свойства природы в течение весьма небольших промежутков времени. А для однозначного ответа на вопрос о случайности необходимо убедиться в том, что необратимость процессов имеет место всегда, в сколь угодно больших областях пространства и в течение сколь угодно больших промежутков времени.Последняя фраза наводит нас на мысль: а не стоит ли поискать ответ на наш вопрос в космологии? Существует космологическая теория, которую впервые начал развивать советский ученый А. Фридман. Согласно этой теории все галактики, составляющие вселенную, разбегаются в разные стороны, причем скорость, с которой удаляется от наблюдателя каждая галактика, пропорциональна расстоянию от этой галактики до наблюдателя. Весьма интересно, что это утверждение справедливо независимо от того, где находится наблюдатель. Советуем читателю как следует поразмышлять над сказанным. Такие размышления позволят ему подметить весьма интересные свойства геометрии нашей вселенной.Нас интересует, однако, другое. В данный исторический период галактики разбегаются. А что будет дальше? В теории Фридмана содержится ответ на этот вопрос. Если средняя плотность вещества во вселенной меньше некоторого критического значения, галактики будут продолжать разбегаться. Такой процесс расширения вселенной, будучи необратимым, и представляет собой окончательное доказательство (на сей раз безапелляционное) случайности элементарных актов. Но это лишь в том случае, если средняя плотность вещества действительно меньше критического значения. Если это не так, то на смену периоду разбегания обязательно .придет период сближения. Галактики начнут двигаться по направлению друг к другу, и так будет продолжаться до тех пор, пока все вещество во вселенной не займет бесконечно малый объем, практически стянется в точку. Затем последует взрыв и все начнется сначала.Теория Фридмана практически является на сегодня общепринятой, хотя бы в той ее части, что вселенная возникла из первичного взрыва. Этому есть много экспериментальных доказательств, в частности так называемое реликтовое излучение. Что же касается прогноза на будущее, то здесь, как говорится, бабушка надвое сказала. Современные подсчеты средней плотности вещества во вселенной дают цифру, чуть меньшую критического значения. Однако ни из чего не следует, что ученые учли все вещество. Вполне возможно, что во вселенной существуют объекты, о которых мы пока Просто ничего не знаем. Ведь только недавно были обнаружены, скажем, черные дыры. Есть все основания предполагать, что истинная средняя плотность вещества все-таки больше критической. Вселенная не исчезнет бесследно, а возродится в очередном первичном взрыве, и так будет повторяться до бесконечности.С позиций вопросов, рассматриваемых в этой книге, нас больше всего интересует тот момент, когда все вещество вселенной стянется в точку. Энтропия точки (одного бильярдного шара), очевидно, равна нулю. Чему же равно количество информации, содержащейся в точке? Это количество информации равно значению энтропии вселенной в тот момент, когда она достигает своего максимального значения, иначе говоря, в тот момент, когда галактики перестанут разбегаться и вот-вот начнут сближаться. Вряд ли стоит спрашивать, о чем эта информация. О всей структуре будущей вселенной, и в том числе о всех чашках, которые возникнут в будущем взамен разбитых сегодня.Так выглядит представление об информации с позиций современной термодинамики и космологии.
     
      ГАРМОНИЯ СФЕР
     
      Коли уж мы упоминали выше труды древнегреческих ученых и философов, нельзя обойти молчанием одного из наиболее легендарных среди них, а именно Пифагора. Как математик Пифагор, несомненно, представляет собой особо яркую фигуру для всего рассматриваемого периода древнегреческой науки. Нельзя сказать то же о его философских воззрениях, хотя пифагорейство есть едва ли не самое долговечное философское направление изо всех когда-либо существовавших в Европе.В основу своих воззрений на природу вещей Пифагор и его последователи приняли магию чисел. Мир основан на гармонии, учили они. Иначе говоря, между всеми явлениями природы должны существовать простые численные соотношения. Законам простых численных соотношений должно подчиняться и строение вселениой. В те времена считалось, что каждая планета прикреплена к твердой сфере, движущейся определенным образом вокруг Земли. Пифагор утверждал, что радиусы этих сфер находятся также в простых численных соотношениях. Эти соотношения получили название гармонии сфер.Ясно, что после построения гелиоцентрической системы само понятие небесных сфер, а следовательно, и всякие рассуждения о существующей между ними гармонии потеряли смысл. Однако вопрос о гармонии сфер получил неожиданное продолжение. В 1766 году некто И. Тициус занимался переводом с французского языка на немецкий книги знаменитого философа и естествоиспытателя Ш. Бонне «Созерцание природы». Между шестым и седьмым абзацами в главе четвертой первой части этой книги И. Тициус включил дополнительный текст:«Если обратить внимание на расстояния между соседними орбитами планет, то можно заметить, что эти расстояния увеличиваются почти пропорционально радиусам самих орбит. Если принять расстояние Сатурна от Солнца за 100 единиц, то Меркурий находится от Солнца на расстоянии 4 единиц, Земля 4 + 6 = 10 единиц, Марс 4+ 12= 16 единиц. Но при переходе от Марса к Юпитеру имеется отклонение от этой точности. После Марса такой прогрессии отвечает расстояние в 4 + 24 = 28 единиц, но на этом расстоянии мы не видим ни большой планеты, ни планетного спутника. Неужели создатель оставил это пространство пустым? Нив коем случае! Уверенно держу пари, что это место занимают еще не открытые спутники Марса; позвольте добавить, что Юпитер, возможно, также имеет спутников, которые еще не наблюдались. Далее мы открываем для себя положение Юпитера, отвечающее 4 + 48 = 52 единицам; Сатурн же находится на расстоянии 4 + 96 — = 100 единиц. Какое удивительное соотношение!»Трудно сказать, почему И. Тициус опубликовал эти соображения в столь скромной форме: не в виде самостоятельной статьи или хотя бы примечания к переводу книги Ш. Бонне. Определить авторство в данном случае мог только человек, сличающий французский и немецкий тексты. Естественно, что сначала никто не обратил внимания на закон Тициуса.Во втором издании перевода, вышедшем через шесть лет, И. Тициус поместил тот же самый текст уже в виде примечания переводчика. Как раз в это время И. Боде заканчивал подготовку второго издания своей книги «Руководство по изучению звездного неба». И. Боде обнаружил примечание И. Тициуса и был глубоко поражен согласием между этим законом и радиусами орбит известных в то время шести планет. И. Боде тотчас же уверовал в этот закон и включил его в текст своей книги в качестве примечания. Поскольку авторитет И. Бо-де как ученого был неизмеримо выше авторитета скромного переводчика И. Тициуса, закон получил название закона Боде и лишь в дальнейшем — закона Тициуса — Боде.
     
      СУДЬБА ЗАКОНА
     
      В начале закону Тициуса — Боде не придавали большого значения. Положение, однако, изменилось после того, как в 1781 году В. Гершель открыл «любопытный объект — либо туманную звезду, либо, возможно, комету», который при дальнейшем изучении он счел кометой, так как объект перемещался. Несколькими месяцами позже А. Лексель пришел к выводу, что объект, открытый В. Гершелем, является планетой, и опубликовал первые вычисления ее круговой орбиты. Планету назвали Ураном (название, кстати, предложил И. Боде). Каково же было удивление астрономов, когда оказалось, что среднее расстояние новой планеты от Солнца отклоняется от числа 196, предсказываемого законом Тициуса —- Боде, всего лишь на два процента. Закон Тициуса — Боде оказался в центре внимания: одно дело расположить в некотором порядке уже известные числа, а другое дело предсказать существование еще неизвестной планеты.Астрономы сразу обратили внимание на то, что согласно закону Тициуса — Боде между Марсом и Юпитером (если, конечно, этот закон справедлив) должна быть еще одна планета. Начались усиленные поиски, и вот в январе 1801 года Дж. Пиацци открыл объект, получивший название Цереры. Церера была первой среди множества мелких планет, составляющих так называемый пояс астероидов. Среднее расстояние от Цереры до Солнца оказалось равным 27,67, что очень хорошо согласовывалось со значением 28, отвечающим закону Тициуса— Боде. Затем была открыта малая планета Паллада, за ней последовали Юнона в 1804 году и Веста в 1807-м. Правда, среднее расстояние от Паллады до Солнца оказалось равным 26,70, что уже с большой натяжкой можно было согласовать с законом Тициуса — Боде. Объяснение не замедлило появиться. Цереру, Палладу, Юнону, Весту и другие открытые вслед за ними объекты было решено считать осколками ранее существовавшей и взорвавшейся по неизвестной причине большой планеты.Закон Тициуса — Боде переживал настоящий триумф. Шутка ли! Количество известных планет за столь небольшой промежуток времени увеличилось с шести до восьми (если, как уже говорилось, Цереру, Палладу, Юнону и Весту считать частями одной большой планеты), и обе новые планеты попали именно на те места, которые им предназначались законом Тициуса — Боде.Но продолжался этот триумф — увы! — недолго. Многочисленные наблюдения за поведением планеты Уран, а также за орбитами комет, в частности знаменитой кометы Галлея, с уверенностью говорили о том, что должна существовать по меньшей мере еще одна планета, расположенная за Ураном. Все попытки обнаружить эту планету там, где она должна быть согласно закону Тициуса — Боде, то есть на расстоянии 38,4 астрономической единицы от Солнца, не давали никакого результата. Такую планету несколько раз «находили», но тут же теряли. Кончилось тем, что Ж. Леверье, один из многих, кто проводил расчет, пользуясь в том числе и законом Тициуса — Боде, обратился к астроному И. Галле с личной просьбой поискать планету в определенном месте небосвода. В первую же ночь своих наблюдений 23 сентября 1846 года, И. Галле обнаружил планету почти в том самом месте, которое было предсказано.А вот все, что происходило дальше, нельзя назвать иначе, как иронией судьбы. Планета действительно была найдена и получила название Нептун, но, как показали расчеты, единственным параметром, согласующимся с вычислениями Ж- Леверье, оказалась ее истинная долгота на 1 января 1847 года. Для большой полуоси орбиты было получено значение 30,25 астрономической единицы, что уже ни с какими натяжками нельзя считать близким к величине 38,4, следующей из закона Тициуса— Боде. Окончательный удар по закону был нанесен после открытия в 1930 году планеты Плутон, среднее расстояние которой от Солнца составляет 39,5 астрономической единицы вместо 77,2, следующих из закона Тициуса — Боде.
     
      СПАСАТЕЛИ
     
      Ох, как не хотелось ученым отказываться от закона Тициуса — Боде! Особенно в начале XX века, когда появились первые результаты атомной физики. Подумать только! Атом не только по своему строению подобен солнечной системе, но и в том и в другом случае существуют законы (пусть различные), строго регламентирующие расстояния от центрального ядра до вращающихся вокруг него объектов. Последовали многочисленные попытки «спасти» закон Тициуса — Боде. Среди них заслуживает упоминания попытка М. Блэгг.В 1913 году мисс М. Блэгг составила математическую формулу, позволяющую вычислить средние расстояния от центрального небесного тела до вращающихся вокруг него других тел. Эта формула имеет лишь то общее с законом Тициуса — Боде, что она также представляет собой, правда, с известной натяжкой, геометрическую прогрессию. Знаменатель этой прогрессии не целый, кроме того, в формулу входят специальная поправочная функция и в общем случае четыре произвольные постоянные, также не целые величины. Формула проверялась для четырех систем: солнечной системы, а также систем спутников Юпитера, Сатурна и Урана. Совпадение получилось поистине великолепное, но — увы!,. Для каждой системы пришлось выбирать свои значения постоянных величин. Кроме того, формулу Блэгг в известном смысле постигла судьба первоначального закона Тициуса — Боде. Новые объекты по мере их открытия согласовывались с формулой значительно хуже, чем те, которые были известны к моменту создания формулы.Закон Тициуса — Боде и ныне продолжает будоражить умы астрономов и физиков. В последнее время их основные усилия направлены не столько на то, чтобы получать какую-то новую формулу, сколько на создание теории, из которой закон Тициуса — Боде вытекал бы естественным образом. Таких теорий предлагается в настоящее время три: электромагнитная, гравитационная и небулярная. Слова «электромагнитная» и «гравитационная» говорят сами за себя. Различные небулярные теории сводятся к изучению движения газовых туманностей с учетом гравитационных сил и внутреннего давления газа. Теорий много, но сказать что-нибудь определенное по поводу закона Тициуса — Боде мы пока не можем, хотя интерес к проблеме не убывает.
     
      ЗАКОН СУРОВ, НО ЭТО ЗАКОН
     
      «Закон суров, но это закон» — гласит древняя латинская пословица. Только что приведенный рассказ о приключениях закона Тициуса — Боде понадобился нам для того чтобы сформулировать один весьма важный для дальнейшего изложения вопрос: какими свойствами должно обладать некое утверждение, чтобы оно могло претендовать на звание физического закона или, иначе говоря, закона природы?Начнем с вопроса попроще: есть ли что-нибудь удивительное или даже попросту примечательное в том, что расстояния от Солнца до шести известных во времена И. Тициуса планет удовлетворяют, как это было обнаружено, некоторой математической формуле?Раздел математики, называемый теорией функции действительного переменного, учит нас, что всегда можно г конструировать функцию, проходящую через любое конечное число наперед заданных точек. Простейшей (в смысле способа получения) такой функцией является многочлен, порядок которого равен числу точек. Значит, какой бы совершенно случайный набор чисел мы ми взяли, всегда можно найти функцию, частными значениями которой оказались бы выбранные числа. Причем просим обратить внимание, что речь идет не о приближенных, а об абсолютно точных значениях чисел. Следовательно, мет ничего примечательного в том, что нашлась функция (в данном случае прогрессия), частными значениями которой оказались шесть данных чисел. Первоначальные восторги И. Тициуса оказываются явно неоправданными.Все сказанное в еще большей степени справедливо и для формулы М. Блэгг. У последовательного математика здесь могли бы возникнуть дополнительные соображения примерно такого рода. Для того чтобы заставить заданную функцию (необязательно многочлен) проходить через некоторое количество наперед заданных точек, вообще говоря, необходимо, чтобы эта функция зависела от такого же количества независимых постоянных, каково исходное число точек. Формула Блэгг зависит от четырех постоянных и удовлетворяется в случае солнечной системы для десяти точек (девять известных в настоящее время больших планет и пояс астероидов). Однако формула позволяет получить средние расстояния от Солнца до планет, хотя и с достаточно большой точностью, но все-таки приближенно.Для тех, кто любит рассуждать с математических позиций, мы можем прибавить, что функция, представляющая собой зависимость порядкового номера планеты от среднего расстояния ее от Солнца, — это весьма простая, так называемая монотонно возрастающая функция. Есть все основания предполагать, что если две монотонно возрастающие функции (имеется в виду истинная функция, выражающая зависимость среднего расстояния от Солнца от порядкового номера планеты, и функция Блэгг) совпадают в четырех точках, а именно этого добивалась мисс М. Блэгг, подбирая свои четыре постоянные, то они достаточно близки друг к другу на всем своем протяжении.Итак, нам остается еще раз повторить, что ни закон Тициуса — Боде, ни дальнейшие его модификации (в частности, формула Блэгг) абсолютно ничем не примечательны. С тем же успехом всегда можно найти математическую формулу, из которой можно было бы получить любой набор наперед заданных чисел.Следует оговориться, что все сказанное отнюдь не означает бесполезности усилий И. Тициуса, И. Боде и их последователей. Чтобы представить себе важность этих работ, приведем следующий пример. Для конструкторов самолетов и ракет, для пилотов, штурманов и многих других авиационных специалистов чрезвычайную важность представляют таблицы, описывающие зависимость таких параметров атмосферы, как давление, температура, плотность и тому подобных, например, от высоты. Таблицы эти весьма громоздкие, и поэтому огромную пользу приносят достаточно простые формулы, позволяющие вычислить, скажем, температуру воздуха на данной высоте. Но, конечно, никому не приходит в голову возводить эти формулы в ранг законов природы.Стоит, наверное, кратко сформулировать напрашивающийся вывод. Пусть имеется некоторый набор известных фактов и имеется утверждение (необязательно носящее количественный характер), из которого указанные факты следуют как частные случаи. Одного такого следования совершенно недостаточно, чтобы само утверждение можно было считать законом (природы), регламентирующим возникновение исходных фактов.Иное дело, когда некое утверждение позволяет предсказать факты, ранее неизвестные. Здесь положение резко меняется: нет никакой заслуги в том, чтобы построить функцию, проходящую, скажем, через двадцать любых наперед заданных точек. Но пройдет ли эта функция также и через двадцать первую точку, существование которой не было известно к моменту конструирования функции? Если такое произойдет, появляются все основания утверждать, что данная функция отражает некоторую внутреннюю закономерность, которой отвечает набор из двадцати одной точки.Именно поэтому серьезное внимание к закону Тициуса —- Боде было привлечено после того, как вновь открытая планета Уран оказалась именно там, где она должна была быть, следуя этому закону. Однако — увы! — на этом совпадения и кончились. Даже малые планеты: Цереру, Палладу и т. д. нельзя считать подтверждением закона Тициуса — Боде, поскольку предположение об их происхождении из одной большой планеты до сих пор всего лишь гипотеза. То же самое относится и к формуле Блэгг, поскольку при переходе от солнечной системы, например, к системе спутников Юпитера формулу пришлось «настраивать» заново.
     
      ЧТО НАДО, ЧТОБЫ БЫТЬ ЗАКОНОМ!
     
      Подведем итоги всему сказанному. Что же необходимо для того, чтобы некое утверждение могло претендовать на титул закона природы? Во-первых, все известные факты, относящиеся к некоторой системе, должны вытекать из этого утверждения как частные случаи (это требование, как говорят математики, необходимо, но недостаточно). Вторым важнейшим требованием является требование универсальности. Другими словами, частными случаями данного утверждения должны быть не только известные факты, но и вся совокупность фактов (известных и пока еще неизвестных), составляющих данную систему.История науки полна примерами краха различных физических теорий, не удовлетворивших второму требованию. Прекрасный пример приводится в книге известного венгерского математика Дж. Пойя «Математика и правдоподобные рассуждения». При поверхностном рассуждении, говорит Дж. Пойя, можно прийти к выводу, что все нечетные числа простые. Действительно, 1 — нечетное простое, 3 — нечетное простое, 5 — нечетное простое, 7 — нечетное простое. Может быть, достаточно? Хотите еще? 11 — нечетное простое, 13 — нечетное простое. Стоит, однако, дойти до 15 или вспомнить о пропущенном 9, как столь заманчивая теория разлетается в пух и прах.К утешению авторов подобных теорий можно сказать, правда, что во многих случаях именно подобные несовпадения служили толчком к появлению новых физических открытий.Наше рассмотрение было бы неполным, если бы мы не упомянули еще об одном требовании, сформулированном А. Эйнштейном. Чтобы физическая теория была верной, она должна обладать внутренним совершенством и внешним оправданием, говорил он. Внешнее оправдание — это как раз то, о чем говорилось до сих пор: соответствие системы всей без исключения совокупности фактов. А вот внутреннее совершенство? Внутреннее совершенство — это красота теории, которая чаще всего проявляется в ее простоте. С этой точки зрения закон Тициуса — Боде привлекал именно простотой. Но опять-таки никакая простота не поможет, если теория противоречит фактам.Наконец, самое последнее. И. Тициус был отнюдь не первым, кто после Пифагора увлекался гармонией сфер. Среди тех, кто занимался этим значительно раньше, следует упомянуть И. Кеплера и нашего знакомого Б. Паскаля. И тот и другой пытались обосновать гармонию сфер путем геометрических построений. В частности, по Паскалю, последовательность сфер, в которых лежат орбиты планет, можно получить, если брать сферы, описанные вокруг правильных многогранников, и каждую такую сферу, в свою очередь, рассматривать как вписанную в более сложный правильный многогранник. Эти законы также неверны, но с точки зрения внутреннего совершенства они, наверное, превосходят закон Тициуса — Боде, с которым мы прощаемся на сей раз уже навсегда.
     
      ЕЩЕ ОДНО ПРЕДСКАЗАНИЕ
     
      Мы привели здесь историю с законом Тициуса — Боде главным образом для того, чтобы показать, что далеко не всякая попытка подогнать математическое соотношение под известные экспериментальные данные заканчивалась неудачей. Лучшим примером тому может служить открытие М. Планка.В 90-х годах прошлого века возникла руководимая В. Оствальдом школа «энергетиков», которые провозгласили, что закон энергии является достаточной основой для того, чтобы вывести из него всю физику и химию. Критикуя В. Оствальда, В.И.Ленин писал: «Энергетическая физика есть источник новых идеалистических попыток мыслить движение без материи — по случаю разложения считавшихся дотоле неразложимыми частиц материи и открытия дотоле невиданных форм материального движения».Л. Больцман оказался вовлеченным в острую дискуссию с этой группой. М. Планк поддержал его в статье, вышедшей в 1896 году. В ней впервые обнаружился полемический дар М. Планка;В. Оствальд различал три вида энергии соответственно трем измерениям пространства: зависящую от расстояния, поверхностную и объемную. М. Планк ответил, что есть случаи, где не существует объемной, в смысле Оствальда, энергии, как, например, в случае идеального газа. Его энергия зависит лишь от температуры, а вовсе не от объема. Другим пунктом разногласия была несостоятельность энергетической школы в понимании второго закона термодинамики в формулировке Р. Клаузиуса. Они сравнивали поток энергии от более высокого уровня температуры к более низкому с падением груза, не принимая в расчет необратимость процесса. Эта искусственная аналогия была отвергнута М. Планком.Хотя принцип сохранения энергии был верен и для М. Планка являлся основным, он ясно понимал, что только одного этого принципа недостаточно для построения механики и что необходим значительно более универсальный принцип, такой, как принцип наименьшего действия. В термодинамике М. Планк защищал различие между обратимыми и необратимыми процессами, введенное Р. Клаузиусом. В автобиографии М. Планк жалуется, что в этом случае, как и во множестве других, он не добился успеха и не переубедил коллег с помощью доводов, которые представлялись ему хотя и теоретическими, но совершенно обоснованными. В действительности же поражение энергетической школе в конце концов нанесла атомистическая теория Л. Больцмана, которую в то время М. Планк не принимал безоговорочно.Исследования Л. Больцмана по кинетической теории газов провели его к введению некоторой величины Я, зависящей от распределения молекул по скоростям, которая, как он смог доказать, непрерывно уменьшалась со временем. Считая, что Я — это то же самое, что и энтропия — он дал кинетическое объяснение второго закона термодинамики: Эта атомистическая концепция необратимости произвела глубокое впечатление на физиков и стала общепринятой.М. Планк подчеркивает, что вначале он не только был безразличен, но иной раз даже сомневался в правильности статистического подхода Л. Больцмана. Причина в том, что М, Планк рассматривал закон возрастания энтропии как общий и свободный от ограничений, подобно закону сохранения энергии, в то время как в теории Больцмана этот закон выступал только как вероятностный: величина Я могла иной раз возрастать, а энтропия при этом — уменьшаться.Стоит обратить внимание, что Л. Больцман первоначально рассматривал именно информацию, не вводя, правда, такого понятия. Энтропия, по Болыщану, представляла собой всего лишь информацию, взятую с обратным знаком. Примечательно также, что М. Планк сразу выразил сомнение в вероятностном характере закона неубывания энтропии. Аналогичными сомнениями мы поделились с читателями в предыдущей главе.
     
      ПРОБЛЕМА ЧЕРНОГО ТЕЛА
     
      Вплотную занимаясь термодинамикой, М. Планк не мог не заинтересоваться так называемой проблемой черного тела. Собственно говоря, в те времена ученые и не видели здесь особой проблемы. Идеально черным телом тогда, как и сегодня, называют отверстие, ведущее в полость с идеально отражающими внутренними стенками. Всякая порция излучения, попадающая через отверстие в такую полость, испытывает многократные отражения от стенок и практически уже никогда не выходит наружу.Будучи заполненной нагретыми до определенной температуры телами, полость излучает. Нормально устанавливается равновесие между поглощением и излучением. М. -Планк показал, что равновесие устанавливается в течение времени, за которое все тела (заполняющие полость) приобретают одну и ту же температуру, и излучение по своим свойствам, включая спектральное распределение (количество энергии), приходящееся на данный интервал длин волн излучений, не зависит от тел, а только от температуры.Этот так называемый нормальный спектр является, следовательно, чем-то «абсолютным» и поэтому чрезвычайно привлекательным для М. Планка, философский склад ума которого стремился исследовать абсолютное.Все только что сказанное находилось в полном соответствии с тогдашними физическими представлениями. Единственная неприятность состояла в том, что- ученым никак не удавалось вывести математическую зависимость между длиной волны излучения, его энергией и температурой. Особого беспокойства ученые по этому поводу не испытывали, и все-таки это было неприятно. В конце прошлого века величественное здание физики представлялось достроенным до конца. Все известные к тому времени явления нашли свое объяснение в рамках теорий Ньютона, Максвелла и Больцмана. И отсутствие лишь математического описания столь простого, казалось бы, факта вносило своеобразный диссонанс.
     
      КОТОРЫй ИЗ ДВУХ!
     
      Основным описанием зависимости между энергией, частотой и температурой служил тогда так называемый закон Вина, устанавливающий экспоненциальную зависимость от некой величины, пропорциональной частоте, деленной на температуру. Но чем больше накапливалось экспериментальных данных, тем яснее становилось, что закон излучения Вина, хотя и вполне удовлетворительный для коротких волн и низких температур, не согласуется с экспериментальными данными для длинных волн и высоких температур.В то же время хорошее согласование с экспериментом именно в области длинных волн и высоких температур давал другой закон, так называемый закон Релея — Джинса, устанавливающий простую пропорциональную зависимость между количеством! энергии, приходящейся на данный частотный интервал, и температурой. Понятно, что два различных закона для одного и того же явления — это гораздо хуже, чем ни одного.Размышляя над проблемой излучения черного тела, М. Планк сразу понял, что исследовать надо равновесное состояние. А равновесное состояние достигается тогда, когда энтропия максимальна. Чтобы определить максимум, нужно дважды продифференцировать соответствующую зависимость. М. Планк и проделал это. Но поскольку существовало два закона, он опять-таки получил две различные формулы. Казалось бы, дело ничуть не двинулось вперед. Однако вот тут-то и проявилось то, что можно назвать гениальной интуицией ученого. Он просто взял и сложил обе формулы. Известный физик М. Борн писал по этому поводу:«Это сложение оказалось одной из наиболее важных и значительных интерполяций за всю историю физики; так обнаружилась почти сверхъестественная физическая интуиция Планка. Пятью годами позже все это стало заметно понятнее и интереснее, благодаря интерпретации Эйнштейна, данной в той же статье, в которой он связал закон Планка с фотоэффектом. Эйнштейн заметил, что величина, обратная второй производной энтропии по энергии, имеет простой физический смысл — это среднее квадратичное флюктуации энергии, а хорошо известно, что средние квадратичные флюктуации обладают свойством аддитивности, если они вызываются независимыми причинами. Этот аргумент был использован Эйнштейном для указания на независимое существование световых квантов».Свою формулу для излучений М. Планк доложил в Берлинском физическом обществе 19 октября 1900 года. Он рассказывал, что на следующее утро один из его коллег пришел к нему и сообщил, что в ночь после заседания он сравнил формулу Планка со своими измерениями и обнаружил всюду удовлетворительные результаты. Другие ученые, также занимавшиеся экспериментальными исследованиями излучения черного тела, О. Люммер и Н. Прингсгейм, вначале считали, что отклонения были, но вскоре обнаружили, что это вызвано ошибкой в расчете. Впоследствии было проведено много опытов для проверки формулы Планка, и их результаты доказали, что по мере улучшения методов измерения достигается все более полное совпадение теоретических и экспериментальных данных.
     
      ТАИНСТВЕННАЯ КОНСТАНТА
     
      Однако путь к получению формулы излучений был не так прост, как это кажется на первый взгляд. Вспомним, что М. Планк произвел свое знаменитое сложение формул для производных, точнее, для второй производной, от энтропии по энергии. Для того чтобы перейти от производных к самим величинам, необходимо выполнить операцию интегрирования. Вот и получилось, что интегралы расходятся, то есть дают бесконечные значения.Единственная возможность получить результат состояла в том, чтобы сделать предположение, что энергия изменяется не непрерывно, а скачками. Величина каждого такого скачка пропорциональна частоте излучения и некоторой постоянной величине.М. Планк вычислил эту величину и доложил о своих результатах в Немецком физическом обществе 14 декабря 1900 года. Таким образом, кроме хорошо известной постоянной Больцмана, появилась еще одна физическая константа, известная сегодня как постоянная Планка. М. Планк совершенно ясно сознавал важность своего открытия. Его сын Эрвин рассказывал: «Это было в 1900 году, когда Планк на прогулке в Грюневальде около Берлина сказал мне:— Сегодня я сделал столь же важное открытие, как и открытие Ньютона».Конечно, М. Планк никогда не говорил ничего подобного публично.Опять-таки вначале открытие М. Планка не вызвало особой сенсации. Ученые считали, что постоянная Планка, или, как ее иначе можно назвать, квант действия, должна лишь частично дополнить существующую классическую теорию. Сам М. Планк сообщал, как упорно пытался он ввести квант действия в систему классической теории, но безуспешно: «Эта величина (постоянная Планка) оказалась строптивой и сопротивлялась всем подобного рода попыткам. До тех пор, пока ее можно считать бесконечно малой, то есть при больших энергиях и продолжительных периодах, все было в полном порядке. Но в общем случае то там, то здесь возникала зияющая трещина, которая становилась тем более заметной, чем более быстрые колебания рассматривались. Провал всех попыток перекинуть мост через эту пропасть не оставил вскоре никаких сомнений в том, что квант действия играет фундаментальную роль в атомной физике и что с его появлением началась новая эпоха в физической науке, ибо в нем заложено нечто, до того времени неслыханное, что призвано радикально преобразить наше физическое мышление, построенное на понятии непрерывности всех причинных связей с. того времени, как Лейбниц и Ньютон создали исчисление бесконечно малых».В дальнейшем А. Эйнштейн показал, что кванты являются особенностью Не только теплового, но любого излучения, и привел экспериментальные и теоретические соображения в пользу корпускулярной интерпретации света.
     
      ПОСТОЯННАЯ ПЛАНКА И ИНФОРМАЦИЯ
     
      Покажем теперь, что все это длинное отступление имеет самое прямое отношение к информации. Для этого нужно вернуться назад, к материалу второй главы, и вспомнить, что в основу всех рассуждений, приведших нас сейчас к открытию М. Планка, было положено понятие статистического веса. Статистический вес, напомним, — это количество способов, которым может быть реализовано данное состояние данной физической системы. Применительно к бильярду мы понимали под состоянием лишь чисто геометрическое положение шаров в пределах правой или левой половины бильярдного стола. Затем мы оговорились, что, для того чтобы понятие состояния приобрело физический смысл, необходимо учитывать не только положение шаров (молекул), но и значение их энергии.И вот тут-то возникает трудность, о которой мы сознательно умолчали в предыдущих главах.Рассмотрим, например, состояние, характеризуемое тем, что в пределах левой половины бильярда расположены три шара и их суммарная энергия равна, скажем, 10 джоулям. Сколькими различными способами может быть реализовано такое состояние? Во второй главе было показано, что состояние «3 шара слева» может быть реализовано 560 различными способами. Но к этому следует добавить еще число способов, которыми можно разделить 10 джоулей между тремя шарами. Один такой способ, например, может быть: 3, 3,5 и 3,5. Другой способ: 3, 3,45 и 3,55. Наконец, еще способ: 3, 3,455 и 3,545 и т. д. Рассматривать энергию как непрерывно изменяющуюся величину — это все равно что считать возможными любые ее значения. Применительно к только что рассмотренному примеру это значит, что при подсчете числа способов необходимо учитывать числа с любым количеством десятичных цифр после запятой. Ясно, что полное количество способов оказывается при этом бесконечно большим. Энтропия, представляющая собой логарифм числа способов, также оказывается в этом случае бесконечно большой.Но мы знаем, что энтропия физической системы конечных размеров есть конечная величина, которая может быть выражена через другие физические величины, например, через энергию и температуру. Единственная возможность преодолеть подобное противоречие и сделать статистический вес конечной величиной — это предположить, что энергия изменяется не непрерывно, а скачками. То есть сделать то же самое, что сделал в свое время М. Планк.Пока еще мы считаем, что информация, содержащаяся в физической системе, представляет собой разность между максимально возможным и истинно существующим значениями энтропии. Следовательно, для информации должно быть справедливо все только что высказанное. Информация может переноситься лишь величинами, изменяющимися не непрерывно, а скачками.
     
      КВАНТЫ И СИМВОЛЫ
     
      К аналогичному выводу можно прийти, если рассуждать с позиций шенноновской теории информации. В шенноновской теории вводятся в рассмотрение так называемые сигналы, то есть физические величины, изменяющиеся определенным образом. Каждому значению такой физической величины ставится в соответствие некоторый символ. Символы представляют собой структурные единицы, из которых строятся сообщения. Мера Шеннона определяет среднее количество информации, приходящееся на один символ. Это среднее количество информации, в свою очередь, численно равно, по Шеннону, средней величине логарифма вероятности появления каждого данного символа, взятой с обратным знаком.Таким образом, отличие информации Шеннона от энтропии Больцмана (теперь мы это знаем) чисто формальное. Просто понятие «состояние физической системы» заменяется понятием «символ». Здесь, однако, скрываются соображения, имеющие самое существенное значение для круга вопросов, рассматриваемых в данной книге.До сих пор мы имели дело только с информацией, содержащейся в физической системе и способной, в частности, заставить физическую систему совершить мехакическую работу. Но независимо от того, какова природа информации и кто является приемником, потребителем этой информации, ясно, что получить информацию можно лишь взаимодействуя с некоторой физической системой. Это утверждение справедливо и для случая, когда приемником информации является человек, и для случая, когда потребителем информации является другая физическая система.В процессе передачи — приема информации в каждый данный момент времени мы фиксируем одно из состояний физической системы носителя информации и присваиваем этому состоянию значение символа. Например, красный свет светофора — это состояние физической системы «светофор», которому присваивается смысл символа «запрет». Буква, отпечатанная типографским способом на листе бумаги, — это тоже определенное состояние физической системы включающей в себя молекулы веществ, из которых состоит бумага, и молекулы веществ, из которых состоит краска. Каждая буква есть не что иное, как определенное геометрическое расположение молекул краски, что в принципе ничем не отличается от расположения бильярдных шаров на столе.Итак, единственная возможность получать и передавать информацию состоит в том, чтобы использовать физическую систему— посредник (такую систему называют также носителем), и каждому физическому состоянию носителя ставить в соответствие символ с определенным смыслом. Например, состоянию системы: бумага — краска, характеризуемому тем, что молекулы краски расположены вдоль эллипса, ставится в соответствие буква (символ) О. Но предположение о непрерывном изменении энергии или других физических величин, значения которых могут быть восприняты получателем, сразу приводит к возможности реализовать бесконечное число различных состояний такой системы, то есть бесконечное число символов. А отсюда следует, что физическая система может содержать и передавать бесконечное число информации за конечный интервал времени.Но любая теория, которая оперирует лишь с бесконечными величинами, совершенно бессмысленна. Поэтому, оставаясь в рамках теории Шеннона, мы вынуждены точно так же, как это сделал в свое время М. Планк, предположить, что любая величина, отдельные значения которой характеризуют состояние физической системы, может изменяться лишь скачками и, следовательно, в пределах конечного интервала принимать лишь конечное число возможных значений.Здесь следует сделать такое замечание. Мы пока не высказались по поводу универсальности и даже справедливости теории Шеннона. На данном этапе можно лишь предположить, что теория Шеннона, по всей вероятности, справедлива и удобна для описания информационных процессов в термодинамических, то есть массовых вырожденных системах. Оба свойства, массовость (большое количество составляющих элементов) и вырожденность (независимость от индивидуальности каждого элемента), имеют самое существенное значение.Однако уже на данном этапе рассмотрения мы неизбежно приходим к выводу, что главную роль в информационных процессах играет свойство различимости. Двум состояниям мы можем ставить в соответствие различные символы только в том случае, если они различимы, то есть имеется хотя бы принципиальная возможность выполнять последовательность действий, приводящую к установлению различия между этими состояниями. Соотношение неточностей Гейзенберга устанавливает, что отличить одно состояние от другого можно лишь в том случае, если характеризующие эти состояния значения отличаются друг от друга больше, чем на величину постоянной Планка, Следовательно, постоянная Планка играет в теории информации не меньшую роль, чем в других отраслях физики.
     
      ВНУТРИ АТОМА
     
      На странице 113 мы процитировали слова самого М. Планка, из которых следовало, что квантовая природа мира проявляется лишь тогда, когда изучаемые величины соизмеримы с постоянной Планка (сама постоянная Планка очень мала). С учетом этого обстоятельства естественно перейти к рассмотрению таких микрообъектов, как атомы и электроны. Начнем с электронов. Здесь мы сразу сталкиваемся с двумя принципиально различными случаями. Первый— это случай свободных электронов. Электрон можно считать свободным, если расстояния от него до других электронов, атомных ядер или каких-либо иных заряженных частиц настолько велики, что можно пренебречь электромагнитным взаимодействием. Интересно, что электрон может быть в свободном состоянии не только в вакууме, но и, например, в кристаллическом твердом теле. Здесь, правда, дело обстоит несколько иначе, подробнее мы рассмотрим этот вопрос ниже, а сейчас ограничимся лишь замечанием, что при определенных условиях поведение части электронов в кристаллическом твердом теле можно описывать так, как если бы это были свободные электроны.Множество свободных электронов составляет так называемый электронный газ. Электроны в электронном газе ведут себя почти точно так же, как молекулы в обычном газе, и для описания состояний электронного газа справедливы те же статистические законы. Применительно к электронному газу мы не можем сказать практически ничего нового.Другой случай — это когда электрон находится в атоме, точнее говоря, взаимодействует с атомным ядром и другими электронами атома или же находится в кристаллическом твердом теле и (это другой случай, противоположный рассмотренному выше) взаимодействует практически со всеми ядрами и большинством других электронов.Рассмотрим пока поведение электрона в атоме. Еще Н. Бором было показано, что в атоме электрон может принимать строго определенные состояния, каждое из которых характеризуется строго определенным значением энергии. Н. Бор первый установил, что для каждого данного состояния момент количества движения электрона отличается от возможных моментов количества движения в других состояниях на величину, кратную постоянной Планка.
     
      КАК СЕБЯ ЧУВСТВУЕТ АТОМ!
     
      Электрон в атоме может переходить из данного состояния в состояния, характеризуемые меньшими значениями энергии, при этом, как правило, испускается квант электромагнитного излучения. Или, наоборот, в состояния, характеризуемые более высокими значениями энергии, тогда переход осуществляется, как правило, после того, как атом подвергся какому-либо внешнему воздействию, например, он поглотил квант электромагнитного излучения или провзаимодействовал с другой какой-либо частицей.Если энергия одного из электронов в атоме больше некоторого нормального значения, принимаемого за энергию основного состояния, то такой атом называется возбужденным или, иначе, находящимся в возбужденном состоянии. Обычно возбужденное состояние атома не может существовать долго. Либо самостоятельно, либо опять-таки под воздействием какой-либо внешней причины такой атом переходит из возбужденного состояния в основное, излучая при этом один или несколько квантов.Мы столь подробно рассмотрели здесь, казалось бы, общеизвестные вещи для того, чтобы задать основной вопрос: можно ли говорить об энтропии атома?Начнем с простейшего атома — атома водорода. Он состоит из ядра, содержащего один-единственный протон, и одного-единственного электрона, который в каждый момент времени находится в одном из разрешенных для данного атома состояний. Часто говорят также, чтоэлектрон в атоме находится на данной орбите или в пределах данной оболочки. Современная физика убедительно показала, однако, что никаких электронных орбит в атоме нет и не может быть. Поэтому слова «орбита» или «оболочка», используются лишь по традиции и представляют собой синонимы выражений «состояние, характеризуемое данным значением энергии».Вернемся к атому водорода. Можно ли говорить, что электрон в атоме или сам атом характеризуется некоторым значением энтропии? На этот вопрос может быть дан лишь один определенный ответ. Энтропия есть логарифм статистического веса. А каждое состояние электрона в атоме, или, что то же самое, каждое состояние атома может быть реализовано единственным способом. Поэтому если даже говорить о статистическом весе данного состояния, то он всегда будет равен единице, а энтропия, соответственно, всегда будет равна нулю. То же самое справедливо и для более сложных атомов.Из того обстоятельства, что энтропия отдельного атома всегда равна нулю, можно сделать вывод, что атом — это в высокой степени информированная система. И это будет соответствовать реальности. Ведь каждый электрон в атоме в точности знает, какие состояния для него разрешены, а какие запрещены. Другой вопрос: откуда электрон знает о разрешенных и запрещённых состояниях? На этот вопрос мы также постараемся ответить, но несколько позже.
     
      ЗВЕЗДА ЭКРАНА
     
      Для того чтобы выяснить, какую роль играет информация в процессах, происходящих с отдельными электронами и электронными пучками, рассмотрим опыт, описание которого присутствует во всех учебниках физики. Сначала мы просто опишем сам опыт, а затем посмотрим, какие выводы можно сделать из его результатов.На верхнем рисунке показан прибор, состоящий из источника, создающего пучок электронов, летящих в одном направлении (так называемая электронная пушка), маски со щелью и экрана, на котором каждый попадающий электрон вызывает появление светящейся точки (сцинтилляция). На экране (см. нижний рисунок) вместо четкого изображения щели наблюдается светлая полоса с размытыми краями. Эта размытость, объясняемая дифракцией на краях щели, в свое время вызвала одну из самых бурных сенсаций в физике. Обнаружение дифракции электронов свидетельствовало в пользу их двойственной, корпускулярно-волновой природы, двойственности, которая до сих пор не перестает будоражить умы исследователей.
      Более сложная модификация того же прибора показана на следующем рисунке. Здесь все то же самое, но щелей в маске не одна, а две, и расположены они параллельно друг другу. Электроны проявляют здесь свою волновую природу, и электронные волны, прошедшие сквозь щели, складываются между собой по ту сторону маски. В результате на экране образуется явно выраженная интерференционная картина, представляющая собой чередование темных и светлых полос (рисунок 3). Кроме того, на рисунке (страница 4) показаны кривые, выражающие зависимость интенсивности свечения экрана от расстояния вдоль оси х, проведенной в направлении, перпендикулярном направлению черных и белых полос.
     
      ЧЕРЕЗ КАКУЮ ЩЕЛЬ ПРОШЕЛ ЭЛЕКТРОН!
     
      Со дня, когда подобный опыт был поставлен впервые, и до сих пор ученых интересует все тот же вопрос: можно ли узнать, через какую из двух щелей прошел этот самый единственный электрон?Поскольку в формулировке этого вопроса присутствует слово «узнать», мы также не можем остаться равнодушными. Усложним еще более конструкцию приора, снабдив его источником света, расположенным точно посередине между двумя щелями и двумя детекторами, способными регистрировать каждый отдельным фотон. Будем предполагать, что, если какой-либо электрон пролетит через верхнюю щель, летящий ему навстречу очередной фотон, излученный источником света, от разится от него и попадет в верхний детектор, которым и зарегистрирует его. Мы будем знать, что через верхнюю щель пролетел электрон. Наоборот, если электрон пролетит через нижнюю щель, отраженный от него фотон попадет в нижний детектор. Таким образом, по сигналам детекторов мы, казалось бы, можем точно знать, через какую именно щель пролетел электрон.К сожалению, на самом деле все обстоит не так просто. Многочисленные опыты, в частности, с конструированием различных микроскопов, неоспоримо свидетельствуют о следующем. Можно «увидеть» предмет в том и только в том случае, если, он «освещается» излучением, длина волны которого во всяком случае не больше, чем размеры предмета. При этом совершенно не важно, освещается ли предмет видимым светом, ультрафиолетовым излучением или потоком любых микрочастиц, имеющих, как мы совсем недавно имели возможность напомнить читателю, волновую природу. Не важно также и то, что имеется в виду под словом «увидеть»: увидеть глазом или зарегистрировать детектором.
      Наконец, уместно напомнить здесь, что Длина волны любого излучения обратно пропорциональна энергии его квантов: чем выше энергия, тем короче длина волны, причем в качестве коэффициента пропорциональности выступает все та же постоянная Планка. Отсюда следует, в частности, что определить, через какую щель пролетел электрон, можно лишь в том случае, если длина волны света меньше расстояния между щелями. А теперь самое главное!Предположим, что в нашем приборе (см. рисунок на странице 124) мы выбрали источник света с достаточно короткой длиной волны, уж во всяком случае, во много раз короче расстояния между щелями в маске.Включаем такой прибор — и увы! — убеждаемся в том, в чем уже неоднократно убеждались ученые как в результате экспериментальных исследований, так и в результате теоретического анализа: никакой интерференции! Вместо этого мы видим на экране одну световую полосу со слегка размытыми краями. Такая в точности полоса получается, если просто просуммировать светящиеся точки от попадания в экран электронов, прошедших через обе щели.Проделанный опыт однозначно свидетельствует: мы можем узнать, через какую щель прошел электрон, но тогда мы не получим интерференционной картины. Иными словами, электрон, о котором мы знаем, ведет себя принципиально иначе, чем электрон, о котором мы ничего не знаем.Будем теперь плавно увеличивать длину волны источника света. В тот момент, когда длина волны окажется сравнимой с расстоянием между щелями в маске, на экране восстановится интерференционная картина, однако теперь мы уже не сможем узнать, через какую щель прошел каждый данный электрон. Можно выбрать и такую длину волны, когда интерференционная картина уже начинает прорисовываться. Длина волны света еще достаточно мала, и мы можем приближенно судить о том, через какую щель прошел электрон, и при этом имеем частичную интерференционную картину. Кривая, показывающая зависимость интенсивности свечения экрана от расстояния вдоль оси к, — это кривая Б на рисунке 4.Повторяем еще раз: таковы результаты опыта, который мы проделали мысленно, а многие физики во всем мире проделывали и продолжают проделывать в настоящее время в натуре. Попробуем теперь их осмыслить. Похоже, что одно обстоятельство не должно вызывать сомнений. Количество информации, получаемое нами от электрона, зависит от длины волны источника света, которым мы освещаем электрон и щели. Здесь нужно указать на один очень важный факт. Результаты только что описанного опыта будут оставаться неизменными и в том случае, если убрать детекторы, сохранив лишь источник света.Этот факт свидетельствует в пользу того, что информация, о которой мы говорим, совершенно объективна. Ее необязательно получать, а достаточно иметь. принципиальную возможность ее получения. Количество этой информации зависит от длины волны источника света: чем короче длина световых волн, которыми мы «освещаем» электрон, тем точнее мы можем определить местоположение электрона, тем, соответственно, больше сведений (информации) мы принципиально можем о нем иметь.В. Гейзенберг сформулировал свой знаменитый принцип неточностей в 1927 году. В одной из статей, посвященных этому вопросу, он писал: «Если мы хотим уяснить, что следует понимать под словами «положение объекта», например электрона, необходимо указать определенные эксперименты, при помощи которых намереваются определить «положение электрона» и даже с какой угодно точностью. Например, мы освещаем электрон и рассматриваем его в микроскоп. При таком способе максимально достижимая точность определения положения в основном задается длиной волны используемого света. Но в принципе можно построить, например, гамма-лучевой микроскоп и с его помощью определить положение с желаемой точностью. Однако в этом измерении существенно побочное обстоятельство -эффект Комптона… В мгновение, когда определяется положение, иначе говоря, в мгновение, когда квант света отклоняется электроном, последний прерывно изменяет свой импульс. Это изменение тем сильнее, чем меньше длина волны используемого света, иначе говоря, чем выше точность определения положения. Поэтому в то мгновение, когда известно положение электрона, импульс может быть определен лишь с точностью до величин, соответствующих такому прерывному изменению; итак, чем точнее определяется положение, тем менее точно известен импульс, и наоборот».
     
      ЧТО ТАКОЕ ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА!
     
      Описанный опыт позволяет поставить вопрос: в каких единицах мы можем теперь измерять информацию?Вернемся еще раз к обсуждению того, что такое физическая величина. Мы говорили, что определить понятие физической величины — это значит задать способ се измерения. Способ должен быть таким, чтобы одна и та же измерительная процедура давала бы одно и то же значение физической величины, независимо от того, в каких условиях эти измерения проводятся.Описанный опыт позволяет поставить вопрос: в каких единицах мы можем теперь измерять информацию?Вернемся еще раз к обсуждению того, что такое физическая величина. Мы говорили, что определить понятие физической величины — это значит задать способ се измерения. Способ должен быть таким, чтобы одна и та же измерительная процедура давала бы одно и то же значение физической величины, независимо от того, в каких условиях эти измерения проводятся.Можно сказать и больше: измерение — это всегда сравнение с эталоном. Причем в подавляющем большинстве случаев эталон имеет другую природу, нежели измеряемая величина. Так, приводя пример с силой тока, мы говорили, что ток силой в один ампер — это такой ток, который, проходя через раствор азотнокислого серебра, в течение одной секунды выделяет 1,118 миллиграмма металлического серебра. В данном случае эталоном для сравнения явилась гиря в 0,001 миллиграмма. Однако по-прежнему должно быть справедливым утверждение, что ток силой в один ампер всегда и при любых условиях при прохождении через раствор азотнокислого серебра в течение одной секунды будет сопровождаться выделением одного и того же количества серебра1.Но ведь ясно и другое. Ток силой в один ампер совсем необязательно пропускать именно через раствор азотнокислого серебра. Можно выбрать раствор другого какого-либо вещества, и при этом все будет тем же самым с единственным исключением, что количество выделившегося на электроде вещества в общем случае будет уже другим. Наконец, можно пропускать ток не через раствор, а, как это делается в большинстве амперметров, через подвижную катушку, находящуюся в магнитном поле. Тогда в качестве эталона будет выступать величина угла поворота катушки.Сказанное приводит нас к выводу, что, определяя физическую величину, мы можем задавать различные способы измерения и получать, вообще говоря, различные численные значения. И для того чтобы данная величина могла претендовать на ранг физической величины, необходимо лишь, чтобы различные значения, получаемые в измерениях различными способами, оказывались связанными между собой соответствующими физическими законами. Это справедливо и для информации. Объективность понятия информации ни в коей степени не будет уменьшена, если мы предложим другой способ измерений и соответственно будем получать в результате этих измерений другие численные значения количества информации.
     
      КАРМАН ДЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ
     
      А теперь обратимся к рисунку на странице 123. Как уже говорилось, кривые на рисунке показывают зависимости интенсивности свечения экрана от расстояния вдоль оси х. Но интенсивность свечения экрана, в свою очередь, пропорциональна среднему количеству электронов, падающих на единицу площади поверхности экрана в единицу времени. Каждый электрон несет с собой определенное количество энергии, которое и затрачивается на возбуждение атомов экрана. Затем эти атомы возвращаются в основное состояние, излучая при этом квант света. Следовательно, можно считать, что наши кривые показывают также зависимость от расстояния вдоль оси х средней плотности энергии, сообщаемой экрану.Обратите внимание на часть рисунка, выделенную двумя горизонтальными линиями. Предположим; что мы наблюдаем за определенной областью экрана, ограниченной двумя линиями, перпендикулярными оси х. Можно считать, что в этой области экрана сделан специальный «карман», улавливающий электроны.При Одной и той же интенсивности исходного пучка электронов среднее количество электронов, падающих на выделенную область в единицу времени, или, что то же самое, среднее количество энергии, воспринимаемой «карманом», опять-таки в единицу времени, существенным образом зависит от того, имеем ли мы дело с кривой А или с кривой Б. (Напомним, что кривая А имеет место в том случае, когда мы ничего не знаем о местоположении электрона, а кривая Б — в том случае, когда местоположение электрона фиксируется с точностью до размеров щели.)Вот почему при описании опыта со щелями мы придавали такое большое значение тому, есть ли на экране интерференционная картина. Из сравнения кривых А и Б, которые получены при одной и той же интенсивности электронного пучка, мы не можем не прийти к выводу: количество электронов, попавших в «карман», зависит от того, имеем ли мы информацию о положении электрона или нет. При расположении «кармана», показанном на нашем рисунке, в него попадает больше электронов и, следовательно, больше энергии в случае, когда имеет место кривая Б, то есть когда мы принципиально можем располагать информацией о положении электрона.Можно так переместить «карман» вдоль оси х, что количество получаемой им энергии будет, наоборот, уменьшаться при увеличении количества информации о положении электрона. Но ясно одно: количество энергии, получаемой «карманом», зависит от того количества информации, которое мы принципиально можем получить о положении электрона. А коли так, значит, разность количеств энергии, получаемых «карманом» в случаях, характеризуемых кривыми А и Б на нашем рисунке, можно использовать как меру количества информации, которую принципиально можно получить и которой, следовательно, располагают сами электроны.Разность количеств энергии очень легко измерить, а можно поступить и еще проще. Можно заменить соответствующую область светящегося экрана металлической пластинкой, как показано на рисунке на странице 131. Тогда электроны, попадающие на металлическую пластинку, создадут в ее цепи электрический ток, причем сила этого тока будет попросту равна величине заряда одного электрона, умноженной на количество электронов, попадающих на пластинку в единицу времени. Силу тока можно измерять амперметром, а разность показаний амперметра и даст нам величину, пропорциональную количеству информации. На практике количество информации измеряют в битах. Один бит — это такое количество информации, которое получается при осуществлении выбора между двумя равными возможностями.
     
      НУ А ЭНТРОПИЯ!
     
      Нужно ли при подсчете или измерении количества информации вводить промежуточную величину— энтропию? Этот вопрос был поставлен нами раньше, и настала пора разобраться с ним до конца.Ясно, что применительно к такой системе, как атом, понятие статистического веса не имеет смысла и мы можем вводить понятие энтропии, определив его лишь как логарифм вероятности состояния. Следовательно, вопрос о целесообразности введения энтропии сводится к вопросу о целесообразности введения вероятностных описаний процессов.Надо сказать, что сами физики очень охотно пользуются понятием вероятности. Это происходит потому, что таким образом они получают возможность использовать в своей работе весьма простой и эффективный математический аппарат теории вероятностей. Профессионала физика интересует главным образом количественное описание явлений, а не объяснение, почему то или иное явление происходит. По словам М. Борна, «в классической физике логическая обработка какой-либо области лишь тогда признается законченной, когда она сведена к одной из глав «нормальной» математики». В частности, в учебниках по физике опыты с прохождением электронов через щели также описываются с привлечением понятия вероятности. Предлагаемые математические описания позволяют определить, вероятность для электрона .пройти через ту или иную щель. Давайте, однако, выясним для себя до конца, что это значит. Что означает утверждение, что в описанном выше опыте электрон проходит через верхнюю щель с вероятностью, например, 0,6, а через нижнюю — с вероятностью 0,4? Только то, что если источник испустит, например, миллиард электронов, то почти точно 600 миллионов из них (эта величина от раза к разу, вообще говоря, будет изменяться) пройдут через верхнюю щель, а 400 миллионов, соответственно, через нижнюю. Но мы установили, что интерференционная картина возникает при прохождении одного-единственного электрона. Все остальные электроны лишь увеличивают яркость свечения экрана, ничего не меняя по существу. Применительно же к одному электрону совершенно бессмысленно говорить о вероятности.И наконец, последнее. Привлекая понятие энтропии, мы должны привлекать одновременно связанное с этим понятием второе начало термодинамики. В то же время как раз для таких систем, как атом, совершенно не наблюдается тенденции к увеличению энтропии. Наоборот, если с атомами что и происходило за все время существования нашей вселенной, так это постепенное их усложнение начиная с «первичного взрыва». Усложнение — значит уменьшение энтропии.Удобнее всего определять количество информации той или иной системы непосредственно через тот эффект, который эта информация производит. Пока что во всех наших примерах таким эффектом было совершение механической работы или другие проявления энергии. Именно информация является объективной характеристикой явления. С позиций информации можно объяснить, почему данное явление происходит так, а не иначе. В случаях же, когда по тем или иным соображениям нас будет интересовать вероятностная характеристика явления, соответствующую вероятность можно вычислить на основе известного количества информации.Сказав эту фразу, мы проявили тем самым наше полное согласие с А. Эйнштейном в том, что случайность и вероятность как мера этой случайности есть всего лишь мера незнания, понимаемого в широком смысле.
     
      «УЧЕНЫЕ» ЭЛЕКТРОНЫ
     
      При желании можно было бы рассмотреть еще большое количество опытов с электронами, но уже ясно, о чем они свидетельствуют: электроны и другие элементарные частицы представляют собой физические объекты, обладающие высокой степенью информированности. Иными словами, качество энергии электрона очень высоко. Свою информацию электрон может использовать в процессе перехода атома из одного состояния в другое, в процессе взаимодействия с веществом, частным случаем которого является рассмотренный выше случай с прохождением через щели, в процессе взаимодействия с окружающим пространством и во многих других процессах.Мы еще столкнемся с некоторыми примерами использования информации электронов.Можно отнять у электрона часть информации, и тогда качество его энергии соответственно снизится. В частности, это проявится в том, что вместо четкой интерференционной картины мы увидим лишь одну световую полосу с размытыми краями. Переходя из возбужденного состояния в основное, электрон в атоме сам испустит квант электромагнитного излучения. Этот квант унесет с собой из электрона информацию о только что происшедшем там процессе. Тогда количество информации электрона уменьшится, и качество энергии электрона, а еще правильнее сказать, качество энергии атома, находящегося в основном состоянии, станет ниже, чем качество энергии атома, находящегося в возбужденном состоянии. Следовательно, атом, находящийся в основном состоянии, не способен совершить механическую работу по испусканию кванта излучения, он не способен также передать информацию.У читателя может возникнуть естественный вопрос: а не усложняем ли мы физическую картину явлений?Начиная с первых страниц книги мы последовательно проводим ту мысль (сейчас это стало достаточно ясным), что наиболее естественной мерой количества информации должна служить энергия. Но может быть, все гораздо проще? Может быть, никакой физической величины информации не существует, а все явления, которые мы рассматриваем здесь в качестве примеров, могут быть описаны в терминах одной лишь энергии?Ответ на такой вопрос может быть только отрицательным. Уже в термодинамических системах мы столкнулись с таким понятием, как статистический вес, не имеющим ничего общего с энергией. Физическая система может обладать определенным сколь угодно большим запасом энергии и в то же время быть неспособной совершить механическую работу, если ее статистический вес (энтропия) имеет максимальное значение, а информация, следовательно, равна нулю. С другой стороны, такая же точно физическая система, обладающая таким же точно запасом энергии, но находящаяся в состоянии с меньшим статистическим весом и, следовательно, располагающая запасом информации, способна совершить подчас достаточно большое количество механической работы.Тогда другой вопрос: может быть, для описания явлений достаточно лишь энтропии и энергии, и информация здесь ни при чем? Ведь предполагали же в свое время, что все физические, а заодно и химические законы можно вывести из первого и второго начал термодинамики!И снова ответ может быть лишь отрицательным. Энтропия, по определению, есть некоторая средняя характеристика, она не вскрывает деталей явления, а лишь учитывает суммарный эффект от множества таких деталей. А в том, что существенны именно детали, можно убедиться хотя бы на следующем простейшем рассуждении.В каждый момент времени любая физическая система находится в одном определенном состоянии. Грубо говоря, чтобы совершать (или не совершать) механическую работу, система (именно сама система, а не наблюдатель) должна знать, сколькими другими способами может быть реализовано то состояние, в котором она находится. Эта же мысль проявляется еще более выпукло применительно к электрону. Два колебания когерентны, когда они имеют одну и ту же частоту и одну и ту же фазу. Но это возможно, когда одно колебание «знает» частоту и фазу другого.На данном этапе рассуждений мы совершенно свободно применяем глагол «знать» к электронам и другим физическим объектам. И делаем это совершенно обоснованно.Все сказанное нами раньше приводит к неизбежному выводу, что информация суть независимая физическая величина и что у явлений окружающего нас мира есть такие черты, которые можно объяснить и описать лишь с привлечением понятия информации. Поэтому, говоря, что электрон «знает», мы считаем, что электрон обладает определенным запасом информации.
     
      НА ВЕНЕРЕ И НА ЗЕМЛЕ
     
      Вы сидите дома, уютно устроившись в кресле. Перед вами на экране телевизора панорама планеты Венера — самая настоящая. Автоматическая межпланетная станция, находясь в совершенно фантастических условиях, передает эту панораму на Землю. Если бы кто-нибудь в середине 30-х или даже 40-х годов нашего века нарисовал перед вами подобную картину, добавив при этом, что вы доживете до того дня, когда она станет реальностью, вы в лучшем случае сочли это шуткой. И вот одно из самых дерзких мечтаний человечества осуществилось.Конечно, трудно удержаться и не заметить, что основное назначение автоматических межпланетных станций «Венера», а также станций, исследующих сейчас окрестности Других планет солнечной системы, — это получение и передача на Землю различных видов информации. Более того, работа межпланетных станций вообще возможна постольку, поскольку они получают с Земли различные управляющие сигналы — опять-таки информацию. Но эта глава посвящена биологии, и мы вспомнили здесь о межпланетных станциях лишь потому, что не так давно осуществилось еще одно чудо, по своему значению не уступающее межпланетным перелетам, — человек научился выполнять хирургические операции на хромосомах, освоил так называемую генную инженерию.При окрашивании клеточного ядра на определенных стадиях деления в клетках крови человека, слюнных желез маленькой плодовой мухи дрозофилы, в делящихся клетках растений хорошо видны небольшие продолговатые тельца. Это хромосомы — носители наследственности и изменчивости организма. В хромосомах содержится генетическая информация, определяющая вид, свойства и функции сложнейшего организма. Число, форма и размеры хромосом строго постоянны для данного организма, хотя значительно меняются от вида к виду.У аскариды, например, всего две хромосомы, у папоротников — до 500, а у некоторых морских микроскопических животных — радиолярий — их число достигает 1600! Хромосомы всегда парные. Поэтому в каждой клетке организма содержится по две хромосомы каждого сорта. Так, среди 46 хромосом человека имеется по две хромосомы каждого из 23 сортов. Эти сходные, или, как их называют, гомологичные хромосомы, тождественны во всех отношениях — не только по величине и форме, но и по содержащимся в них наследственным единицам — генам. Одну из гомологичных хромосом ребенок получает от отца, другую — от матери.Образно выражаясь, гены подобны нанизанным на нитку бусам разной величины, формы и цвета. Но это не более чем сравнение. На самом деле гены — это участки хромосомы, обладающие определенной биохимической функцией и определяющие наследование одного или нескольких признаков, будь то цвет глаз или полос или предрасположенность к некоторым заболеваниям,Гены очень малы. Рассмотреть ген можно лишь с помощью электронного микроскопа при увеличении до 100 тысяч раз. Средняя длина одного гена имеет порядок двух микрометров.Так вот, биологи научились заменять одни гены в хромосомах другими. Более того, имеется принципиальная возможность сконструировать по своему желанию из отдельных генов целую хромосому. Это и есть то, что называют сейчас генной инженерией.
     
      ДВОЙНИК ФАРАОНА
     
      Сконструировать хромосому —это значит в дальнейшем создавать организмы с наперед заданными отличительными признаками. Профессор Калифорнийского университета Э. Карлсон считает, что в будущем окажется возможность создавать точные копии некоторых давно умерших людей. Для этого потребуется всего лишь синтезировать точную, копию набора хромосом, которые были во всех клетках людей минувших веков. Оригиналы хромосом можно выделить, к примеру, из мумий египетских фараонов. Правда, сегодня создание искусственного хромосомного набора еще не представляется возможным, но уже сейчас можно считать это вполне допустимой научной реальностью не столь отдаленного будущего.Итак, представим себе это будущее. Все хромосомы фараона нам известны и воссозданы, но не спешите радоваться — это пока еще не Тутанхамон. Следующая задача — создать из хромосом живого человека. Уже сегодня ученые при помощи особо тонких инструментов могут извлекать из клетки и вставлять в нее определенные структуры. Основываясь на таких работах, профессор Э. Карлсон представляет себе дальнейший процесс воскрешения фараона следующим образом. Искусственно синтезированное клеточное ядро, содержащее нужный набор хромосом, вводится вместо настоящего в яйцеклетку. После этого, по мнению Э. Карлсона, развитие должно будет идти нормальным путем: много кратное деление клетки, образование эмбриона и т. д. На свет появится младенец, повторяющий черты Тутанхамона.Если сегодня фантасты могут только мечтать о подобных превращениях, то ученые уже делают первые реальные шаги для осуществления в будущем этой идеи.
     
      КОРОЛЕВА НАУК
     
      Биологию, как в недалеком прошлом физику, можно назвать сегодня королевой наук. Во всем мире к ней проявляется большой интерес, и поэтому по биологи сейчас выходит огромное количество книг, в том числе и популярных. В этой главе мы лишены возможности дать даже самый поверхностный обзор тех проблем, которые считаются сегодня в биологии ведущими. Поэтому мы ограничимся несколькими примерами, возможно, сточки зрения биолога, не самыми важными, но такими, которые позволят нам выявить роль информации в живых организмах и попутно ответить на несколько «почему?».Всякий организм состоит из миллионов и миллионов отдельных клеток. Клетка, в свою очередь, состоит из оболочки, наполненной жидким веществом — цитоплазмой. В цитоплазме плавает ядро, а уже в ядре расположены хромосомы. Чем совершеннее организм, тем более дифференцированы его клетки. Например, мозговые клетки — нейроны — ни по своему строению, ни по функциям почти не напоминают красные кровяные шарики, каждый из которых также представляет собой клетку. Клетки печени, почек и других внутренних органов, слизистых оболочек, кожи — все это различные виды клеток, и все они в большой степени отличаются друг от друга. Но все клетки обладают одним общим свойством — в ядре каждой из них имеется полный набор хромосом. И при этом откуда бы ни была взята клетка, ее хромосомы полностью идентичны хромосомам всех других клеток данного организма.Исключение составляют половые клетки, в каждой из которых имеются лишь половинные наборы хромосом. При оплодотворении два половинных набора хромосом двух клеток сливаются и образуется клетка (яйцеклетка) с полным набором хромосом. Эта клетка начинает делиться, и постепенно из нее образуется новый организм. Именно процесс постепенного построения организма из одной-единственной клетки будет представлять для нас основной интерес, потому что здесь в наиболее полной степени проявляются информационные черты явления.
     
      ИЗ ОДНОЙ КЛЕТКИ
     
      Опишем еще один опыт. Ученые взяли оплодотворенную яйцеклетку мыши и заменили имеющийся там набор хромосом на другой, взятый из ядра клетки кожи другой мыши. Затем яйцеклетку поместили на место в матку первой мыши, где она нормально развивалась. В положенный срок родился мышонок, полностью тождественный той особи, из кожной клетки которой был взят набор хромосом.Таких опытов проводилось большое количество, и не только с мышами. Результаты их на сегодня с полной очевидностью доказывают: набор хромосом каждой клетки данного организма содержит полное, исчерпывающее описание всего организма. С этой точки зрения приведенный нами пример, касающийся возможности реконструкции какого-либо давно умершего лица, по существу, совсем не фантастичен.Итак, набор хромосом, имеющийся в любой клетке, содержит всю информацию, необходимую для того, чтобы можно было воссоздать другой, в точности такой же организм. Это доказано, но имеется другой вопрос, над решением которого биологи бьются давно и пока еще безуспешно.Развитие Организма из яйцеклетки совершается путем последовательных делений (митозов) исходной клетки на две, четыре, восемь, шестнадцать и т. д. новых клеток. Сам процесс деления представляет одну из интереснейших глав – современной биологии, и опять-таки мы не можем здесь уделить ему даже несколько строчек. Вопрос же, который нас интересует, состоит в следующем. Каждая новая клетка, возникшая после деления, имеет ядро, содержащее полный набор хромосом, в точности такой же, как у материнской яйцеклетки. Говоря нашими словами, каждая новая клетка содержит в точности такую же информацию, какую и ее породившие. Почему в таком случае, начиная с определенных стадий деления, получаются различные клетки, как уже отмечалось, весьма непохожие друг на друга?И второй вопрос, тесно связанный с первым: почему каждая новая клетка занимает в образующейся структуре каждый раз одно и то же строго определенное место?
     
      КЛЕТКА-ФОНАРИК
     
      В 1944 году вышла книга А. Гурвича «Теория биологического поля». А. Гурвич — биолог-исследователь с яркой и сложной творческой судьбой. Многолетние поиски физико-химических причин клеточного деления привели его к открытию митогенетического {то есть происходящего в момент деления клетки) излучения. Судьба этого замечательного открытия, сделанного в 1923 году, необычна. В свое время оно принесло автору мировую славу. Исследования в области митогенеза развернулись широким фронтом. Излучение живых систем было использовано как исключительно тонкое орудие анализа молекулярных перестоек в клетке. Но в дальнейшем это направление было забыто, и только в наши дни интерес к нему постепенно повышается.Процесс развития организма из яйцеклетки лучше всего разобрать на каком-либо конкретном примере. Наиболее удобный объект для эмбриологических исследований — морской еж. Его яйцеклетки нетрудно оплодотворить искусственно, и затем под микроскопом можно наблюдать весь ход развития зародыша. Круглая, прозрачная и на вид совершенно однородная яйцеклетка вскоре делится на две, четыре, восемь и более клеток, которые называются бластомерами. Бластомеры располагаются не как попало, а строго определенным образом. Величина разных бластомеров различна. Например, когда образовалось шестнадцать бластомеров, восемь из них, средних по размерам, располагаются в виде венца на верхнем полушарии зародыша. Ниже их располагаются четыре самых больших, а еще ниже — четыре самых маленьких (рисунок на странице 141).Это только первые проявления пространственных закономерностей развития. Позже, когда бластомеров становится больше, они раздвигаются и зародыш превращается в полый шар — бластоцисту. После этого начинаются основные процессы, определяющие специфическую форму зародыша. Продолжая размножаться, различные его клетки начинают смещаться друг относительно друга в различных направлениях.Почему же различные клетки двигаются в разных направлениях? Откуда клетка знает, куда и с какой скоростью ей смещаться? Как различные клетки согласовывают направление и относительную скорость своих движений? Все те же вопросы, которые возникают у нас и применительно к термодинамическим системам, и применительно к электронам в атоме, и, наконец, вот сейчас применительно к живой клетке.Чтобы ответить на эти вопросы, прежде всего надо, выяснить, вложена ли программа движения данной клетки или группы клеток внутрь ее или же программа определяется извне. Ответ можно получить экспериментальным путем, исходя из следующих простых соображений. Если вся программа поведения заключена внутри клетки, то последняя должна вести себя одинаковым образом вне зависимости от места в зародыше и вне зависимости от окружающих частей зародыша. Если же при изменении положения данной клетки в зародыше изменится и путь ее развития, значит, клетка управляется извне.На одной из самых ранних стадий развития зародыш состоит из двух совершенно одинаковых бластомеров (см. наш рисунок). При нормальном развитии из одного бластомера развивается точно половина зародыша. Что можно ожидать, если оба бластомера разъединить и заставить их развиваться изолированно? Получим ли мы из каждого половинку зародыша? Таков должен быть результат, если считать, что вся программа будущего поведения каждого бластомера заложена внутри его.Подобный опыт был поставлен впервые еще в 1892 году немецким эмбриологом Г. Дришем. Оказалось, что из разделенных бластомеров развиваются нормальные личинки, но вдвое меньших размеров.А. Гурвич начал с того, на чем остановился Г. Дриш. Он четко ограничил факторы, не связанные с управлением (стартовые) и непосредственно управляющие. Затем внимательно исследовал именно последние, использовав при этом ряд математических приемов. В результате пришел к следующей гипотезе: клеточные ядра являются источниками каких-то выходящих за их пределы направленных (векторных) факторов, которые регулируют движение всех находящихся поблизости клеток. Эти векторные факторы создают в пространстве вокруг клеточного ядра некоторое векторное поле. Если несколько клеточных ядер оказывается в тесном соседстве (как это обычно и бывает в зародыше), то их поля складываются по обычным правилам векторного сложения.С этой точки зрения формообразовательное воздействие «целого» на данную клетку зародыша рассматривается как действие на эту клетку суммарного вектора от всех расположенных не слишком далеко клеточных ядер. По мере удаления клеток их взаимодействие быстро ослабляется, поскольку интенсивность действия поля убывает обратно пропорционально квадрату расстояния.
     
      «ЧЕЛОВЕК-КРОЛИК»
     
      Описание эксперимента с зародышами морского ежа Мы позаимствовали из статьи Л. Белоусова, опубликованной в журнале «Наука и жизнь» (1967, № 3). Перед тем как высказать собственное мнение по этому поводу, мы приведем еще несколько фактов.Каким образом организм узнает, что пересаживаемая ему ткань имеет чужеродное происхождение? Почему он отвергает ее, даже если она могла бы его спасти? Какие механизмы нарушаются в клетке при раке? Все эти вопросы имел в виду доктор Гаррис из Оксфордского университета, ставя свой поразительный эксперимент. Вместе со своим коллегой доктором Уоткинсом он создал гибридные сочетания клеток, принадлежащих различным видам животных и человека. Ими созданы сочетания человек-мышь, человек-кролик и даже человек-курица.Метод Гарриса основан на одном медицинском наблюдении, сделанном сто лет назад. Именно тогда стало известно, что некоторые болезни, в частности вирусные, вызывают появление в организме клеток с несколькими ядрами. Объяснение этому нашлось недавно, лет десять назад. Вирус, оказавшийся в точке соприкосновения двух клеток, растворяет в этом месте оболочки клеток, их цитоплазмы сливаются. В результате получается одна клетка со смешанной цитоплазмой и двумя ядрами.В конце 1965 года Гаррис и Уоткинс сообщили в английском журнале «Нейчур» о полном успехе своего опыта. С помощью вируса гриппа они получили гибридную клетку человека и мыши. Позже им удалось так же успешно получить гибридные сочетания, сливая клетки человека с клетками кролика и курицы. А это уже означало, что возможности клеточной гибридизации не ограничиваются только млекопитающими — они простираются на весь тип позвоночных.Гибридная клетка обладает двумя ядрами, если она получена от соединения двух клеток, или несколькими, если было соединено несколько клеток. Как же теперь будут вести себя ее ядра? Будут ли они сосуществовать, сотрудничая или воевать друг с другом?Наблюдения показали, что оба ядра продолжают жить нормально. С помощью радиоактивных изотопов удалось проследить, что ядра продолжают вырабатывать РНК (рибонуклеиновую кислоту), управляющую синтезом белков цитоплазмы. Больше того, оба ядра проходят нормальный митоз. Если митоз обоих ядер гибридной клетки наступает одновременно, то результат получается особенно интересным. Каждый из хромосомных наборов человека сливается с одним из наборов кролика. Таким образом, двухъядерная гибридная клетка дает две дочерние клетки, каждая из которых снабжена лишь одним огромным ядром — получеловеческим, полукроличьим. С этого момента исследователи располагают настоящими гибридными клетками «человек-кролик», нормально обладающими лишь одним ядром и продолжающими расти и делиться на дочерние клетки-гибриды.Многочисленные опыты с пересадками органов, и не только с пересадками, однозначно доказали, что клетки организма умеют распознавать посторонние клетки. До сих пор не было точно известно, каким образом им удается это делать, где происходит процесс распознавания.Как показали опыты Гарриса, на уровне ядра и цитоплазмы прекрасно сосуществуют даже столь различные клетки, как клетки человека и кролика. Значит, распознавание происходит не внутри клетки, а на уровне клеточных оболочек. Именно оболочка узнает «чужака» и притом узнает его именно по оболочке.Гибридные клетки могут жить и делиться. Это значит, что цитоплазма кролика воспринимает сигналы, передаваемые хромосомами человека, а цитоплазма человека принимает информацию от хромосом кролика. Суть передаваемых сообщений сводится к записанному в генетическом коде синтезу белков. То, что хромосомы человека и кролика могут управлять этим синтезом совместно, подтвердило предположение исследователей: язык генетического кода является, по-видимому, универсальным. Как известно, в клетке постоянно идет взаимодействие между ядром и цитоплазмой. Конечно, роль ядра трудно переоценить. Именно оно управляет синтезом белков цитоплазмы. Но при этом оно учитывает потребности клетки, то есть управляет в зависимости от информации, поступающей от цитоплазмы.Механизм здесь примерно такой. Информация с гена переписывается на молекулу-посредник РНК. Затем по этой РНК строится белок. Все эти процессы происходят лишь в том случае, если присутствует специальный катализатор, названный РНК-полимеразой. Только при условии наличия в цитоплазме этого фермента происходит синтез белка. Каждая цепочка РНК-посредника начинается с РНК-полимеразы, примыкающей непосредственно к гену. Более того, клетка может не делиться в течение достаточно долгого времени. Сигнал на деление поступает опять-таки от цитоплазмы.Можно сказать, что цитоплазма непрерывно посылает в ядро бюллетени о своем здоровье. А ядро в ответ на это включает то тот, то другой синтез. Оксфордские опыты показывают, что язык цитоплазмы так же универсален, как и язык генетического кода.
     
      ОСТОРОЖНО — ХИМЕРЫ
     
      Какие еще возможности открывает метод гибридизации по Гаррису? В Гарвардском университете был проделан эксперимент по гибридизации клеток различных видов хомяка. Сливая раковые клетки с нормальными, обнаружили, что во всех случаях получившиеся гибриды теряли способность развиваться в раковую опухоль. Значит ли это, что нормальное состояние «доминирует» над раковым? Делать какие-либо выводы на основании одной серии исследований рано. Однако метод гибридизации, безусловно, открывает новые возможности для экспериментов по выяснению механизмов, вызывающих рак.В частности, с его помощью выяснено обстоятельство, по которому имелись разногласия. Вирусы, вызывающие рак, удавалось до сих пор выделить только у животных. У человека канцерогенные вирусы пока не найдены. Это, конечно, не значит, что их нет. Известно, что у животных вирус, заразив клетку, становится «невидимкой». Что с ним происходит? Исчезает ли он вовсе или остается латентным и невидимым?Здесь мнения ученых разделились. Метод Гарриса, по-видимому, решает этот спор. Гибридные клетки в данном эксперименте состояли из раковых клеток, в которых вирус не был обнаружен, и из нормальных клеток, очень чувствительных к этому вирусу. И в гибридных клетках вирус появился снова. Значит, он не исчезал. Он оставался замаскированным в раковых клетках. Стало быть, то, что вирус в раковых клетках не обнаруживается, совсем не означает, что этого вируса нет.
     
      САМЫЙ СОВЕРШЕННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
     
      Суммируя все сказанное, мы приходим к выводу, что живой организм — это физическая система, насыщенная информацией. На уровне клетки информация может быть представлена по меньшей мере с помощью трех носителей.Во-первых, хромосомы. Это постоянный и практически неизменяемый информационный фонд организма. О роли информации, заключенной в хромосомах, мы еще поговорим далее. Пока что ясно, что информация, записанная в хромосомах, представляет собой полную программу построения данного индивидуального организма, позволяющую последовательно воспроизвести его во всех подробностях. Там же записаны программы подобного воспроизводства.Во-вторых, цитоплазма. Именно в цитоплазме сосредоточена жизнедеятельность клетки. Цитоплазма осуществляет обмен с внешней средой, содержит запасы сырья, из которого на основании генетических программ строятся белки, и готовую продукцию. Состояние клетки в основном определяется состоянием цитоплазмы. Цитоплазма содержит информацию о состоянии клетки и передает ее ядру и оболочке.В-третьих, оболочка. Эта информация используется в основном во взаимных обменах между клетками. В частности, именно оболочка нервных клеток ответственна за передачу сигналов по нервным цепям. Об этом также еще будет сказано.Физическая система, насыщенная информацией, должна характеризоваться весьма высоким качеством энергии. Так оно и есть на самом деле. Достаточно указать, что мышцы человека и животных представляют собой на сегодня самый совершенный двигатель, обладающий наиболее высоким коэффициентом полезного действия и самой малой удельной массой, приходящейся на единицу производимой механической работы. Современные конструкторы всевозможных двигателей внутреннего сгорания, электрических и т. п. могут лишь мечтать о тех показателях, которые природа уже давно достигла в своих творениях. В организме человека энергия перерабатывается также в самую совершенную продукцию во вселенной — мысль.Все это достигается благодаря чрезвычайной сложности структур клеток живого организма. К слову сказать, клетки мышц представляют собой длинные волокна с одной оболочкой, одной цитоплазмой и большим количеством ядер, расположенных вдоль волокна. На примере внутриклеточных процессов очень удобно проследить роль информации в биологических системах.Химия знает три вида реакций: экзотермические, эндотермические и идущие в присутствии катализатора. Экзотермические реакции идут с выделением энергии. Обычно вещества очень охотно вступают в экзотермические реакции, и они происходят либо сами по себе, либо в результате слабого начального толчка, как, например, взрыв смеси кислорода с водородом. Реакция идет с выделением тепла, и поэтому образовавшееся в результате реакции вещество характеризуется несколько более низким качеством внутренней энергии по сравнению с исходными реагентами.Эндотермические реакции совершаются с поглощением тепла. Они могут проходить только в специальных условиях при наличии запаса энергии и путей передачи этой энергии к реагентам. Получающееся в результате таких реакций вещество характеризуется несколько более высоким качеством внутренней энергии и просто большим запасом энергии по сравнению с исходными реагентами.Реакции, идущие в присутствии катализатора, могут быть как экзотермическими, так и эндотермическими. Присутствие катализатора создает в пространстве, окружающем реагирующие компоненты, условия для прохождения реакции. Здесь важно заметить следующее. Как в реакциях, проходящих без катализатора, так и в реакциях, проходящих с катализатором, информация, на основании которой строится вещество — продукт реакции, — записана в самих молекулах или атомах реагентов. Например, конструкция молекулы воды, состоящей из одного атома кислорода и двух атомов водорода, определяется внешними так называемыми валентными электронами атомов кислорода и водорода. Этой информации довольно много, потому что, кроме количества атомов в молекуле, определяется также угол между прямыми, проходящими через ядра атомов водорода и ядро атома кислорода. Этот угол всегда составляет точно 104 угловых градуса и 31 минуту.Исследование процессов, происходящих в клетке, показывает, что существует также четвертый тип реакций. Это реакции, требующие для своего осуществления присутствия информации, хранящейся на специальном носителе. Типичным является процесс синтеза белка в клетке. Он сводится к следующему.Информация, записанная в молекуле ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), как уже отмечалось, в присутствии катализатора — РНК-полимеразы — Переписывается на другой носитель — молекулу РНК. Эта молекула РНК и участвует в процессе синтеза белковой молекулы из исходных продуктов, хранящихся в цитоплазме. При этом информация, записанная в молекуле РНК, в буквальном смысле этого слова указывает, какая очередная молекула какой аминокислоты (относительно простых органических химических соединений, из которых состоит РНК) должна подсоединяться в каждый данный момент времени к уже построенной заготовке.Все это заставляет нас задать вопрос: является ли информация в биологических системах той же самой информацией, с которой мы уже познакомились на примерах термодинамических и атомных систем, или же это какая-то особая биологическая информация, подчиняющаяся своим закономерностям? Этот вопрос в последние годы интересует как биологов, так и физиков
     
      ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ!
     
      Под этим названием в феврале 1943 года один из основоположников современной физики, профессор Дублинского института перспективных исследований Э. Шредингер, прочитал курс лекций, посвященных некоторым проблемам биологии. Впоследствии эти лекции были изданы отдельной книгой. Э. Шредингер утверждал, что физика и химия в их современном состоянии не могут полностью объяснить те явления в пространстве и времени, которые происходят внутри живого организма. С другой стороны, неизбежное умирание всякого живого организма может служить еще одним, подтверждением справедливости второго начала термодинамики.Другой физик, Ю. Вигнер, считал, что для любого физика по меньшей мере кажется чудом способность молекулярных структур воспроизводить самих себя. То обстоятельство, что информация, необходимая для самовоспроизведения, заложена в структурах, имеющих молекулярные размеры и удерживаемых в порядке только химическими связями, делает это, в сущности, физически неправдоподобным. Ю. Вигнер указывал, что сложный генетический код, особенно вследствие своих малых размеров, по необходимости должен непрерывно расстраиваться, так что, каким бы хорошим ни было начало, поддерживать его в порядке неограниченно долго представлялось бы невозможным. Поскольку молекулярная информация должна непрерывно искажаться, то буквально чудом надо считать то, что организмы в действительности столь успешно сохраняют постоянство вида, воспроизводя себе подобных.Ю. Вигнеру ответил профессор Гарвардского университета Дж. Уолд. К счастью для всех нас, сказал Дж. Уолд, такого чуда не происходит. Генетическая информация непрерывно искажается. Это лежит в основе процесса возникновения мутаций. Из-за него организм в точности не воспроизводит себя. Всякий из нас знает об этом на основании собственного опыта в отношении явления репродукции. Всегда появляются какие-нибудь различия, хотя и необязательно только по этой причине.Это не означает несовершенства в организации живых организмов. Напротив, благодаря этому они стали тем, чем являются сейчас. Абсолютно верно, что непрерывное появление генетической изменчивости является основой естественного отбора и, следовательно, эволюции. Существенно, что искажения генетического кода случайны, они, безусловно, непредсказуемы, так как происходят в мире молекулярных размеров, и, кроме того, связаны с поведением одиночных молекул.
     
      ЧЕЛОВЕК И ДРОЖЖИ
     
      Мы встречаем здесь в некотором смысле парадокс, так как, несмотря на генетические изменения у индивидуальных организмов, эволюция обладает фантастической консервативностью. Случайным изменениям, встречаемым в онтогенезе, то есть в истории особи, сопутствует исключительная стабильность в филогенезе, в истории вида. Консервативность выходит далеко за пределы того, что мы могли раньше вообразить.Известно, что молекула белка представляет собой цепь, состоящую из отдельных фрагментов-аминокислот. В настоящее время экспериментально подтверждено существование 25 видов аминокислот. Молекула одного белка отличается от молекулы другого как видами входящих в нее аминокислот, так и порядком, в котором они расположены. В клетке молекулы белков синтезируются на основе информации, поступающей от генов, которые, в свою очередь, состоят из фрагментов-нуклеотидов. Несколько нуклеотидов ответственны за выбор аминокислоты данного вида и размещение ее в данном месте цепи молекулы белка.Можно сравнить, например, аминокислотные последовательности в белках одного и того же типа у организмов разных видов. Оказывается, что а-цепь гемоглобина гориллы отличается от человеческой только одной аминокислотой из 146. Для синтеза последовательности из 146 аминокислот требуется специфическая последовательность из 3X146=438 нуклеотидов в соответствующем гене. Таким образом, между гориллой и человеком различие только в одном нуклеотиде из 438.Другая близкородственная группа белков — это цитохром С, один из ферментов клеточного дыхания. Он является одиночной цепью из 104 аминокислот, расположенных в строгой последовательности и, значит, синтезируется геном, имеющим 312 нуклеотидов. Между человеком и обезьяной макакой резус существует различие в одной аминокислоте из 104. Между человеком и лошадью — двенадцать различий, между человеком и цыпленком — четырнадцать, между человеком и тунцом — двадцать два, наконец, между человеком и дрожжевой клеткой — сорок три.Были времена говорит Дж. Уолд, сколько-то миллиардов лет тому назад, когда существовал общий предок дрожжей и человека. Некоторые его потомки пошли одним путем и постепенно стали дрожжами, некоторые другие следовали иной дорогой и постепенно стали человеком. Два пути ведут из того отдаленного прошлого, когда мы и дрожжи были одно, и за время этого двойного путешествия в гене, определяющем строение цитохрома С, произошли изменения всего в сорока трех нуклеотидах из 312.
     
      БИОЛОГИЧЕСКИЙ БИЛЬЯРД
     
      Вернемся к нашему вопросу о том, существует ли специальная биологическая информация? Чтобы с чего-то начать, зададим другой вопрос: чем отличается молекула белка от бильярдного стола?Самой главной характерной особенностью нашего бильярдного стола было то, что для каждого шара на нем не существовало никаких преимущественных положений. В молекуле белка, наоборот, каждый атом занимает относительно других атомов строго определенное, предназначенное именно для него положение. Можно ли говорить, что молекула белка представляет собой в этом смысле диаметральную противоположность бильярдному столу? Если шары идеально круглые и, как говорят, полностью изотропны, то есть обладают в точности одинаковыми свойствами в любом месте внутри шара и на его поверхности, то так оно и есть на самом деле.Однако стоит нам, например, намагнитить шары, и картина существенно меняется. Если, скажем, намагнитить шары так, чтобы каждый из них представлял собой двухполюсный магнит, то по прошествии относительно небольшого времени после первого удара они не только не разбегутся по всей поверхности стола, а, наоборот, создадут характерные фигуры, напоминающие движущиеся кольца.Мы говорили раньше, что случая, когда произвольно движущиеся шары снова соберутся в пирамидку, нужно ждать миллионы лет. Это справедливо опять-таки для идеально круглых однородных шаров. Если же шары намагнитить специальным, довольно сложным образом, то они начнут собираться в пирамидку значительно чаще. Правда, всякий раз, собравшись, опять будут расходиться, потому что общий запас кинетической энергии, по условию, остается неизменным.
      Молекула белка и представляет собой такое образование из намагниченных, или, можно иначе сказать, помеченных шаров. Из одного этого сопоставления становится совершенно ясно, что информация, управляющая строительством и поведением живого организма, — это та же самая хорошо знакомая нам информация, с которой мы впервые познакомились, перенумеровав бильярдные шары.Девяносто девять процентов частей живых организмов состоят всего из четырех естественных элементов: углерода, водорода, кислорода и азота. Одно из особых свойств углерода, кислорода и азота заключается в том, что радиусы связей и, следовательно, внутриатомные расстояния в молекулах почти равны для всех трех элементов так же, как и углы между связями. В результате цепи, образованные этими атомами, имеют почти одинаковую геометрию независимо от того, состоят ли они целиком из углерода или последний любым .образом перемешан с атомами кислорода и азота. Две такие цепи могут геометрически соответствовать друг другу при любой последовательности составляющих их атомов и при любом вновь возникающем изменении в их составе.Продолжая аналогию с бильярдом, можно сказать, что белковые заготовки — аминокислоты — напоминают бильярдные шары, намагниченные простейшим образом, так что каждый шар представляет собой двухполюсный магнит. Такие заготовки (как и шары) могут соединяться между собой любым произвольным образом. Дожидаться того, чтобы аминокислоты сами собой- объединились, скажем, в молекулу ДНК, это, в известном смысле, то же самое, что и дожидаться, чтобы произвольно движущиеся по поверхности бильярдные шары сами собой собрались в пирамидку. А они тем не менее собираются! Как же это происходит?
     
      ЕДИНСТВЕННОЕ ЧУДО
     
      Один из наиболее универсальных законов современной квантовой физики гласит: всякое возможное событие, то есть событие, не запрещенное законами сохранения, рано или поздно, но обязательно наступает. Это справедливо и для аминокислот. Соединяясь в самые произвольные сочетания и затем снова разъединяясь, они в конце концов должны соединиться в молекулу ДНК. И вот тут проявляется некое замечательное свойство, которое при желании можно даже считать чудом.Мало того, что молекула ДНК сама по себе оказывается весьма устойчивой, она еще поставляет информацию (отдает соответствующие распоряжения) в окружающую среду и благодаря этому воспроизводит сама себя и другие белковые молекулы. Что же касается информации, то это та самая, уже хорошо знакомая нам информация, действующая в термодинамических, атомных и любых других физических системах. Просто, когда этой информации накапливается достаточно много, совершается диалектический переход и материя приобретает новое качество — качество живого.Ну а как же быть со вторым началом термодинамики и его многочисленными следствиями? Читатель, наверное, давно уже подметил, что авторы не склонны считать второе начало термодинамики столь же всеобъемлющим законом природы, как, например, закон сохранения энергии. Второе начало термодинамики, безусловно, действует в массовых вырожденных системах, то есть системах, состоящих из очень большого количества неотличимых друг от друга элементов и таких, что каждое отличимое состояние в них может быть реализовано очень большим количеством способов. Однако по мере снятия вырождения справедливость второго начала, вообще говоря, становится сомнительной.Лучшим примером может служить хотя бы та же молекула воды. Как совсем недавно отмечалось, атомы водорода в ней расположены под строго определенным углом. Если считать, что этот угол не может быть известен с точностью большей, чем одна минута, то в молекуле воды каждый раз реализуется один способ из 10800 возможных. Молекула воды — достаточно информированная система. Во-первых, ее энтропия значительно ниже максимально возможной, то есть энтропии такой системы, в которой атомы водорода могут располагаться совершенно произвольным образом. И во-вторых, при этом нет никаких оснований считать, что по истечении сколь угодно большого промежутка времени молекулы воды как-либо изменятся, станут более беспорядочными. Все то же самое справедливо в еще большей степени для сложных молекул органических веществ.— Но организмы все-таки стареют и умирают! — скажете вы.Это верно. Но у нас, во всяком случае, нет достаточных оснований считать, что это из-за второго начала термодинамики. Живые организмы действительно подвержены процессу старения, причем большинство ученых сходятся сегодня на том, что процесс старения имеет своей причиной частичное разрушение генетических кодов за счет неизбежных мутаций. Но то, что приносит смерть и разрушение одному индивидууму, служит целям еще большего повышения устойчивости биологического вида в целом. Можно пойти и дальше. Отдельные биологические виды приходят на смену друг другу, непрерывно совершенствуясь, и это служит целям повышения устойчивости (как говорил Дж. Уолд, консервативности) биосферы в целом.По словам того же Дж. Уолда, появление размера и формы, переход от неопределенности ко все увеличивающемуся определенному порядку в материальной организации — это одна из сущностей исторического развития вселенной. Морфология — это непрерывно утолщающаяся нить, проходящая через всю иерархию рангов организации материи. И дело не в том, что вселенная имеет тенденцию к порядку. Как раз наоборот, она проявляет сильнейшую тенденцию к беспорядку, выраженную вторым законом термодинамики. Однако в мощном потоке, устремленном в направлении возрастающей неупорядоченности, создаются условия сохранения некоторой малой доли порядка и даже известного увеличения этой доли. Здесь нет нарушения второго закона. Это маленькая область порядка образует едва различимый водоворот в общем ламинарном потоке к беспорядку, и за него (за этот водоворот) заплачено много раз и с избытком увеличением беспорядка в других областях вселенной.У нас есть все основания не согласиться с автором только что приведенного высказывания. Начнем с того, что второе начало термодинамики вообще справедливо лишь для замкнутых систем, ничем не обменивающихся с внешней средой. В то же время одним из самых характерных признаков живого организма являются процессы метаболизма, то есть процессы обмена с окружающей средой. Без метаболизма нет жизни. Поэтому физические системы, относящиеся к категориям живого, вообще не могут быть примерами ни в пользу, ни против справедливости второго начала.В процессе своей жизнедеятельности живые организмы потребляют энергию. Это и есть та цена, которой, по словам Дж. Уолда, заплачено за эволюцию. Более того, организмы потребляют энергию высокого качества и преобразуют ее в энергию самого низкого качества — тепло. Значит ли это, что жизнедеятельность организма сопровождается общим понижением качества энергии, то есть опять-таки повышением энтропии?Это может быть справедливо для отдельных участков вселенной, которые не изолированы, а значит, не обязаны подчиняться второму началу. Более того, у нас есть все основания полагать, что живые организмы в их высшей форме — организмы мыслящие — способны соответствующим образом организовывать потоки энергии в своей среде обитания, то есть повышать качество энергии (увеличивать информацию) и тем самым понижать энтропию системы.Последний возможный аргумент в этом рассуждении сводится к тому, что возрастает энтропия во всей вселенной и наличие биосфер в отдельных, локальных ее участках ускоряет этот процесс. Все, что можно ответить здесь, — это то, что лишь на самом примитивном уровне рассуждений можно присваивать вселенной в целом свойства, характерные для отдельных, локальных ее участков. Достаточно сказать, что если справедлива упомянутая нами раньше теория А. Фридмана и если за переживаемым нами сейчас периодом разбегания галактик последует период их сближения, то любые рассуждения о тепловой смерти вселенной теряют всякий смысл.Возвращаясь, однако, к нашей теме, мы можем сказать, что живое есть продукт совместного действия энергии и информации, причем в процессе творения живой материи одно не может заменить другое. Энергия не может заменить информацию, и наоборот. Следовательно, рассмотрение биологических систем еще раз подтверждает наш основной тезис о том, что информация есть независимая и универсальная физическая величина.
     
      ЕСТЬ ЛИ ПОЛЕ?
     
      Имеет смысл задержать внимание читателя еще на одном обстоятельстве. Мы говорили, что согласно теории А. Гурвича, кроме трех носителей информации в клетке — хромосом, цитоплазмы и оболочки, — существует еще четвертый носитель — поле, которое А. Гурвич поспешил окрестить биологическим. Тому положению, которое сейчас занимает биология среди прочих наук, она во многом обязана широко развившемуся в последние годы использованию математических методов, а также методов смежных наук — физики и физической химии. К сожалению, мы констатируем, однако, что специалисты-биологи еще не достигли столь полного слияния биологического мышления с математическим и физическим, какое можно наблюдать, например, у представителей различных инженерных специальностей.Одно из следствий этого состоит, в частности, в том, что самые простые физические явления, если только они происходят в биологических системах, сразу получают приставку «био». Мы только и слышим, что о биотоках, биопотенциалах, биополях и т. п. Дело, конечно, не в названии, но, с другой стороны, стоит назвать обычный электрический ток биотоком, как сразу же возникает мысль, что биоток (зачем-то ведь он получил приставку «био») по сравнению с обычным электрическим током обладает еще какими-то дополнительными, сугубо биологическими свойствами. А отсюда один шаг и до всякого рода шарлатанств вроде «видения» пальцами.Магистральный путь развития биологии как раз и направлен в сторону объяснения практически всех биологических явлений с позиций нормальных физики и химии. В частности, биотоки и биопотенциалы возникают в организме в результате обычных химических явлений в электролитах, разделенных клеточными оболочками — мембранами, таких же точно, как те, что происходят в некоторых видах электрических батарей и аккумуляторов. Приставка «био» здесь не вносит ничего нового.Попробуем с этих позиций рассмотреть вопрос о клеточных биополях. Во-первых, еще несколько фактов. По наблюдениям польского ученого Тарковского, если из двух клеток зародыша мыши оставить одну, то такой зародыш развивается нормально. До середины беременности он вдвое меньше обычного, затем внезапно наступает период резкого роста, и к моменту рождения он неотличим от любого другого новорожденного мышонка.Можно пойти дальше, то есть разрушить у четырехклеточного зародыша три из четырех клеток или взять восьмиклеточный зародыш и разрушить у него семь клеток и проследить далее судьбу одной клетки, оставшейся живой. Биологи Мур, Эдамс и Роусон получили нормальных плодовитых кроликов из одиночных клеток, оставшихся от двух, четырех или восьмиклеточных эмбрионов, пересаженных затем в матку крольчихи — приемной матери.Эти данные, казалось бы, свидетельствуют о том, что, во всяком случае, на стадии восьмиклеточного зародыша все клетки полностью равноправны независимо от занимаемого ими места. Но существуют и другие факты. У млекопитающих наиболее раннее проявление дифференцировки клеток явственно обнаруживается еще на стадии, когда зародыш представляет собой шар (бластоцисту). Уже на этой ранней стадии развития есть два типа клеток: более мелкие округлые клетки, расположенные внутри бластоцисты, из которых в дальнейшем образуется тело зародыша, и крупные уплощенные клетки, окружающие бластоцисту по поверхности, из которых развиваются плацента и оболочки зародыша.Тарковский и его сотрудники провели интересный опыт. Если только одной из клеток двухклеточного мышиного зародыша дать возможность развиваться, то она обычно образует типичную бластоцисту с нормальной дифференцировкой на внутренние и наружные клетки. Но если выделить одну клетку из четырехклеточного зародыша, то иногда внутренние клетки вообще не развиваются и вместо бластоцисты образуются полые шары, состоящие только из наружных клеток, которые не могут продолжать дальнейшее развитие. То же самое наблюдается (только еще чаще, в 80 процентах случаев), если культивировать одну клетку, изолированную из восьмиклеточного зародыша мыши. Эти факты свидетельствуют об обратном. Получается, что уже на четырехклеточной стадии клетки определенным образом дифференцированы. Правда, весьма существенное значение имеет здесь слово «иногда».Наиболее правдоподобным представляется следующее объяснение. Мы знаем, что хромосомы клеточного ядра содержат полную программу создания будущего организма во всех его деталях. Только что рассмотренные факты заставляют нас пойти дальше и предположить, что на хромосомах записаны отдельные подпрограммы, каждая из которых описывает развитие данной зародышевой клетки в одну из окончательных форм, то есть в нервную клетку, клетку кожи, клетку печени и т. д.Повторяем, каждая клетка зародыша, равно как и каждая уже специализированная клетка организма, содержит полный комплект таких подпрограмм.Та или иная подпрограмма включается в зависимости от внешних условий, а еще конкретнее — в зависимости от сигналов, поступающих в ядро от цитоплазмы и оболочки. Естественнее всего предположить, хотя стопроцентной уверенности в этом нет, что эти сигналы, как и прочие сигналы, включающие те или иные подпрограммы, имеют природу ферментов, то есть химическую. К слову сказать, включение различных подпрограмм в зависимости от внешних условий — это типичный прием, используемый программистами ЭВМ.Два процесса протекают одновременно. В зависимости от положения, занятого клеткой в бластоцисте, включается та или иная подпрограмма, а наличие той или иной работающей подпрограммы определяет места, занимаемые в дальнейшем потомством этой клетки.Значит ли это, что мы полностью отвергаем участит биополя в процессе дифференцировки клеток?Нет, не значит. Жизнедеятельность клетки состоит из множества чрезвычайно сложных физико-химических процессов. Нет ничего необычного в том, что при протекании некоторых из этих процессов, связанных с раз личной перегруппировкой атомов в молекулах, отдельные атомы возбуждаются и, приходя затем в основное состояние, излучают фотоны. Более того, поскольку молекулы белков и тем более РНК и ДНК имеют сложную и строго определенную геометрию, нет ничего необычного в том, что эти фотоны могут иметь определенные преимущественные направления движения. Наконец, нет ничего необычного в том, что фотоны воспринимаются другими клетками и инициируют там процесс образования того или иного фермента или же непосредственно воздействуют на хромосомы. Мы ведь знаем, что влияние света на направление процессов, происходящих в клетках, — факт, весьма распространенный в биологии (образование хлорофилла у растений).Однако сумма накопленных в биологии фактов свидетельствует скорее всего о том, что если и существует такая фотонная связь между клетками, то она не является единственным фактором, а действует наряду с другими, например, такими, как непосредственный контакт оболочек двух клеток. И уж конечно, нет никаких оснований называть фотоны биологическими, а образуемое ими поле — биополем только по той причине, что эти фотоны испускаются атомами, входящими в состав молекул живой клетки.Вообще все процессы, происходящие в живом организме, суть обычные физико-химические процессы, и они могут быть описаны и объяснены с позиций основных законов физики и химии. Только такая позиция позволяет биологии развиться в современную точную пауку. Что же касается некоторых, казалось бы, необъяснимых фактов (главным из них является сам факт существования живых организмов!), то как раз информационная теория систем позволяет снять с них последние покроим тайны. Наоборот, продолжая настаивать на существовании каких-то сугубо биологических явлений и закономерностей, мы лишь удлиняем путь, ведущий к но знанию биологических систем.
     
      ЭНТРОПИЯ живого
     
      Заканчивая главу, посвященную информации в биологических системах, мы вправе задать вопрос: проливает ли все то, что мы узнали, какой-либо дополнительный свет на то, в каких единицах следует измерять количество информации?Каждая клетка и каждый живой организм — это физическая система, которая реализуется одним-единственным способом (система, состоящая из намагниченных и нумерованных шаров). Статистический вес такой системы равен единице, а энтропия нулю. Поэтому применительно к биологическим системам просто нельзя использовать в качестве меры количества информации статистический вес. Правда, если статистический вес, скажем, системы «человек» равен единице, то система «человечество» может быть реализована огромным числом различных способов. Число способов в данном случае равно числу возможных сочетаний из общего количества людей, населяющих Землю (не существует двух полностью одинаковых людей так же, как не существует двух полностью одинаковых клеток). Это огромное число. И все же оно исчезающе мало по сравнению с количеством способов, которым может быть реализовано некоторое состояние газа, занимающего сравнимый объем.Отсюда окончательный вывод: методы, основанные на статистическом весе, и вообще энтропийные методы не применимы для оценки количества информации в биологических системах. Такой вывод был подготовлен всем ходом наших рассуждений.Хуже другое. В биологических системах нельзя также использовать в качестве меры количества информации количество энергии или совершенной механической работы, поскольку даже применительно к клетке энергетические соотношения не являются основными, определяющими ее жизнедеятельность. В этой главе нам придется ограничиться таким малооптимистическим выводом.
     
      С БОЛЬШИМ ЗАПАСОМ
     
      Последний вопрос, который мы хотим рассмотреть в этой главе, это вопрос о надежности биологических систем. Современные наука и техника знают два пути увеличения надежности. Один из них предусматривает увеличение надежности системы за счет увеличения надежности составляющих ее элементов. Этот путь быстро теряет свое значение по мере увеличения сложности системы. Действительно, как бы ни мала была вероятность выхода из строя одного какого-либо элемента, вероятность выхода из строя системы быстро растет с увеличением числа элементов. Для организмов, состоящих из многих миллиардов отдельных клеток, такой путь явно непригоден.Второй путь, наиболее широко используемый в настоящее время, — это так называемое резервирование. В сложных системах рассматривают отдельно аппаратное и информационное резервирование.Наконец, еще один принцип из числа тех, на которых основывается теория надежности, состоит в том, что чем большую роль играет данная часть системы для работы всей системы, тем в большей степени она должна быть защищена от возможных вредных воздействий окружающей среды.В живых организмах широко используются все три метода повышения надежности. Метод аппаратного резервирования можно проиллюстрировать хотя бы примерами с зародышами, когда разрушение семи восьмых зародыша все-таки не приводит к изменениям конечного результата. То же самое справедливо применительно к взрослым организмам. Известно, что даже при очень больших кровопотерях организм человека продолжает функционировать. Кроме того, включаются в действие механизмы «саморемонта», достаточно быстро восстанавливающие нормальное количество крови.Однако самая большая избыточность — информационная. Мы уже не раз говорили, что организм содержит столько своих собственных чертежей, сколько в нем имеется клеток. Это позволяет, в частности, при местных поражениях тут же производить восстановление (заживление раны, например), не обращаясь при этом к некоему центральному архиву, как это наверняка имело бы место в системах технических.Наконец, очень явно просматривается в биологических системах защита главных хранилищ информации. Такими хранилищами являются хромосомы в клеточных ядрах. Вспомним теперь, что хромосомы сами не участвуют в процессах синтеза белка. Они участвуют лишь в создании собственных копий — молекул РНК. Эти копии затем уже используются в процессе синтеза. Если при взаимодействии с веществами цитоплазмы одна такая копия окажется разрушенной, соответствующая информация все равно сохранится в хромосоме.И еще одна весьма интересная деталь. Все клетки организма в процессе жизнедеятельности потребляют энергию. В технических системах, как правило, энергия поступает к системе в одном каком-либо месте и затем по специальным каналам распределяется между отдельными элементами. Следовательно, каналы передачи энергии также оказываются источниками отказов. Для радиотехнических систем и особенно систем, занимающихся переработкой информации (ЭВМ), большая доля отказов приходится как раз на неисправности цепей питания и помехи, распространяющиеся по этим цепям.В организме человека энергия передается общим кровотоком. При этом каждая клетка находится как бы в энергетической ванне — она окружена некоторым запасом энергии. Даже временная приостановка кровотока не приводит к немедленному прекращению функционирования клетки. Этому обстоятельству мы обязаны, в частности, возможностью реанимации в течение достаточно длительных промежутков времени после клинической смерти.
     
      КАСТРЮЛЯ
     
      Что общего между технической информационной системой и кастрюлей, стоящей на плите? Энтропия системы «комната плюс кастрюля» максимальна тогда, когда повсюду в комнате установится одна и та же температура. Нагревая кастрюлю, мы. тем самым создаем разность температур. При этом появляется возможность выполнения механической работы, энтропия системы оказывается меньше максимально возможной и, следовательно,, система «комната плюс кастрюля» получает некоторую порцию информации. Термодинамическим системам и, в частности, тепловым двигателям мы посвятили в нашей книге целую главу, и не было бы никакой нужды возвращаться к ним здесь, если бы не одно на первый взгляд незначительное обстоятельство. Мы знаем, что для приведения в действие теплового двигателя, неважно какого: паровой машины, турбины или двигателя внутреннего сгорания, — необходимо что-то нагреть. В тепловых двигателях это «что-то» называют рабочим веществом. Но совершенно такой же эффект будет получен, если мы не нагреем, а, наоборот, охладим рабочее вещество. Значит, чтобы тепловая энергия могла преобразоваться в энергию механическую или в другие более совершенные виды энергии, необходима разность температур. Именно разность. При этом совершенно неважно, чему равны уменьшаемое и вычитаемое.Если температура окружающей среды равна, к примеру, плюс 20 градусов и мы имеем возможность в некотором заданном объеме поддерживать температуру минус 50 градусов, то, воспользовавшись этим, можно построить паровую машину в точности такую же, как описанная во второй главе. Единственное отличие будет состоять в том, что вместо воды мы возьмем в качестве рабочего вещества какую-нибудь жидкость, кипящую при минус 10 градусах. Таких жидкостей, особенно среди органических веществ, можно найти сколько угодно.Нагреваясь до температуры окружающей среды, жидкость будет испаряться, перегретый пар под большим давлением будет поступать в цилиндр и совершать механическую работу. Отработавший пар следует теперь направить в холодильник, где он сконденсируется, снова превратится в жидкость и т. д. Количество произведенной таким образом работы будет пропорционально разности температур.С другой стороны, чтобы охладить некоторое количество вещества до температуры, меньшей температуры окружающей среды, необходимо затратить механическую работу или определенную порцию энергии другого, более совершенного вида. Все это представляет собой азы термодинамики и известно каждому из курса средней школы. По такому принципу работает любой домашний холодильник.И все же тот факт, что для охлаждения ниже температуры окружающей среды в той же степени требуется затрата энергии, как и для нагревания, менее обычен и поэтому часто забывается. В частности, все сказанное выше упорно игнорируют некоторые изобретатели так называемых тепловых насосов.
      ТЕПЛОВЫЕ НАСОСЫ
      Что такое тепловой насос? Его действие основано на хорошо известном в физике твердого тела эффекте Зеебека — Пельтье. Если нагревать область контакта двух различных металлов или полупроводников, возникает ЭДС, которая так и называется термо-ЭДС. Это явление было открыто немецким физиком Зеебеком еще в 1821 году и сейчас широко используется главным образом для создания различных измерителей температуры. Известно и обратное явление, открытое французским физиком Ж. Пельтье в 1&34 году. Если пропустить электрический ток через контакт двух различных металлов или полупроводников, то область контакта будет нагреваться или охлаждаться в зависимости от на правления тока.Можно, наконец, составить цепочку из чередующихся металлических (или полупроводниковых) стержней двух типов. Тогда при данном направлении тока, протекающего через цепочку, например, все четные спаи будут нагреваться, а все нечетные — охлаждаться. Поместив все нечетные спаи внутри теплоизолированной камеры, мы получим обычный холодильник. Воздух внутри камеры будет охлаждаться, пока не достигнет некоторой равновесной температуры, а контакты, расположенные вне камеры, будут нагреваться. Тепло от наружных контактов будет отводиться окружающим воздухом, и они тоже приобретут некоторую постоянную равновесную температуру. Полученная таким образом разность температур окажется пропорциональной мощности, затрачиваемой от источника тока, протекающего по цепочке стержней.Все это опять-таки общеизвестно. Более того, мощность, расходуемая подобным холодильником, будет в точности равна, например, мощности, расходуемой обычным холодильником с компрессором, если пренебречь некоторыми потерями, имеющими место при работе компрессора.Авторы тепловых насосов предлагают поступать так. Холодные контакты стержней вынести на улицу, где окружающий воздух имеет температуру, скажем,—10° С, а горячие контакты поместить в комнате. При пропускании тока горячие контакты будут нагреваться, а холодные охлаждаться. Поскольку в комнате расположены только горячие контакты, воздух в комнате будет нагреваться до тех пор, пока не установится равновесие.Все это пока совершенно правильно. Таким образом действительно можно нагреть комнату, причем количество затраченной электроэнергии будет в точности равно количеству, потребному для нагревания данного объема воздуха с помощью любого преобразователя. Это легко посчитать. Количество энергии, потребляемой от источника нагревателем, основанным на эффекте Пельтье, в единицу времени, равно произведению силы протекающего тока на сумму термо-ЭДС всех контактов (наряду с эффектом Пельтье, как и следует ожидать, здесь имеет место и эффект Зеебека).Сумма термо-ЭДС пропорциональна разности температур. При данной величине тока количество затраченной энергии пропорционально разности температур вне зависимости от того, помещаем ли мы горячие спаи в теплоизолированный объем (комнату) и таким образом нагреваем его (холодные спаи при этом поддерживаются при температуре окружающей среды) или, наоборот, помещаем холодные спаи в теплоизолированный объем (холодильную камеру), а горячие поддерживаем при температуре окружающей среды.
     
      ВЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ!
     
      Повторяем еще раз, все это азбука термодинамики, и мы тратим на это время только потому, что в последнее время в литературе начали проскальзывать следующие рассуждения. Представим еще раз цепочку стержней, холодные контакты которых расположены на улице, а горячие — в комнате. Авторы тепловых насосов рассуждают так. При протекании тока горячие контакты нагреваются, а холодные охлаждаются. Охлаждаясь, холодные контакты отнимают определенное количество тепла от окружающей среды. Это количество тепла «перекачивается» к горячим контактам, а от них — в комнату.Все это опять-таки верно, но при одном совершенно обязательном условии. Необходимо, чтобы количество затраченной при этом электрической энергии было бы в пределе равно, а на самом деле с учетом необратимости процессов больше количества перекачанного таким образом тепла. А вот в статье И. Когана «От чугунного радиатора до теплового насоса», помещенной в десятом номере журнала «Наука и жизнь» за 1973 год, написано следующее:«Энергетические затраты на «перекачку» тепла невелики. Расчеты показывают, что при температуре + 17° С в комнате и +7° С на улице на один киловатт-час электрической энергии можно получить почти 30 киловатт-часов тепла».Мы, правда, не знаем, что точно имел в виду И. Коган под словом «тепло», но если он имел в виду то же самое, что обычно понимается в термодинамике под словами «количество тепла», то получается совершенно изумительная картина. Даже с помощью «плохих» преобразователей 30 киловатт избыточного тепла можно преобразовать, скажем, в 2 киловатта электрической энергии. Из них один киловатт затрачивается на работу теплового насоса, а второй — на создание вечного движения. Описание вечного двигателя в 70-х годах нашего столетия, согласитесь, — это здорово!Ошибка этого и подобных ему рассуждений кроется в следующем. Представим себе две одинаковые комнаты и цепочку стрежней, расположенных так, что все холодные спаи помещены в одной комнате, а горячие — в другой. При прохождении тока одна комната будет нагреваться, а вторая — охлаждаться. Количество затрачен ной электрической энергии окажется в точности равным сумме энергии, необходимой на нагревание одной комнаты, и энергии, необходимой для охлаждения второй комнаты. Пусть, затратив определенное количество энергии, мы достигли равновесного состояния, характеризуемого, например, температурой 4-20° С в одной комнате и —20° С в другой. Теперь вместо второй комнаты вынесем холодные контакты на улицу. Пусть температура окружающего воздуха на улице равна —10° С и благо даря хорошему теплообмену температура холодных спаев поддерживается при той же температуре. Тогда при тех же затратах электрической энергии температура в комнате, где расположены горячие контакты, установится + 30° С (напомним, что количество энергии пропорционально разности температур).Такое кажущееся увеличение температуры и является причиной не только для рассуждений, подобных приведенному выше рассуждению И. Когана, но и для экспериментальных «подтверждений» теории тепловых насосов. Просто вынося холодные спаи на улицу, мы не затрачиваем дополнительной энергии на охлаждение холодной комнаты. Измерить же точно количество выделившегося тепла очень трудно из-за несовершенной теплоизоляции нагреваемых помещений.Мы должны твердо запомнить одно: электрические нагреватели и холодильники — это в принципе одно и то же. И в том и в другом случае, затрачивая одинаковое количество энергии, мы получаем одинаковую разность температур и, следовательно, одинаковое количество информации.В этой главе мы, кроме всего прочего, будем всякий раз подводить своеобразные итоги всему сказанному в книге. Поэтому, прощаясь сейчас не только с тепловыми насосами, но и вообще с термодинамическими системами, можно сказать следующее. Шенноновская мера количества информации справедлива для систем, рассматриваемых в классической физике, и, в частности, для термодинамических систем. В силу необратимости отдельных процессов в термодинамике количество информации, измеренное по Шеннону, всегда оказывается несколько меньше максимально возможного. Лишь в случае полной равновероятности микросостояний количество информации достигает максимума.
     
      СИСТЕМЫ СВЯЗИ
     
      Поскольку речь идет об информационных методах в технике, нельзя обойти молчанием системы связи, применительно к которым К. Шеннон и формулировал свои основы теории информации. Системы связи — это огромная область, даже беглый обзор которой требует самостоятельной книги. Поэтому здесь мы, по существу, коснемся лишь одного вопроса, наиболее важного для развиваемой нами точки зрения: как кодируются сообщения?Сейчас используют в основном электрические и радиотехнические (которые тоже можно считать частным случаем электрических) системы передачи данных на. расстояние. В этих системах информация, которую нужно передать, представляется переменными электрическими напряжениями — сигналами. Система связи строится таким образом, чтобы закон изменения напряжения во времени на приемном конце по возможности точно соответствовал такому же закону на передающем конце канала связи.Максимальная величина напряжения ограничивается энергетическими соображениями. Два различных значения напряжения различимы в том случае, если разность между ними больше, чем уровень шумов, который всегда присутствует в любом канале связи. Отсюда следует, что на приемном конце мы можем производить выбор лишь среди конечного (обычно не очень большого) количества значений электрического напряжения. Наиболее надежная связь получается в том случае, когда таких значений только два: либо оно есть — говорят, что в этом случае сигнал имеет значение единицы, либо его нет — сигнал имеет значение нуля. Такие двоичные посылки используются в телеграфии.Существуют ограничения и во времени. Благодаря особенностям каналов связи мы можем констатировать, что электрическое напряжение на приемном конце имеет данное значение только в том случае, если оно поддерживается в течение определенного промежутка времени. Переход от одного значения к другому также требует времени. Значит, за определенный промежуток времени мы можем передать по каналу связи (независимо от его природы) лишь конечное число значений напряжения или, как говорят связисты, посылок. Максимальное количество посылок, передаваемое в единицу времени, — это основная характеристика любого канала связи.Но передавать надо не посылки, а сообщения, имеющие смысл, например, последовательности букв русского или латинского алфавита. Поскольку количество букв в алфавите обычно оказывается больше, чем количество различимых значений напряжения, каждой букве ставится в соответствие несколько посылок, составляющих определенную комбинацию. Такой процесс установления соответствия между буквами или какими-либо другими символами и комбинациями электрических посылок называется кодированием.А теперь самое главное. Основная задача, решаемая при проектировании любого канала связи, состоит в том, каким образом передать в единицу времени наибольшее количество информации. Такая задача возникает по многим соображениям, в том числе и экономическим. Каждая секунда работы канала связи обходится в определенную сумму денег, поэтому чем больше информации мы передадим за эту секунду, тем дешевле будет стоить передача единицы информации. Аналогичным образом, затраты энергии в канале связи также пропорциональны времени ее функционирования. Поэтому чем больше информации будет передано в единицу времени, тем меньше будет стоить передача единицы информации и тем меньших энергетических затрат она потребует.Анализ современных языков показывает, что отдельные буквы в них встречаются с различной частотой. Например, в русском языке чаще всего встречается буква «а» и реже всего — буквы «ш» и «ъ». Ясно, что среднее количество букв, передаваемых по каналу связи в единицу времени, будет наибольшим, если чаще встречающиеся буквы кодировать комбинациями, состоящими из меньшего числа посылок, а реже встречающиеся буквы кодировать комбинациями, состоящими из большого числа посылок.Пусть, например, в некотором сообщении буква «е» встречается 20 раз, а буква «ш» 2 раза. Если каждой из этих букв поставить в соответствие, скажем, по три посылки, то общее количество посылок будет 66 и при скорости передачи 1000 посылок в секунду, за секунду можно передать примерно 333 буквы. Если же букве «е» ставить в соответствие одну посылку, а букве «ш» — четыре посылки, то общее количество посылок будет 28 и при той же скорости передачи за секунду можно будет передать 785 букв.Именно это соображение послужило отправной точкой для всей шенноновской теории информации. Говорят, что мера Шеннона — это среднее количество информации, приходящееся на один символ, в сообщениях, передаваемых по каналам связи.Давайте хорошенько подумаем, так ли это на самом деле. Предположим, что мы располагаем набором копий телеграмм, поступивших в какое-то телеграфное отделение в течение месяца. Можно ли на основании анализа этих телеграмм утверждать, что отдельные смысловые единицы (именно смысловые единицы — они-то и содержат информацию, а не символы) встречаются в телеграммах чаще, чем другие. Можно ли, например, считать, что слова «выезжаю встречайте» будут зарегистрированы чаще, чем, скажем, слово «поздравляю»?и да и нет. Во всяком случае, это зависит от даты, географического положения отделения связи и многих других факторов.При кодировании телеграфных сообщений, вообще говоря, учитывается относительная частота появления смысловых единиц. Примером могут служить бланки поздравительных телеграмм. Пользуясь таким бланком, фактически можно передавать по телеграфу лишь адрес и имя получателя, а также имя или имена отправителей. Сам текст уже заранее отпечатан на бланке, и передается лишь индекс бланка. Но количество поздравительных телеграмм по сравнению с общим их количеством относительно мало. Кроме того, количество поздравительных телеграмм, посылаемых в единицу времени, или их относительная частота, меняется от случая к случаю. Например, в предпраздничные дни она резко возрастает.Иное дело язык. Частота, с которой встречаются отдельные буквы в каждом языке, есть величина постоянная, представляющая собой характеристику данного языка и не зависящая от времени и других факторов. Вот и получается, что мера Шеннона — это характеристика языка, а не выражаемой средствами этого языка информации. Мера Шеннона показывает, какое среднее количество посылок должно быть затрачено для кодирования одной буквы, чтобы количество букв, передаваемым в единицу времени, оказалось максимальным. Само по себе это правильно, но из букв может быть составлено слово, не несущее информации.Задавая вопрос: является ли применительно к системам связи мера Шеннона мерой количества информации? — мы вынуждены ответить на него отрицательно. Повторяем: информация — это не сами символы (буквы), а то, что выражается средствами этих символов. Можно отметить здесь, что как раз только что рассмотренное свойство шенноновской меры и послужило основанием к тому, что, кроме такой меры количества информаций, стали предлагать другие меры для смысловой, или семантической, информации.
     
      МОРЗЕ И ДЕЛЬФИНЫ
     
      Интересно, что американский инженер и изобретатель С. Морзе, создавая свою азбуку задолго до появления теории Шеннона, исходил из тех же самых соображений. Известно, что азбука Морзе использует для кодирования символов алфавита два вида электрических посылок: короткую (точка) и длинную (тире). Каждая буква кодируется комбинацией из нескольких таких посылок. Так вот, для кодирования наиболее часто встречающихся символов, исходя из изложенных только что соображений, С. Морзе использовал самые короткие посылки. Например, буква «е», чаще всего встречающаяся в английском языке, кодируется одной-единетвенной точкой, в то время как для кодирования буквы «z» используются четыре посылки.В последние годы в нашей стране и за рубежом ведутся многочисленные исследования поведения дельфинов и других китообразных. Одна из распространенных гипотез, находящая все больше экспериментальных подтверждений, состоит в том, что дельфины обладают сложными средствами общения друг с другом. Язык дельфинов представляет собой свисты, меняющиеся по высоте тона. Согласно наиболее распространенной гипотезе отдельные сообщения могут представлять собой комбинации различных свистов.В результате длительных исследований языка дельфинов были выявлены отдельные характерные свисты и составлена таблица, где эти свисты расположены в порядке убывания частоты их появления в составе более сложных комбинаций. Мы не можем не удержаться, чтобы не привести здесь эту таблицу (рисунок на странице 178). При рассмотрении таблицы видно, что существует явно выраженная закономерность: чем чаще встречается свист, тем он проще, — совсем как в азбуке Морзе.И последний вопрос, касающийся систем связи, или, точнее, систем общения. Теория Шеннона показывает, что наибольшая эффективность любого канала связи может быть достигнута в том случае, когда все символы и вообще все единицы сообщений оказываются равновероятными. Почему же в таком случае эволюция, создавая языки общения, пошла не по самому эффективному пути? Ответ очень прост. Во внимание принимались соображения надежности.При непосредственном общении людей между собой так же, как и при передаче по каналам связи, сообщения искажаются шумами. Эти шумы могут иметь как внешнее происхождение, так и внутреннее (человек отвлекся и не воспринял какой-то фрагмент сообщения). Мы уже говорили, что средство повышения надежности информации — что-то повторить. Типичный пример — телеграмма: «выезжаем двадцатого, встречайте». Слово «встречайте» здесь, вообще говоря, лишнее. Получатель и сам знает, что ему делать. Однако слово «встречайте» страхует от возможной ошибки. Например, если будет получена телеграмма «въезжаем двадцатого, встречайте», то слово «встречайте» поможет понять, что в первом слове телеграммы допущена ошибка.Для возможности повторения нужны резервы. Таким резервом, в частности, является различная частота не только отдельных букв, но и их сочетаний. Именно благодаря этому мы, как правило, можем восстановить либо отдельное слово, либо целую фразу даже в таком случае, когда отдельные фрагменты оказались потерянными. Причем, что интересно, чем чаще встречается отдельная буква или сочетание букв, тем проще они восстанавливаются. Например, мы пишем «мосты», а произносим «маеты», и это никогда не вызывает никаких трудностей. Подобные характеристики языка используются, в частности, при дешифровке как сообщений на неизвестных языках, так и сообщений, специально зашифрованных в целях обеспечения секретности.
     
      СМОТРИМ НА ЛУНУ
     
      Еще одно мощное средство получения информации — радиолокация. Принцип действия радиолокатора очень прост. С помощью специальных антенн создается по возможности параллельный пучок радиоволн. Этот пучок точно так же, как и световой луч, распространяется по прямой до тех пор, пока не встречается с каким-либо препятствием. Препятствие частично поглощает радиоволны, а частично рассеивает их, то есть отражает в разные стороны. Та часть пучка, которая оказалась отраженной точно под углом 180 градусов, возвращается к месту передачи и может быть зарегистрирована радиоприемником. Таким образом регистрируется направление на цель, а по времени распространения сигнала до цели и обратно может быть определено и расстояние.На этом пути, однако, встречается одна очень серьезная трудность. С помощью существующих антенных систем не удается получить в точности параллельный пучок радиоволн — радиолуч. Хорошо, если угол расхождения луча не превышает одного градуса. А это означает, что на расстоянии, скажем, 100 километров радиолуч будет покрывать площадь примерно три квадратных километра. Если поперечное сечение цели имеет площадь порядка квадратных метров, то лишь одна миллионная часть энергии, заключенной в радиолуче,достигнет цели.Но это еще не все. Как уже говорилось, часть энергии поглотится целью, большая часть будет рассеяна в разные стороны. Наконец, энергия радиоволн поглощается атмосферой. В результате радиоприемника достигнет столь ничтожная доля переданной энергии, что приводить соответствующую цифру здесь даже не имеет смысла. Например, в опытах по радиолокации Луны (такие опыты проводятся сейчас довольно часто и имеют большое значение для целого ряда наук и прежде всего, конечно, астрономии) мощность сигнала, достигавшего приемной антенны, имела порядок 10-15 ватта. К этому надо добавить, что увеличение скоростей современных самолетов, а также появление ракет делает целесообразным обнаружение их лишь на весьма больших расстояниях.Из всего сказанного следует, что единственный способ обеспечить надежную работу радиолокационных систем состоит в том, чтобы увеличивать мощность передаваемых сигналов. Причем поскольку ослабление принимаемого сигнала по сравнению с переданным составляет миллионы миллионов раз, то и мощность передаваемых сигналов должна измеряться десятками и сотнями мегаватт. Создание передатчиков, непрерывно излучающих подобные мощности, представляет собой чрезвычайно сложную техническую задачу, не говоря уже о связанных с этим затратах энергии. И вот тут на помощь приходит одно очень простое соображение. Ведь для того, чтобы обнаружить самолет, находящийся в воздухе, совсем необязательно «освещать» его радиолучом непрерывно. Достаточно послать одну короткую «вспышку» радиоизлучения. Следующая такая вспышка понадобится лишь тогда, когда самолет существенно изменит свое положение.Пусть современный сверхзвуковой истребитель летит со скоростью 2000 километров в час. Чтобы сместиться на расстояние, равное собственной длине, то есть примерно на 20 метров, ему понадобится 0,036 секунды. Следовательно, чтобы постоянно знать о местоположении самолета с ошибкой, не превышающей 20 метров, достаточно посылать вспышки радиоизлучения не чаще, чем примерно двадцать восемь раз в секунду. В современных радиолокационных системах отдельные вспышки, или, как их принято называть, радиоимпульсы, обычно посылаются с частотой 50 раз в секунду. Что же касается длительности самой вспышки, то, очевидно, чем она короче, тем лучше. Поэтому длительность вспышек ограничивается лишь возможностями самих радиосистем. Относительно просто получить радиоимпульс, скажем, в одну десятимиллионную долю секунды. Вот и получается, что если мощность в радиоимпульсе будет иметь порядок 100 мегаватт, то средняя мощность за достаточно большой промежуток времени без учета КПД будет составлять всего 500 ватт.
     
      ЭНЕРГИЯ САМОГО ВЫСОКОГО КАЧЕСТВА
     
      Нобелевская премия по физике за 1964 год была присуждена советским ученым Н. Басову и А. Прохорову совместно с американским физиком Ч. Таунсом за открытие физических явлений, положенных в основу, создания технических устройств — лазеров. Авторы популярных статей и книг очень любят, говоря о лазерах, вспоминать роман А. Толстого «Гиперболоид инженера Гарина». В то же время между принципом действия лазера и гиперболоида инженера Гарина существует весьма отдаленная аналогия, касающаяся лишь конечного результата их работы. И с помощью лазера и с помощью гиперболоида можно получить световой луч с чрезвычайно малым, практически нулевым углом рас хождения. Но вот способы получения такого луча существенно различны.В гиперболоиде параллельный луч получался за счет отражения от поверхности специальной формы. Читатель, внимательно разобравшийся в четвертой главе книги А. Толстого, легко поймет, что построить подобный прибор принципиально невозможно. Атомы любого вещества находятся в непрерывном движении. Они колеблются относительно своих положений равновесия. Поэтому принципиально не может быть двух фотонов, отражающихся от сколь угодно гладкой поверхности под в точности одинаковыми углами. Все это говорится отнюдь не затем, чтобы преуменьшить заслугу А. Толстого, который проявил гениальное предвидение (опять предвидение!) и намного опередил свое время. Просто важно оттенить принцип действия лазера.Так как же действует лазер? Мы уже говорили, что атом, находящийся в возбужденном состоянии, рано или поздно возвращается в основное состояние и испускает при этом квант электромагнитного излучения. Переход в основное состояние может совершиться и сам по себе. Но известно также явление вынужденного излучения. Если поблизости от возбужденного атома пролетает фотон, характеризуемый данной энергией и, следовательно, данной частотой, и при этом разность энергий между возбужденным и основным состояниями атомов в точности равна энергии фотона, происходит то, что называется вынужденным излучением. Атом излучает фотон, имеющий в точности то же самое направление движения, ту же частоту и ту же фазу, что и пролетающий мимо него, то есть исходный фотон, вызвавший вынужденное излучение. Два фотона, исходный и испущенный, представляют собой две когерентных волны. Амплитуды этих волн складываются.Два образовавшихся таким образом фотона вызывают переход еще двух возбужденных атомов — фотонов становится четыре. После перехода еще четырех возбужденных атомов фотонов становится восемь, и так далее. Чем большее расстояние проходят фотоны в веществе, содержащем возбужденные атомы, тем больше эффективность результирующего светового луча.Таким образом, лазер представляет собой не что иное, как некоторое количество вещества (твердого или газообразного), содержащего большое количество возбужденных атомов. В отличие от широко распространенного мнения основная функция лазера — это функция усиления (а не создания, то есть генерирования) световых колебаний. Само слово «лазер» состоит из начальных букв английских слов «усиление света за счет вынужденного излучения». Поступает один фотон, а вылетает много.Чтобы удлинить путь, который проходит свет в веществе лазера, вещество (его обычно называют активным) помещают между двумя строго параллельными зеркалами. Свет испытывает многократное отражение и только после этого через небольшое отверстие в одном из зеркал выходит наружу. И, повторим здесь еще раз, фотоны излучаются в том же направлении, что и первоначальный. Поэтому сам собой получается идеально параллельный световой луч.Все это общеизвестно и описывалось сотни раз, в том числе и в популярных изданиях. Но мы даем здесь столь подробное описание, чтобы читатель мог самостоятельно подметить аналогию с тем, что говорилось в главе 4 (страница 126). Из всего только что сказанного следует, что лазер вырабатывает когерентное излучение, а когерентность, как мы это обнаружили в свое время, есть основное условие информативности.Если первоначальный фотон не поступает извне, рано или поздно один из атомов самопроизвольно переходит из возбужденного состояния в основное с излучением фотона. Правда, годится не всякий фотон, а лишь такой, направление движения которого строго перпендикулярно поверхности зеркал. Но и такой фотон рано или поздно будет получен, причем, если учесть астрономически большое число атомов даже в малых количествах вещества, долго ждать этого события не приходится. Поэтому, кроме функции усиления, лазер может выполнять также функцию создания, генерирования световых колебаний.Но на этом не исчерпываются функции лазера. Вспомним, что все фотоны, как первоначальный, так и полученные в результате вынужденного излучения, по определению, имеют строго одинаковую частоту. Поэтому лазер представляет собой источник строго одноцветного (монохроматического) света. Этим обусловливается ряд его применений, в частности применение в голографии, позволяющее создавать истинно объемное изображение предмета.И это еще не все. Если прекратить действие источника, вызывающего возбуждение атома (такое первоначальное возбуждение называют накачкой), то при многократных прохождениях светового луча все атомы очень быстро перейдут в основное состояние и излучение прекратится. Таким образом, лазер может работать в режиме импульсного излучателя. Причем здесь происходит то же самое, что и в случае радиолокатора. Можно в течение относительно долгого времени производить накачку от источника малой мощности. Когда энергии накопится достаточно (большое число атомов перейдет в возбужденное состояние), она быстро израсходуется на образование мощного светового импульса.Различные возможности применения лазеров неисчислимы. От инструмента, позволяющего хирургу совершать тончайшие операции на роговице глаза и на нервных волокнах, и кончая одним из самых грозных среди различных видов современного оружия. Нас же интересует следующее. Лазеры, а также родственные им технические устройства — мазеры, представляют собой в чистом виде информационные приборы. Каждый возбужденный атом узнает о направлении, частоте и фазе пролетающего мимо фотона и излучает фотон с точно таким же направлением, частотой и фазой. Энергия, вырабатываемая лазером, обладает самым высоким качеством среди всех известных на сегодня видов энергии.
     
      УПАКОВКА ЧАСТОТЫ
     
      Помните, мы рассказывали в четвертой главе, как М. Планк пришел к великому открытию, изучая, причем именно с энтропийных позиций, распределение энергии по различным длинам волн? Кроме отмеченных уже тенденций к равномерному распределению в пространстве и времени, энергия испытывает также тенденцию равномерно распределяться по частотному диапазону — недаром Солнце излучает белый свет. Так вот, с помощью лазера осуществляется концентрация энергии не только в пространстве и времени, но и в пределах чрезвычайно узкого частотного диапазона.Это последнее обстоятельство используется, в частности, для построения так называемых молекулярных часов. До самого последнего времени самыми точными часами в мире были-звезды. Любые, сколь угодно точные искусственно созданные, часы проверялись по звездам. Теперь, наоборот, пользуясь молекулярными часами, мы получили возможность проверять точность движения небесных тел. И не зря! Оказалось, что небесные «часы» не так уж точны, как представлялось нашим предкам.Молекулярные часы — это газовый мазер. Частота его, равная сотням миллиардов колебаний в секунду, делится во много раз, пока не получаются колебания с частотой одно колебание в секунду. Газовый, потому что в газе молекулы в минимальной степени влияют друг на друга, и это позволяет получить наименьшие отклонения частоты колебаний.Но опять-таки говорим мы все это здесь исключительно ради того, чтобы задать один вопрос: разве сведения о том, который сейчас час, не есть информация в самом широком понимании этого слова?
     
      ПОЛЕЗНЫЕ ПРИМЕСИ
     
      Среди всевозможных технических систем наибольшее отношение к нашей теме имеют, конечно, различные средства переработки информации и, в частности, ЭВМ. ЭВМ совместно с чрезвычайно широко развитыми методами сбора, хранения и переработки информации составляют то, что с полным основанием можно назвать информационной индустрией. Сочетание слов «искусственный интеллект» перестало быть достоянием фантастов и любителей экзотики в науке и служит просто для обозначения одной, совершенно конкретной отрасли промышленности (заодно, конечно, и науки). Но именно в силу этих особенностей ЭВМ и другие средства переработки информации описаны сейчас в огромном количестве публикаций, в том числе и популярных. Мы не станем здесь повторять общеизвестное. Коснемся одного вопроса, связанного с современной технологией средств переработки информации. Эта технология известна как технология интегральных схем вообще и, в частности, больших интегральных схем (БИС).Что же такое БИС? Всякая переработка информации осуществляется по программе точно так же, как синтезируются белки в живой клетке. Поэтому, чтобы построить устройство для переработки информации, необходимо решить две основные задачи: обеспечить средства для хранения программы, а заодно, и тех данных, которые подвергаются переработке, и построить собственно рабочую часть, которая под управлением со стороны программы будет выполнять отдельные операции над данными.И ту и другую задачу можно решать многими способами. В своем развитии техника переработки информации испробовала самые различные способы, начиная с электромагнитных реле, и в настоящее время почти окончательно остановилась на интегральных схемах, которые, в свою очередь, используют в работе свойства полупроводников.Полупроводниками называют весьма широкий класс материалов, которые по электропроводности занимают промежуточное место между изоляторами (совсем не проводят электрического тока) и проводниками (проводят электрический ток очень хорошо). Главное свойство полупроводников состоит в том, что их электропроводность сильно зависит от самых различных факторов и, в частности, от наличия примесей. Чистый полупроводник при комнатной температуре практически представляет собой изолятор. Однако достаточно добавить к нему определенную примесь в количестве, не превышающем, скажем, одной тысячной доли процента, электропроводность увеличивается в миллион и более раз.Одна тысячная доля процента! Сто лет назад техника просто не позволяла очистить вещество так, чтобы содержание любых примесей в нем имело подобный порядок. Теперь же одна тысячная доля процента — это содержание совершенно определенной примеси. Что же касается примесей вообще, которые всегда присутствуют в любом материале, то их содержание должно быть еще на несколько порядков ниже.Большинство известных полупроводников — кристаллические тела. Атомы в них расположены в строго определенных местах, в узлах так называемой кристаллической решетки. Добавляемые к полупроводнику примеси замещают в отдельных узлах атомы основного вещества, причем, как уже отмечалось, на сто тысяч атомов основного вещества может приходиться один атом примеси. Этого достаточно, чтобы в области, окружающей дополнительный атом, полупроводник резко изменил свои свойства.Представим себе теперь, что в толще кристалла полупроводника созданы отдельные области, содержащие примеси. Размеры каждой такой области могут иметь порядок долей микрометра. Представим себе также, что все эти области, взятые вместе, составляют сколь угодно сложный, но непрерывный узор — каждая область касается одной или нескольких соседних. Тогда электрический ток будет проходить в кристалле сложный путь от области к области. Читатель уже догадался, что сейчас последует аналогия с бильярдом. Все правильно. Электроны, составляющие электрический ток, движутся в кристалле такими же зигзагами, как и бильярдные шары.Такая аналогия, однако, справедлива не во всем. Для бильярда особенно характерно было полное безразличие. В первых главах мы не уставали повторять, что ни одна из областей поверхности стола не обладает какими-либо преимуществами по сравнению с другими.Здесь же, наоборот, электрический ток может проходить сколь угодно сложный, но строго определенный путь.И еще одно обстоятельство. Чтобы области полупроводника, содержащие примеси, проводили электрический ток, недостаточно одного присутствия примесей. Нужно еще, чтобы данная область находилась под определенным электрическим напряжением относительно всего кристалла. Эти напряжения могут устанавливаться извне с помощью специальных выводов или создаваться тем же самым протекающим током.
     
      ВОТ ОНА КАКАЯ —БИС!
     
      Теперь нарисованная нами картина достаточно полна. Сделайте усилие, читатель, и представьте себе кристаллик, скажем, германия или кремния (это наиболее часто используемые материалы) размерами, скажем, 5?5x0,1 миллиметра. Кристаллик таких размеров лучше рассматривать в лупу.В толще вещества кристаллика имеется большое количество отдельных областей, содержащих примеси. Размеры областей, как уже отмечалось, могут быть весьма малы, ведь в принципе, чтобы свойства полупроводника изменились, достаточно одного атома примеси. Поэтому в кристаллике указанных размеров можно создать миллион (это далеко не предел) таких областей, расположенных в строго определенном порядке. От одной области к другой протекают электрические токи. Они распространяются по самым прихотливым путям, натыкаются на препятствия, ищут обходные пути и наконец достигают (или не достигают) специальных выводов, которые для данной схемы являются выходными. Это и есть БИС.Она интегральная потому, что в ней объединено (интегрировано) много областей, называемых также компонентами.Если их количество имеет порядок миллиона и выше, то интегральная схема с полным основанием приобретает название большой.Ну а что касается ее функционирования, здесь все ясно. Области, занимаемые примесями, играют ту же роль, что и отдельные аминокислоты в молекуле ДНК.Сложные пути, проходимые токами, — это и есть зафиксированная информация. Она составляет программу, в соответствии с которой открываются или закрываются отдельные пути для токов. Именно так и происходит переработка информации.Что могут современные ЭВМ, читатель хорошо знает; как было условлено выше, мы не станем касаться этих вопросов. Приведем только несколько данных, характеризующих основные свойства современных интегральных схем.Первая советская ЭВМ, разработка которой была закончена в 1952 году, требовала для своего размещения зал площадью около ста квадратных метров и мощности в несколько десятков киловатт. Потребляемая мощность была столь велика, что специальную проблему представлял отвод тепла. Кроме зала, занятого самой ЭВМ, требовался еще подвал с холодильной установкой.К началу 60-х годов размеры ЭВМ (при одинаковой производительности) уменьшились до габаритов письменного стола, а потребляемая мощность снизилась до нескольких десятков ватт. Современная интегральная технология позволяет разместить ЭВМ, обладающую почти теми же возможностями, в корпусе наручных часов. Она может питаться в течение года от одной батарейки размером меньше копеечной монеты.
     
      ОПТРОНИКА
     
      Казалось бы, о чем еще мечтать? Но конструкторская мысль не знает пределов. Если упомянутая первичная ЭВМ была способна выполнять около тысячи отдельных операций в секунду, то сейчас мы подходим к быстродействию, измеряемому сотнями миллионов операций в секунду. И все же этого недостаточно. Поэтому проводятся опыты с оптическими интегральными схемами. Суть здесь состоит в том, что различные примеси влияют не только на электропроводность, но и на прозрачность полупроводниковых материалов. Прозрачность опять-таки может зависеть не только от наличия примеси, но и от различных условий, в которых находятся области с примесями.Оптическая интегральная схема — это снова кристалл полупроводника, в котором по различным путям между компонентами проходят не электрические токи, а световые лучи. В результате быстродействие оказывается выше еще примерно на порядок. Правда, само понятие «световой луч» здесь уже оказывается условным. Например, в так называемых голографических устройствах переработки информации состояния отдельных областей, которыми в данном случае являются группки из нескольких молекул — домены, определяются их намагниченностью. Намагничиваются или перемагничиваются домены с помощью светового луча. А почему нет? Ведь свет — это электромагнитные колебания, имеющие как электрическую, так и магнитную компоненту. Эта магнитная компонента вполне способна намагнитить отдельные области достаточно малых размеров. А размеры настолько малы, что появился даже специальный термин «молектроника».Так, может быть, мы достигли пределов возможного? Нет, отнюдь. Спросите любого специалиста по электронике, и он скажет вам, что, по его мнению, мы находимся лишь в самом начале пути. Оно и на самом деле так. Несмотря на всю фантастичность только что нарисованной картины, пока еще в области переработки информации мы не достигли в целом (хотя и превзошли, как говорят, по отдельным показателям) даже тех параметров, которых достигла природа в процессе эволюции. Но эволюция слепа — она действует методом проб и ошибок. Поэтому есть все основания ожидать, что целенаправленный инженерный поиск в конце концов превзойдет природу.
     
      БИОТЕХНОЛОГИЯ
     
      Но мы не только соревнуемся с природой, мы непрерывно учимся у нее и используем ее методы в своих целях. В качестве еще одного примера технических информационных систем рассмотрим новую, стремительно развивающуюся и чрезвычайно перспективную отрасль промышленной индустрии — иммунную биотехнологию.Для проведения химического анализа традиционными методами иногда приходится решать чрезвычайно сложные задачи. Например, чтобы с помощью химических методов отличить инсулин, взятый из поджелудочной железы свиньи, от инсулина бычьего, надо, чтобы оба препарата были абсолютно чистыми. Затем необходимо определить последовательность аминокислот в цепочке белковой молекулы и того и другого препарата, чтобы удостовериться, что в том месте молекулы свиного инсулина, где находится аминокислота треонин, в молекуле бычьего инсулина вместо нее стоит аминокислота аланин. Но так же точно выглядит и молекула инсулина овцы. Чтобы удостовериться, что это не она, надо рассмотреть еще один участок молекулы: в овечьем инсулине должна быть аминокислота глицин вместо аминокислоты серина, которая типична и для свиного и для бычьего инсулина. Легко представить себе, насколько сложен и длителен подобный анализ и какая требуется квалификация специалистов.Положение существенно упрощается, если использовать для анализа антитела. В 1890 году впервые в истории медицины американский и японский исследователи Беринг и Китазато использовали антитела на практике. Они вводили кроликам токсины (ядовитые продукты обмена веществ) возбудителя дифтерии и полученную от них сыворотку с антителами —антисыворотку-—использовали для лечения дифтерии у детей. Лечение оказалось в высшей степени успешным и применяется до сих пор. Только теперь вводят не цельную антисыворотку иммунизированных животных, а выделенные из них иммуноглобулины, которые и содержат антитела.Открытие антител и одновременное их прикладное использование было удостоено Нобелевской премии, которую Беринг и Китазато получили в 1902 году. И поныне технология получения антител—иммунная биотехнология— делится на три этапа: иммунизация животного соответствующим антигеном, получение от него кровяной сыворотки с антителами и выделение из нее максимально очищенных антител против данного антигена, будь то микроб или токсин, клетка животного происхождения или гормон, фермент или любой белок.Для выделения нужного антитела можно использовать следующие приемы. Сначала животное иммунизируют (а проще говоря, заражают) смесью различных веществ, в которой содержится и то вещество, для которого нужно получить антитела. Вступает в действие иммунный механизм животного, и вырабатываются антитела против всех веществ, входящих в состав смеси. Для каждого вещества вырабатывается своя, сугубо специфичная группа антител, никак не реагирующая на другие вещества. Затем получают сыворотку, которая, очевидно, содержит все эти антитела. Теперь задача сводится к тому, чтобы выделить только одну, интересующую нас группу антител. Для этого поступают следующим образом. Смешивают сыворотку со смесью различных веществ, которые теперь заведомо не содержат данного вещества (например, овечьего инсулина). В результате взаимодействия все другие антитела, прореагировав с соответствующими веществами, потеряют активность и в смеси останутся лишь нужные антитела. Они и могут быть использованы для выполнения анализов.С помощью антител упомянутые выше три вещества можно проанализировать всего за несколько часов. Причем чувствительность анализа высочайшая — до 10-12 грамма на литр, то есть антитела выловят инсулин из среды даже в том случае, если в литре его будет всего лишь одна триллионная доля грамма. Доверить эту операцию можно начинающему экспериментатору. И вовсе не надо иметь очищенные препараты — они могут быть с чем угодно смешаны и входить в состав сложнейших многокомпонентных систем, например, в сыворотку крови, питательную среду, в которой выращивались микроорганизмы, в смесь на выходе сложных биохимических реакций.Вряд ли следует указывать здесь, что всякий анализ — это метод получения информации о составе анализируемого вещества, а анализ, проводимый со столь высокой точностью, позволяет получить очень большое количество информации.Информационная техника и информационные методы буквально пронизывают сейчас все, с чем приходится ежедневно сталкиваться современному человеку. Поэтому, заканчивая главу, посвященную роли информации в технике, мы должны сказать, что в предшествующих строках мы не только не нарисовали сколь-нибудь исчерпывающей картины присутствия информации в различных системах, но не сделали даже одного мазка этой картины. Несколько рассмотренных нами примеров выбрано из огромного множества подобных им, и понадобились они лишь для того, чтобы помочь прийти в следующей главе к некоторым заключительным выводам.
     
      СУЩЕСТВУЮТ ЛИ ЧЕРНЫЕ ДЫРЫ?
     
      Эту последнюю главу мы начнем с рассмотрения двух примеров, которые не подошли ни под один из заголовков предыдущих глав. Первый пример мы заимствовали из статьи Д. Киржница и В. Фролова, опубликованной в одиннадцатом номере журнала «Природа» за 1981 год.Черные дыры — эти гипотетические небесные объекты — в последние годы привлекают к себе большое внимание. Их аномально сильное тяготение действует как своего рода клапан: вещество непрерывно захватывается таким объектом и падает на него, как в дыру.В то же время никакое тело, даже квант света, не может вырваться из этих объектов наружу, поэтому любому внешнему наблюдателю они должны представляться черными.Пока с уверенностью нельзя сказать, что черные дыры открыты, хотя возможность их существования неизбежно следует из общей теории относительности.Согласно общей теории относительности вблизи тяготеющих масс пространство искривляется. Если тяготеющая масса очень велика, такое искривление пространства приводит к его замыканию. Подобное замкнутое пространство и есть черная дыра. Обнаружение черных дыр, в которые так верит большинство специалистов, имело бы чрезвычайно важное значение для астрофизики и космологии. Однако уже сегодня интерес к черным дырам выходит далеко за рамки науки о космосе. В процессе исследования этих необычных объектов обнаружилась их глубокая связь с фундаментальными проблемами физики. В частности, это связано с удивительными термодинамическими свойствами черных дыр, которые, как оказалось, в принципе не могут быть холодными телами, а обязательно должны излучать подобно нагретому до определенной температуры черному телу. Такое явление называют эффектом Хокинга.
     
      ВТОРАЯ КОСМИЧЕСКАЯ
     
      Чтобы как следует понять, что такое черная дыра, обратимся к космонавтике. Известно, что всякое тело, движущееся вблизи тяготеющей массы, находится под воздействием двух сил — силы тяготения и силы, вызываемой ускорением тела в его движении относительно этой массы. Характер движения определяется тем, какая из этих двух сил больше. Если больше сила тяготения, тело падает «вниз». Если больше сила, вызываемая ускорением, и, кроме того, эта сила направлена в сторону, противоположную силе тяготения, тело будет удаляться от тяготеющей массы и в конце концов покинет сферу ее воздействия.При орбитальном движении ускорение тела пропорционально квадрату скорости и обратно пропорционально расстоянию до центра вращения. Поэтому, чтобы преодолеть силу тяготения, тело должно приобрести определенную скорость. Самая маленькая скорость, при которой тело может преодолеть путы земного притяжения, получила название второй космической скорости. В настоящее время вторая космическая скорость — это не предмет научных спекуляций, а совершенно реальная величина, используемая в расчетах траекторий космических кораблей, направляющихся к Марсу, Венере и более отдаленным небесным телам солнечной системы,При орбитальном движении сила, противодействующая силе тяготения, зависит не только от скорости, но и от радиуса орбиты: чем меньше радиус, тем больше вторая скорость. Существует такая величина радиуса (она называется гравитационным радиусом), при которой вторая космическая скорость оказывается равной скорости света. Поскольку никакой физический объект не может двигаться быстрее, чем со скоростью света, попав внутрь сферы с радиусом, равным гравитационному радиусу, объект никогда уже не сможет выйти наружу. Для этого необходимо, конечно, чтобы вся тяготеющая масса была сосредоточена внутри сферы с гравитационным радиусом.
     
      ГОРИЗОНТ СОБЫТИЙ
     
      Для Солнца гравитационный радиус равен примерно трем километрам. Это означает, что сфера с гравитационным радиусом (ее называют также горизонтом событий) целиком расположена внутри материи Солнца. Поэтому Солнце и излучает различные частицы, главным образом фотоны, в окружающее его пространство.Если масса небесного тела превышает некоторую критическую величину, под воздействием собственных сил тяготения оно начинает сжиматься и сжимается до тех пор, пока целиком не окажется сосредоточенным внутри сферы — горизонта событий.Такой процесс называется коллапсом, и так рождается черная дыра.Если наблюдатель, двигаясь по направлению к черной дыре, пересекает сферу горизонта событий и продолжает двигаться дальше, он не наблюдает ничего особенного. Просто ускорение силы тяжести непрерывно увеличивается, формально обращаясь в бесконечность в центре черной дыры. Для наблюдателя же, находящегося вне черной дыры, она просто не существует, поскольку, как уже отмечалось, никакой физический объект, в том числе и квант электромагнитного излучения, не может покинуть черную дыру и быть зарегистрированным в каком-либо физическом эксперименте. Черная дыра как бы вычеркивается из пространства, изучаемого внешним наблюдателем.Любой физический объект, упавший на черную дыру, исчезает. Исчезает не в том смысле, что он перестает быть доступным для наблюдателя, а исчезает совсем, то есть перестает каким бы то ни было способом влиять на любые процессы, происходящие в рассматриваемой области пространства. Конечно, при падении объекта в черную дыру его энергия (масса) прибавляется к общей энергии черной дыры.То же самое происходит с количеством движения, моментом количества движения и электрическим зарядом.Казалось бы, все только что сказанное неотвратимо свидетельствует об одном: черная дыра должна восприниматься внешним наблюдателем как тело, находящееся при температуре абсолютного нуля. Ведь понятиетеплоты неразрывно связано у нас с понятием из лучения, а черная дыра ничего не излучает и ничего не отражает. Но вот американский ученый С. Хокинг в 1975 году показал обратное
     
      ПУСТОТА — ИСТОЧНИК ЧАСТИЦ
     
      Чтобы сделать рассуждения понятными, необходимо сейчас напомнить читателю, что окружающий нас физический вакуум — это совсем не абсолютная пустота, как считалось, скажем, сто лет назад. По многим своим свойствам физический вакуум материален. Это проявляется, в частности, в том, что в физическом вакууме непрерывно происходят процессы рождения и взаимного уничтожения пар так называемых виртуальных частиц. Такими парами могут быть электрон и позитрон или пары различных квантов электромагнитного излучения. Поскольку эти пары рождаются все же «из ничего», они должны отвечать обязательному условию: если энергия (масса) одной из частиц такой пары положительна, то энергия (масса) второй частицы должна быть отрицательной и равной по абсолютной величине энергии первой частицы. При таком условии частицы, взаимно уничтожаясь, исчезают бесследно и средняя энергия, распределенная в физическом вакууме, как и следует быть, оказывается равной нулю.Иначе обстоит дело, если рождение пар виртуальных частиц происходит вблизи горизонта событий. Тогда частица, обладающая отрицательной энергией, падает внутрь черной дыры и исчезает. А частица, обладающая положительной энергией, подчиняясь закону сохранения количества движения, улетает в сторону от черной дыры, Легко показать, что внутрь должны падать именно частицы с отрицательной энергией. Если бы было наоборот, то энергия черной дыры непрерывно увеличивалась бы за счет энергии падающих на нее виртуальных частиц. Энергия бралась бы из ничего, что запрещено законом сохранения. Наоборот, если внутрь черной дыры падают частицы с отрицательной энергией, ее энергия постепенно уменьшается и это уменьшение в точности равно положительной энергии частиц, улетающих в космическое пространство. Вот и получается, что черная дыра излучает, то есть представляется для внешнего наблюдателя горячим телом. Рассуждения С. Хокинга полностью подтвердились сделанными им расчетами.
     
      ТЕМПЕРАТУРА БИЛЬЯРДА
     
      К тем же выводам, что и С. Хокинг, можно прийти, исходя из совершенно иных соображений. И снова, в который раз, вернемся к бильярду. Когда шары на бильярдном столе неподвижны и составлены в пирамидку, можно сказать, что температура бильярда равна нулю. Ведь температура определяется средней скоростью движения частиц. Разбивая пирамидку, мы «нагреваем» бильярд до определенной температуры. При этом шары «забывают» свое первоначальное положение в пирамидке и движутся так, что все положения на столе для них равновероятны. Можно сказать, что процесс нагревания — это то же самое, что процесс забывания. Раньше мы строго сформулировали ту же мысль, сказав, что информация суть энтропия, взятая с обратным знаком, чем выше энтропия системы, тем меньшее количество информации может быть от нее получено.Но должно быть справедливо и обратное. Чем меньше информации может быть получено от системы, тем выше должна быть ее энтропия. Мы уже сталкивались с подобным положением в главе четвертой и подчеркивали там, что существенное значение имеет именно принципиальная возможность получать информацию, а не то, хотим мы получать эту информацию и располагаем ли мы при этом соответствующими приборами или нет.Перенося эти рассуждения на случай черных дыр, приходим к непосредственному выводу. Поскольку возможность получать какую-либо информацию о черной дыре отсутствует, значит, энтропия ее должна быть велика. Черная дыра полностью «забыла» как о своем собственном происхождении, так и о всех тех объектах (в том числе и виртуальных частицах), которые она поглотила. А подобное забывание эквивалентно тому, что черная дыра ведет себя как тело, нагретое до достаточно высокой температуры.Все эти рассуждения, может быть, и не имели бы особой цены, если бы, будучи облаченными в математические формулы, они не дали бы в точности тот же результат, который получается при выводе математических зависимостей на основе представления о виртуальных частицах.До открытия эффекта Хокинга мы знали единственный механизм появления тепловых свойств у динамической системы. Он состоит в превращении упорядоченного движения частиц в хаотическое, проявляясь и при трении двух кусков дерева, с помощью которых наши предки добывали огонь, и в современных установках по нагреву плазмы. Физика черных дыр указала нам новый механизм появления тепла, который происходит по схеме: черная дыра — черный ящик (то есть объект, который можно изучить только по его внешним проявлениям) — черное тело.Черные дыры помогли нам увидеть новые и неожиданные аспекты термодинамики, обогатив наше понимание природы теплоты. Поэтому независимо от того, существуют эти объекты в природе или нет, они уже с лихвой оправдали себя как предмет теоретического исследования и, можно думать, надолго останутся в истории естествознания.
     
      КУДА ПОЙТИ РАБОТАТЬ!
     
      Второй пример, который мы хотели бы рассмотреть в этой главе, взят нами из области социологии. Представьте себе такую ситуацию. Имеются два однотипных предприятия, расположенные в противоположных районах большого города. Если речь идет о Москве, то одно такое предприятие может быть расположено, скажем, в Медведкове, а второе — возле метро «Калужская». С каждым предприятием связан определенный контингент рабочих и служащих. Разумно предположить, что многие из числа работников данного предприятия живут где-то поблизости. Многие, но не все. Встречаются и такие, которые живут, к примеру, вблизи предприятия А, а работают на предприятии Б, и наоборот.Еще одно предположение состоит в том, что производство на обоих предприятиях весьма специфично и специалист, работающий на предприятии А, может работать не только там, но и на предприятии Б, а на других уже не может. Последнее предположение несколько натянуто, однако ясно, что если бы мы взяли не два, а двадцать предприятий, то такое предположение уже вполне соответствовало бы некоторой реальной ситуации. В то же время увеличение числа предприятий никак не изменит существа последующих рассуждений. Кроме того, проницательный читатель уже предчувствует аналогию с двумя половинками бильярда.
      Предположим теперь, что некто, работающий на предприятии А и живущий поблизости от него, по тем или иным соображениям уходит из этого предприятия. Различных причин тут может быть множество, и выбор причины мы полностью предоставляем фантазии читателя. Важно одно. В силу отмеченной выше специфики он не может работать больше нигде, кроме как на предприятии Б. Причин ухода, как уже говорилось, может быть множество, поэтому с течением времени количество живущих вблизи предприятия А и работающих на предприятии Б и, наоборот, живущих вблизи предприятия Б и работающих на предприятии А, будет увеличиваться.Читателю, дочитавшему нашу книгу до этого места, не надо даже подсказывать, что речь идет о возрастании энтропии сложной системы, состоящей из большого количества элементов — работников обоих предприятий. Причем уходы с работы далеко не единственная причина такого процесса. Вполне может быть, что, скажем, некто, живущий вблизи предприятия А, заканчивает институт по соответствующей специальности, но по той или иной причине устраивается на работу на предприятие Б. Человек может продолжать работать на своем предприятии, но переехал в другую часть города, опять-таки по тысяче возможных причин, например, по семейным обстоятельствам. Именно многообразие причин и приводит к росту энтропии нашей системы. А в данном случае рост энтропии означает то, что большое количество людей совершенно непроизводительно тратят время и энергию на переезды между станцией метро «Медведково» и станцией метро «Калужская»
     
      МЕНЯЮ КВАРТИРУ
     
      Положение было бы существенно иным, если бы каждый работник предприятия А знал всех работников предприятия Б, и наоборот. Тогда каждый случай перемещения мог бы сопровождаться обменом квартир. Но такое полное знание невозможно. Отсюда вывод, которого читатель ждет уже давно: энтропия системы, состоящей из сотрудников предприятий, есть мера незнания, мера недостатка информации. Напротив, если удастся ввести в систему дополнительную информацию, это понизит энтропию, а значит, повысит качество энергии системы.С этой целью во всех больших городах издаются бюллетени по обмену жилплощади. В Москве при Управлении учета и распределения жилой площади создан вычислительный центр, оснащенный самыми современными ЭВМ, одной из задач которого является подготовка таких бюллетеней.Все сказанное справедливо не только для одного рассмотренного выше случая. Читатель сам легко придумает сколько угодно примеров тому, как недостаточная информированность приводит к затратам лишней энергии и, наоборот, введение информации в социальную систему приводит к ее упорядоченности. Пример — покупка вещей, продуктов в магазине, не оборудованном информационным табло.
     
      А КАК ЖЕ ИНТУИЦИЯ?
     
      — А как же интуиция? — спросит читатель, который давно был заинтригован названием книги.Но разве все то, что мы говорили до сих пор, не имеет прямого отношения к интуиции? Давайте говорить серьезно. Мы не располагаем, к сожалению, строгим определением понятия интуиции. Поэтому, отвечая на поставленный выше вопрос, придется ограничиться общими рассуждениями. Мы привыкли к тому, что процессы переработки информации, независимо от того, происходят они в естественной или искусственно созданной физической системе или же в голове человека, совершаются последовательно, шаг за шагом. Как правило, удается проследить все этапы такого процесса и, более того, установить систему правил, которым подчиняются эти отдельные этапы; такие последовательности правил получили название алгоритмов.Мы говорим об интуиции всякий раз, когда сталкиваемся с действительным или кажущимся нарушением подобной последовательности. Иначе говоря, тогда, когда некий вывод возникает без видимой связи с теми посылками, на которых он основывается. При этом, если вывод в дальнейшем оказывается верным, мы говорим об интуиции, даже о гениальной интуиции его автора, но столь же охотно лишаем автора всех этих качеств, если вывод оказывается неверным.Определенная таким образом интуиция представляет собой не что иное, как частный случай нарушения закона причинности. Вернемся к тому же атому. Если атом находится в возбужденном состоянии, то рано или поздно он перейдет в основное состояние, избавившись от излишней энергии, например, испустив ее в виде кванта электромагнитного излучения. В этом проявляется одна из закономерностей атомных процессов. Но когда именно произойдет испускание кванта? Если это испускание не вынужденное, современная физики не может точно ответить на этот вопрос. Испускание кванта в данный момент времени рассматривается как случайное событие — событие, не имеющее причины. Именно с этим не мог примириться А. Эйнштейн до конца своей жизни.Таким образом, вопрос: существует ли на самом деле интуиция? — представляет собой частный случай более общего вопроса: полностью ли детерминирован окружающий нас мир? Читатель хорошо знает, что спор гигантов, о котором мы говорили в четвертой главе, не закончен и по сей день. Поэтому и мы не можем здесь сказать ничего определенного. Можно лишь высказать некоторые более или менее правдоподобные предположения.Напомним, что речь идет о случаях нарушения причинности или, что то же самое, о случаях нарушения некой последовательности, которую применительно к процессам переработки информации принято называть логической. Но уже частная теория относительности учит нас, что понятия одновременности, предшествования и последования не являются абсолютными. Если наблюдателю, находящемуся в одной системе отсчета, событие А представляется как предшествующее событию Б, то в принципе может существовать другая система отсчета, такая, что находящемуся в ней наблюдателю то же самое событие А представляется следующим за событием Б. Уже отсюда следует, что случаи нарушения или кажущегося нарушения причинности совсем необязательно требуют привлечения понятия случайного.Дальнейшие рассуждения в этом направлении приводят нас к соотношению неточностей Гейзенберга. Попробуем ответить на вопрос: почему, зная с определенной точностью импульс объекта, мы не можем знать (получить информацию) координаты этого объекта точнее, чем с некоторой погрешностью, определяемой соотношением неточностей?Мы уже не раз говорили, что соотношение неточностей — это объективный физический закон. Дело не в том, что мы не можем знать, а дело в том, что такой информации попросту не существует. Один из возможных ответов на это «почему?» состоит в следующем. Объект просто не имеет координаты. Он размазан по всему участку пространства, размеры которого определяются соотношением неточностей. Такое объяснение мы встречаем в штыки. Мы к подобному не привыкли, потому что в своем повседневном жизненном опыте встречаемся с объектами, всегда имеющими пространственные координаты. Но в такой же степени мы не привыкли к искривлению пространства, вызываемому полем гравитации. С тем же успехом мы не привыкли к тому, чтобы пустота могла быть источником виртуальных частиц.А коли так, то следующий вопрос: можно ли утверждать, что в пределах неточностей, определяемых соотношением Гейзенберга, над объектом не совершается никаких процессов? Конечно, нет. Во всяком случае, у нас нет к тому никаких оснований. Просто эти процессы совершаются не в таком пространстве, к которому мы привыкли, и не в таком времени, к которому мы привыкли. Поэтому и результаты этих процессов мы с привычными нам мерками воспринимаем как случайные.Попробуем распространить сказанное на случай интуиции «человеческой». Слабому шахматисту шахматная партия представляется как последовательность ходов. Наоборот, сильный шахматист мыслит не в масштабе отдельных ходов, а более общими категориями позиций. Тогда каждый отдельный ход в известном смысле оказывается случайным, и лишь взятые вместе они могут рассматриваться как средство образования той или иной позиции. Сильный шахматист видит не отдельные фигуры, а всю доску сразу.История науки учит нас, что практически все великие открытия были подготовлены предшествующим развитием. И. Ньютон говорил, что ему удалось сделать так много в науке потому, что он стоял на плечах гигантов.К моменту оформления частной теории относительности Эйнштейна был поставлен опыт Майкельсона — Морли, появились преобразования Лоренца и многое другое. Поэтому гениальность ученого проявилась не в том, что он додумался до тех или иных результатов, а в том, что он сумел увидеть одновременно много деталей. Мир представился ему как очень сложная картина, в которую в качестве отдельных мазков оказались включенными результаты подчас весьма отдаленных областей науки. То, что представляется неискушенному наблюдателю как чудо, как событие, не имеющее причины, на самом деле есть просто результат одновременного (именно одновременного, а не последовательного) сопоставления большого количества деталей. Перефразируя известную пословицу, можно сказать, что мать интуиции — это образованность.
     
      ОТКУДА БЕРЁТСЯ ИНФОРМАЦИЯ!
     
      И еще одно, самое последнее, рассуждение, перед тем как окончательно распрощаться с читателем. Рассуждение о том, как возникает информация. Следуя второму началу термодинамики, мы должны утверждать, что общее количество информации в природе может лишь либо уменьшаться, либо оставаться постоянным. Однако в отдельных, локальных системах количество информации может увеличиваться. Так как же она возникает?Есть хорошо известный в биологии факт, что постоянные браки между близкими родственниками приводят к вырождению. Наоборот, новые биологические виды могут быть получены при скрещивании достаточно отдаленных ветвей. Сейчас мы знаем, что это свойство есть именно свойство информации, заложенной в хромосомах. При браках между родственниками подчеркиваются и закрепляются имеющиеся генетические дефекты, в то время как скрещивание отдаленных ветвей приводит к появлению новой информации.Все то же самое должно быть справедливо и для интеллектуальной деятельности. Мы говорим об этом потому, что в последние годы очень модным стало стремление избавить работника интеллектуальной профессии от так называемой рутинной деятельности. Всевозможные автоматы начинают поставлять нам все больше раз личных заготовок — полуфабрикатов. Такое происходит и в искусстве, и в музыке, и, в частности, в науке, где всевозможные информационно-поисковые системы ставят себе целью в конечном итоге избавить ученого от необходимости иметь дело с литературой.Трудно представить себе более рутинную работу, чем разыгрывание гамм на рояле. Однако еще труднее представить себе пианиста, никогда не играющего гамм. И важно именно то, что при разыгрывании гамм не только увеличивается гибкость пальцев, приобретается то, что называется техникой игры, но и устанавливаются зависимости между отдельными звукосочетаниями и мышечными сокращениями. Точно так же и в науке. Пользуясь полуфабрикатами, ученый перестает видеть ту самую общую картину, которая, по нашему предположению, лежит в основе всякого открытия. Роясь в библиотеках, просматривая сотни ненужных на первый взгляд публикаций, ученые получают возможность черпать отдельные фрагменты, штрихи, мазки — называйте их как угодно, — которые в конечном итоге и складываются в общую картину. Приведем в этой связи несколько строк из книги М. Шагинян «Человек и время»:«Шли дни, месяцы, годы такого чтения в поисках «истины — до конца» (которого, кстати сказать, и не бывает). И прочно, как возводимое каменное здание с цементом, скрепляющим камни, вырастала привычка. Замечательная привычка, сделавшаяся моей «подругой» на всю долгую жизнь. Привычка находить нужную книгу; а в книге находить ее самое нужное место; а нужное место правильно конспектировать, ставя номер страницы. Привычка вдумчивого чтения, открытия цитатной мысли у автора; усвоения побочных мест, могущих пригодиться; привычка чувствовать себя в книге,— любой и почти на любом иностранном языке, во всяком случае на трех из них, — не как в гостях, а как дома. Словом, привычка хорошо понять и отложить в записях для памяти нужную тебе книгу. Пусть она потом забудется. Но память хранит ее в своей кладовой для первого нужного случая. И вы. останетесь богачом знаний даже в периоды своих беспамятств, богачом знаний, потому что удерживаете в памяти связь между всем прочитанным, как нитку в ожерелье жемчужин. Постепенное обретение простого опыта, что изолированной науки в мире нет и все познанное человеком перекликается, — оно-то, в сущности, и составляет секрет «образованности».
     
      Общее понятие информации
     
      Слово «информация» известно в наше время каждому. Между тем вошло оно в постоянное употребление не так давно, в середине двадцатого века, с подачи Клода Шеннона. Он ввел этот термин в узком техническом смысле, применительно к теории связи или передачи кодов (которая получила название «Теория информации»). В настоящее время наполнение этого термина получило гораздо более глубокий смысл. И это не случайность, а следствие того, что только в последние десятилетия выявилась необходимость осознанной организации процессов движения и обработки того, что имеет общее название «Информация». Между тем само понятие «Информации» во многом остается интуитивным и получает различные смысловые наполнения в различных отраслях человеческой деятельности. Представляется, что настало время рассмотреть обмен Информацией в целом как глобальное явление и попытаться найти его общие свойства и закономерности, знание которых может оказаться полезным в изучении каждой конкретной реализации этого явления.Для того чтобы вывести наиболее общее определение понятия «Информация», выделим такое его свойство, которое с одной стороны было бы присущим любому его конкретному проявлению, и с другой стороны, позволяло бы отличать их от проявлений других понятий. Другими словами мы хотим выделить необходимый и достаточный признак, по которому мы будем определять, относится ли то или иное явление к проявлению понятия «Информации».
      Начнем с того, что построим самую простую схему из трех понятий: «Объект», «Среда» и «Взаимодействие». «Объект» – это нечто устойчивое во времени и ограниченное в пространстве интересующее нас как единое целое. «Среда» – это множество всех других потенциальных «Объектов» интересующих нас только с точки зрения их влияния на состоянии выделенного «Объекта» и обратного влияния «Объекта» на их состояния. «Взаимодействие» – это растянутый во времени процесс взаимозависимого изменения параметров состояния «Объекта» и «Среды». Эта схема является замкнутой в том смысле, что «Среда» включает в себя все потенциальные «Объекты» способные влиять на состояние выделенного «Объекта». Далее мы не будем брать в кавычки приведенные понятия.
      В природе существует два фундаментальных вида взаимодействия: обмен веществом и энергией. Фундаментальность этих видов взаимодействия заключается в том, что все прочие взаимодействия происходят только через их посредство. Эти виды взаимодействия подчиняются закону сохранения. Сколько вещества и энергии один объект передал другому, столько тот и получил, и наоборот. Потери, происходящие при передаче, не рассматриваются, ибо потери вещества и энергии в замкнутой среде не возможны и то, что называют потерями, является отдельными актами взаимодействия с другими объектами той же среды. Среда замкнута именно в том смысле, что все взаимодействия происходят только внутри ее.
      Энергетическое и вещественное взаимодействие объектов является симметричным, т.е. сколько один отдал столько же другой получил. Переходы между веществом и энергией не влияют на общий баланс, поскольку действуют законы сохранения константы их соотношения. Так же не влияет на общий баланс разрушение объекта в результате таких взаимодействий, так как опять же сохраняется сумма констант соотношения вещества и энергии, образовавшихся в результате разрушения частей (новых объектов).
      Примем за аксиому, что на основе комбинации фундаментальных взаимодействий, между объектами может происходить взаимодействие более высокого порядка, при котором от одного к другому переходит некоторая субстанция и при этом потери одного не совпадают с приобретением другого. Такое взаимодействие является несимметричным. В предельном случае несимметричного взаимодействия при передаче субстанции между объектами один из них ее приобретает, а другой не теряет. Изменение количества энергии и вещества при этом естественно, будут иметь место, поскольку данный акт взаимодействия имеет в своей основе комбинацию фундаментальных видов взаимодействия обеспечивающих перенос субстанции.
      Теперь сформулируем наиболее общее определение понятия Информации, от которого мы будем отталкиваться в дальнейшем.
      Любое взаимодействие между объектами, в процессе которого один приобретает некоторую субстанцию, а другой ее не теряет называется информационным взаимодействием. При этом передаваемая субстанция называется Информацией.
      Из этого определения следует два наиболее общих свойства Информации. Первое – Информация не может существовать вне взаимодействия объектов. Второе – Информация не теряется ни одним из них в процессе этого взаимодействия.