Книга: Программируя Вселенную. Квантовый компьютер и будущее науки

Изгнание демона Максвелла

Изгнание демона Максвелла

Есть и второй способ уменьшить энтропию. Как мы помним, энтропия – это информация, которая неизвестна (то есть невидима). Что происходит, когда неизвестная раньше информация становится известной, когда невидимое становится видимым? Что происходит, когда мы получаем информацию? Очевидно, энтропия уменьшается.

Этот способ уменьшения энтропии впервые придумал Джеймс Клерк Максвелл, демон которого получает информацию о микроскопическом состоянии газа и поэтому может уменьшить его энтропию. Было сделано множество попыток изгнать демона Максвелла, но все они оставались безуспешными до последнего времени. (Я сам принял участие в этом акте экзорцизма.) Несмотря на путаницу, которую сеял демон Максвелла все эти годы, окончательное решение оказалось на удивление простое: фундаментальные законы физики сохраняют информацию. Поэтому общая информация/энтропия газа и демона, взятых вместе, уменьшиться не может.

На практике это простое решение требует большой деликатности. Ниже я представлю полную квантово-механическую модель демона Максвелла, которая объясняет, как демон получает информацию и делает свое дело. Пока давайте рассмотрим простую модель битов, подобную той, о которой мы уже говорили. Возьмем два бита. Значение первого бита, соответствующего демону, сначала будет 0. Значение второго бита, соответствующего газу, может быть или 0 или 1. Сначала у демона нет никаких битов энтропии, а у газа есть один бит энтропии.

Первый шаг в процессе извлечения энтропии – когда бит демона получает информацию о бите газа. Для этого можно выполнить операцию «условное не» с битом демона, где бит газа является управляющим. Эта операция инвертирует бит демона в том и только том случае, если значение бита газа 1. Следовательно, после операции значение бита демона станет тем же, что и значение бита газа – или 0, или 1. Таким образом, у бита демона и бита газа теперь есть один бит взаимной информации. Можно сказать, что бит демона измерил состояние бита газа, чтобы получить эту взаимную информацию.

Второй шаг процесса – попросить демона уменьшить энтропию газа. Демон может сделать это, выполнив операцию «условное не» с битом газа, используя свой собственный бит в качестве управляющего. Так как значения обоих битов одинаковы, вторая операция даст биту газа значение 0. Действительно, если значение бита демона 0, то он оставит бит газа в состоянии 0. Если значение бита демона 1, он инвертирует бит газа из 1 в 0. В любом случае бит газа теперь находится в известном состоянии 0 и имеет нуль битов энтропии. Демон уменьшил энтропию газа на один бит.

Теперь ситуация будет следующей. Бит газа находится в состоянии 0. Бит демона 0, если бит газа сначала был в состоянии 0, и 1, если бит газа сначала был в состоянии 1. Две операции «условное не» с разными управляющими битами фактически поменяли начальный бит демона с начальным битом газа. Энтропия газа уменьшилась на один бит, но общая сумма информации газа и демона, взятых вместе, осталась неизменной. Демон не нарушает второго начала термодинамики!

Обратите внимание, что передача информации от газа к демону происходит в соответствии с принципом Ландауэра, приведенным выше. Цель демона – «стереть» бит газа, установив его значение в 0. Но фундаментальные законы физики сохраняют информацию, и поэтому демон может свести значение бита газа к 0, только передав информацию от бита газа к своему собственному биту. Общее количество информации остается неизменным.

В статье о демоне Максвелла, опубликованной в журнале Scientific American, Чарльз Беннетт из IBM показал, как принцип Ландауэра не позволяет демону нарушить второе начало термодинамики, извлекая работу из одночастичного газа{7}. В последующей работе, опубликованной в Physical Review, я показал, что этот довод относится не только к системам битов, но и ко всем физическим системам – тепловым машинам, ураганам и чему угодно еще{8}. Физическую динамику можно использовать для того, чтобы получать информацию, и эту информацию можно использовать для того, чтобы уменьшить энтропию конкретного элемента системы, но общая сумма информации/энтропии при этом не уменьшится. (Читатель, которого интересует демонология, может ознакомиться с двумя сборниками статей под редакцией Харви Леффа и Эндрю Рекса о демоне Максвелла{9}.)

Если решение проблемы демона Максвелла опирается на фундамент физического закона, требующего сохранения информации, то почему эта проблема создала такую путаницу в последние полтора столетия? Потому что она связана с различиями между информацией и энтропией. Как мы помним, энтропия – это невидимая информация, или «неведение», и она нам недоступна. Но различие между «видимым» и «невидимым» зависит от того, кто является наблюдателем. Поэтому можно уменьшить энтропию системы, просто наблюдая за ней.

Чтобы увидеть, как проявляется различие между видимой и невидимой информацией в случае демона Максвелла, давайте сравним точку зрения демона с точкой зрения стороннего наблюдателя. Наблюдатель, как и демон, знает, что значение бита демона сначала было равно 0, но не знает начального значения бита газа. В отличие от демона, наблюдатель не может следить за результатами выполнения цепочки операций «условное не». Он только знает, что эти операции имеют место. Таким образом, и наблюдатель, и демон согласны друг с другом относительно динамики взаимодействия между битом демона и битом газа, но граница между видимым и невидимым проходит для них в разных местах. В частности, бит демона после первой операции известен демону, но не наблюдателю.

Перед первой операцией и демон, и внешний наблюдатель знают, что энтропия бита демона равна нулю (его состояние известно), а энтропия бита газа равна единице (два возможных состояния). После первой операции бит демона полностью коррелирует с состоянием бита газа. Это значит, что теперь демон «знает», каково значение бита газа. Точнее, если говорить о демоне, для него энтропия бита газа равна нулю, поскольку она обусловлена состоянием бита демона после операции, а это состояние демону известно. Информация в бите газа раньше была невидимой для демона, а теперь стала видимой. С точки зрения демона энтропия уменьшилась на один бит, а видимая информация увеличилась на один бит.

Но что известно наблюдателю? После первой операции наблюдатель знает, что бит демона и бит газа в точности коррелируют. Их значения – или 00, или 11, но наблюдатель не знает, какие именно. Соответственно, наблюдатель считает, что бит демона и бит газа вместе взятые имеют энтропию в один бит. Поскольку информация, содержащаяся в газе и в демоне, остается для наблюдателя невидимой, он считает, что энтропия остается постоянной и составляет один бит.

После второй операции «условное не» бит, который первоначально находился в газе, перешел к демону. И демон, и наблюдатель знают, что состояние бита газа теперь равно 0. Демону его собственный бит известен: он хранит один бит информации, а энтропия равна нулю. Наблюдателю бит демона невидим, и поэтому для него энтропия составляет один бит. При этом и демон, и наблюдатель согласны, что общая сумма информации составляет один бит. Второе начало термодинамики относится к общей сумме информации, известной и неизвестной.

Остановим пока демона Максвелла и дискуссию об увеличении и уменьшении энтропии. Главное, как показали в конце XIX в. специалисты по статистической механике, мир состоит из битов. Второе начало термодинамики – это утверждение об обработке информации: фундаментальная физическая динамика Вселенной сохраняет биты и препятствует уменьшению их количества. Чтобы как следует понять эту физическую динамику, нужно обратиться к квантовой механике, которая описывает, как физические системы ведут себя на самом фундаментальном уровне. Но прежде чем заняться квантовой механикой, давайте кратко рассмотрим, как способны обрабатывать информацию классические системы, такие как атомы газа или шары на столе для игры в снукер.

Оглавление книги