Как поймать хаос

История изобретения, которое не получилось, — и что из этого вышло

Энергия, которая лежит под ногами

В обычной комнате примерно столько же тепловой энергии, сколько выделяется при сгорании нескольких стаканов бензина. Молекулы воздуха носятся со скоростью пули, сталкиваются, разлетаются — и так круглые сутки, бесплатно и без остановки.

Возникает естественная мысль: почему бы этим не воспользоваться? Поставить крошечную турбинку, и пусть молекулы её крутят.

Проблема в одном слове: хаос. Молекулы бьют по лопастям со всех сторон одинаково часто. Толчок слева, толчок справа, толчок сверху — в сумме ноль. Энергии сколько угодно, но у неё нет направления.

Значит, нужно устройство, пропускающее движение в одну сторону и не пропускающее в другую, — вроде турникета в метро или ниппеля в велосипедной камере. Такую штуку называют выпрямителем.

Идея настолько соблазнительная, что её изобретали заново примерно раз в полвека. Три самые знаменитые попытки — герои этого рассказа. Все три провалились, причём совершенно одинаково, и этот тройной провал оказался полезнее любого успеха.

Попытка первая: сторож у двери

В 1867 году великий физик Джеймс Клерк Максвелл придумал следующее. Возьмём сосуд с газом и разделим его перегородкой с маленькой дверцей. У дверцы посадим крошечное существо-сторожа.

Сторож смотрит на подлетающие молекулы. Летит быстрая — открывает дверцу и пропускает налево. Летит медленная — не пускает. Дверца невесомая, трения нет, никакой работы сторож не совершает: он только смотрит и щёлкает задвижкой.

Проходит время — и слева собираются быстрые молекулы, справа медленные. Но «быстрые молекулы» — это и есть горячий газ, а «медленные» — холодный. Половина сосуда нагрелась сама собой, и теперь между половинами можно поставить обычную тепловую машину.

Такого быть не должно: тепло само собой не перетекает от холодного к горячему. Коллега Максвелла в шутку назвал сторожа демоном, и название прижилось. Что именно не так с этим сторожем, физики выясняли почти сто лет. Ответ нашёлся в 1961 году и оказался неожиданным.

Дело не в том, что сторож смотрит. Дело в том, что он помнит. Чтобы решить, открывать ли дверцу, он должен запомнить, какая молекула летит. Память у него не бесконечная — рано или поздно её приходится очищать. И вот в момент стирания, как доказал физик Рольф Ландауэр, обязательно выделяется тепло. Крошечная порция, но строго определённая, и меньше неё быть не может.

Сложите всё вместе — и выигрыш ровно съедается платой за уборку в памяти. Демон возможен. Но он не источник энергии, а обменный пункт: он меняет информацию на работу по жёстко установленному курсу.

Попытка вторая: сторож без мозгов

Раз проблема в разуме сторожа — давайте уберём разум. Такую идею предложил польский физик Мариан Смолуховский в 1912 году, а знаменитый разбор сделал Ричард Фейнман в лекции 1962 года.

Возьмём храповик — колесо с косыми зубцами и подпружиненной защёлкой, которую называют собачкой. Такой механизм стоит в любой трещотке и в лебёдке: вперёд колесо крутится свободно, назад — защёлка упирается в зубец и не пускает.

Насадим на ось лопасти и опустим их в газ. Молекулы толкают лопасти то туда, то сюда, но храповик пропускает только одно направление. Колесо должно медленно поворачиваться и, скажем, наматывать нитку с грузиком. Никакого разума, никакой памяти — чистая геометрия. Гениально?

Фейнман показал, где ловушка, и она восхитительно простая.

Чтобы устройство чувствовало удары отдельных молекул, оно должно быть очень маленьким. Значит, собачка тоже маленькая. А раз она маленькая и находится в том же газе — по ней тоже колотят молекулы, и она тоже дрожит. Время от времени она сама подпрыгивает и отпускает зубец.

И вот тут самое обидное. Подпрыгивает она не когда попало, а именно в те моменты, когда колесо может провернуться назад — ведь назад оно проворачивается ровно тогда, когда защёлка поднята. Считаем аккуратно: сколько раз колесо шагнёт вперёд, столько же раз проскочит назад. Ровно поровну. Грузик не поднимается.

Мы мысленно рисовали храповик большим и надёжным, а лопасти — крошечными. Но нельзя, чтобы одна половина устройства жила в мире молекул, а вторая — в нашем большом мире. Либо всё маленькое, либо всё большое.

У этой истории есть чудесный побочный результат. Если специально нагреть храповик сильнее, чем газ у лопастей, колесо начнёт крутиться в обратную сторону — прыгающая собачка будет давить на скошенную грань зуба и толкать колесо назад. Конструкция, старательно заточенная под одно направление, при перегреве работает точно наоборот. Полезно помнить всем, кто проектирует что-нибудь одностороннее.

Попытка третья: а если взять диод?

Третья попытка выглядит убедительнее всех, потому что опирается на деталь, которая лежит в любом магазине радиодеталей.

Всякий резистор шумит. Это не образное выражение: из-за теплового движения электронов на его выводах постоянно скачет напряжение, и его прекрасно видно на осциллографе. А диод — это и есть электрический турникет, он пропускает ток в одну сторону.

Схема напрашивается сама: резистор, диод, конденсатор. Диод отсекает половину шума, конденсатор копит заряд, на выходе — постоянное напряжение из тепла окружающего воздуха. Вечный двигатель на трёх деталях.

Леон Бриллюэн разобрался с этой схемой в 1950 году, и ответ вам уже знаком. Диод тоже шумит. Он не глухая стенка: сквозь него всегда идут два встречных потока электронов, которые в покое в точности уравновешивают друг друга. И собственный шум диода оказывается ровно таким, чтобы съесть весь выпрямленный шум резистора. Не приблизительно — точно.

Тот самый «идеальный диод», который рисуют в учебниках — пропускает вперёд без потерь, назад не пропускает совсем, — именно поэтому и не существует в природе. Это тот же демон Максвелла, только переодетый в схемотехнику.

Одна ошибка в трёх костюмах

Демон, храповик и диод — не три разных изобретения. Это одно изобретение в трёх видах, и ломается оно в одном и том же месте.

Во всех трёх случаях изобретатель незаметно для себя вводит привилегированную деталь: элемент, который находится в бурлящей среде, но сам ей будто бы не подчиняется. Сторож смотрит и не устаёт. Собачка держит и не дрожит. Диод запирает и не течёт.

Такой детали не бывает. Как только вы делаете различающий элемент достаточно чутким, чтобы он реагировал на отдельные молекулы, среда начинает трепать его точно так же, как всё остальное.

Отсюда главный вывод, который стоит запомнить целиком:

Асимметрия формы не даёт асимметрии поведения. Косой зубец определяет, что случится при толчке. Но он никак не влияет на то, сколько толчков придёт справа и сколько слева. А это решает не форма детали, а температура среды — одна и та же для всех.

Полезный побочный навык: если в описании изобретения встречается деталь со словами «идеальный», «абсолютный», «без потерь», «не подверженный» — и на ней держится вся польза, — почти наверняка именно здесь спрятана невозможность. Такую деталь надо выписать отдельно и спросить, из чего её сделать.

Три законных способа поймать хаос

Значит ли это, что энергию из хаоса добыть нельзя вообще? Нет. Можно — но только если хаос чем-то нарушен. Способов ровно три, и, похоже, четвёртого не существует.

Вторая строка требует пояснения, потому что вокруг неё больше всего путаницы. Солнечная батарея — тоже выпрямитель, и она прекрасно работает. Почему? Потому что свет приходит от источника с температурой почти шесть тысяч градусов, а батарея комнатная. Есть разница — есть работа.

Устройства, ловящие энергию радиоволн, тоже существуют. Но питаются они не хаосом, а сигналами передатчиков — это не хаос, это порядок. Как только источником объявляется просто тепло вокруг, выход обнуляется полностью.

И всё-таки его построили

Самое интересное началось в 2010 году, когда демона Максвелла наконец собрали в лаборатории.

Сначала японские физики поставили опыт с крошечным шариком в воде: камера следит за его случайными подскоками, компьютер в нужный момент подставляет невидимую ступеньку, и шарик карабкается вверх, питаясь собственным дрожанием. Потом финская группа повторила это с единственным электроном. А в 2015 году внешний компьютер убрали совсем: роль наблюдателя взял на себя второй крошечный узел на том же чипе.

И тогда стало видно то, ради чего всё затевалось. Пока «демон» работал, наблюдаемая система остывала — а сам демон при этом нагревался. Плата за информацию перестала быть теорией: её можно измерить термометром.

Так выяснилось, чем на самом деле был загадочный сторож Максвелла. Не разумом. Не существом. Обычной обратной связью — той самой, что стоит в термостате холодильника и в круиз-контроле автомобиля.

Есть и вторая, ещё более неожиданная развязка. Храповик, отвергнутый как вечный двигатель, оказался абсолютно верным описанием того, как работают наши мышцы. Молекулярные моторы внутри клеток устроены именно как микроскопические храповики. Только «топливо» у них не разница температур, а химическая энергия — та, что запасена в молекулах АТФ. Схема правильная; не хватало одного — назвать источник.

Что из этого следует

Полтора века умные люди пытались обмануть хаос хитрой геометрией. Не вышло ни разу. Но выигрыш от неудач получился огромный: родилась наука о связи информации и энергии, был найден предел, ниже которого не может тратить энергию ни один компьютер в мире, и стало понятно, как работают мышцы.

Практический вывод помещается в один вопрос. Услышав про устройство, собирающее энергию «из ничего», из среды, из фона, из хаоса, спросите:

Чем именно здесь нарушено равновесие — температурой, составом или информацией?

Если внятного ответа нет — устройство не заработает, какой бы остроумной ни была конструкция. Если ответ есть — перед вами нормальная инженерная задача.

И последнее, самое общее. Обратите внимание, как именно двигалась эта история. Максвелл записал желаемое: «пусть сортировка происходит сама и даром». Он не знал, как это устроить, и на место непонятного элемента посадил существо. Полтора века ушло не на то, чтобы существо построить, а на то, чтобы понять, чем оно платит. Как только ответ нашёлся — существо исчезло, оставив после себя простую схему с обратной связью.

Это работает далеко за пределами физики. Если в вашем плане, проекте или чертеже есть место, где происходит чудо, — значит, там сидит существо. И задача не в том, чтобы его вырастить, а в том, чтобы выяснить, чем оно должно питаться. Обычно после этого чудо превращается в устройство.