Философские эксперименты. Гравитационные волны. Знаменитый скрипач Томсона

Гравитационные волны – изображение художника

Гравитационные волны - возмущения метрики пространства-времени, отрывающиеся от источника и распространяющиеся подобно волнам (так называемая «рябь пространства-времени»).

В общей теории относительности и в большинстве других современных теорий гравитации гравитационные волны порождаются движением массивных тел с переменным ускорением. Гравитационные волны свободно распространяются в пространстве со скоростью света. Ввиду относительной слабости гравитационных сил (по сравнению с прочими) эти волны имеют весьма малую величину, с трудом поддающуюся регистрации.

Поляризованная гравитационная волна

Гравитационные волны предсказываются общей теорией относительности (ОТО), многими другими . Впервые они были непосредственно обнаружены в сентябре 2015 года двумя детекторами-близнецами , на которых были зарегистрированы гравитационные волны, возникшие, вероятно, в результате слияния двух и образования одной более массивной вращающейся чёрной дыры. Косвенные свидетельства их существования были известны с 1970-х годов - ОТО предсказывает совпадающие с наблюдениями темпы сближения тесных систем за счёт потери энергии на излучение гравитационных волн. Прямая регистрация гравитационных волн и их использование для определения параметров астрофизических процессов является важной задачей современной физики и астрономии.

В рамках ОТО гравитационные волны описываются решениями уравнений Эйнштейна волнового типа, представляющими собой движущееся со скоростью света (в линейном приближении) возмущение метрики пространства-времени. Проявлением этого возмущения должно быть, в частности, периодическое изменение расстояния между двумя свободно падающими (то есть не испытывающими влияния никаких сил) пробными массами. Амплитудой h гравитационной волны является безразмерная величина - относительное изменение расстояния. Предсказываемые максимальные амплитуды гравитационных волн от астрофизических объектов (например, компактных двойных систем) и явлений (взрывов , слияний , захватов чёрными дырами и т. п.) при измерениях в весьма малы (h =10 −18 -10 −23). Слабая (линейная) гравитационная волна согласно общей теории относительности переносит энергию и импульс, двигается со скоростью света, является поперечной, квадрупольной и описывается двумя независимыми компонентами, расположенными под углом 45° друг к другу (имеет два направления поляризации).

Различные теории по-разному предсказывают скорость распространения гравитационных волн. В общей теории относительности она равна скорости света (в линейном приближении). В других теориях гравитации она может принимать любые значения, в том числе до бесконечности. По данным первой регистрации гравитационных волн их дисперсия оказалась совместимой с безмассовым гравитоном, а скорость оценена как равная скорости света.

Генерация гравитационных волн

Система из двух нейтронных звезд порождает рябь пространства-времени

Гравитационную волну излучает любая материя, движущаяся с асимметричным ускорением. Для возникновения волны существенной амплитуды необходимы чрезвычайно большая масса излучателя или/и огромные ускорения, амплитуда гравитационной волны прямо пропорциональна первой производной ускорения и массе генератора, то есть ~ . Однако если некоторый объект движется ускоренно, то это означает, что на него действует некоторая сила со стороны другого объекта. В свою очередь, этот другой объект испытывает обратное действие (по 3-му закону Ньютона), при этом оказывается, что m 1 a 1 = − m 2 a 2 . Получается, что два объекта излучают гравитационные волны только в паре, причём в результате интерференции они взаимно гасятся почти полностью. Поэтому гравитационное излучение в общей теории относительности всегда носит по мультипольности характер как минимум квадрупольного излучения. Кроме того, для нерелятивистских излучателей в выражении для интенсивности излучения имеется малый параметр где - гравитационный радиус излучателя, r - его характерный размер, T - характерный период движения, c - скорость света в вакууме.

Наиболее сильными источниками гравитационных волн являются:

• сталкивающиеся (гигантские массы, очень небольшие ускорения),
• гравитационный коллапс двойной системы компактных объектов (колоссальные ускорения при довольно большой массе). Как частный и наиболее интересный случай - слияние нейтронных звёзд. У такой системы гравитационно-волновая светимость близка к максимально возможной в природе планковской светимости.

Гравитационные волны, излучаемые системой двух тел

Два тела, движущиеся по круговым орбитам вокруг общего центра масс

Два гравитационно связанных тела с массами m 1 и m 2 , движущиеся нерелятивистски (v << c ) по круговым орбитам вокруг их общего центра масс на расстоянии r друг от друга, излучают гравитационные волны следующей энергии, в среднем за период:

Вследствие этого система теряет энергию, что приводит к сближению тел, то есть к уменьшению расстояния между ними. Скорость сближения тел:

Для Солнечной системы, например, наибольшее гравитационное излучение производит подсистема и . Мощность этого излучения примерно 5 киловатт. Таким образом, энергия, теряемая Солнечной системой на гравитационное излучение за год, совершенно ничтожна по сравнению с характерной кинетической энергией тел.

Гравитационный коллапс двойной системы

Любая двойная звезда при вращении её компонент вокруг общего центра масс теряет энергию (как предполагается - за счёт излучения гравитационных волн) и, в конце концов, сливается воедино. Но для обычных, некомпактных, двойных звёзд этот процесс занимает очень много времени, много большее настоящего возраста . Если же двойная компактная система состоит из пары нейтронных звёзд, чёрных дыр или их комбинации, то слияние может произойти за несколько миллионов лет. Сначала объекты сближаются, а их период обращения уменьшается. Затем на заключительном этапе происходит столкновение и несимметричный гравитационный коллапс. Этот процесс длится доли секунды, и за это время в гравитационное излучение уходит энергия, составляющая по некоторым оценкам более 50 % от массы системы.

Основные точные решения уравнений Эйнштейна для гравитационных волн

Объёмные волны Бонди - Пирани - Робинсона

Эти волны описываются метрикой вида . Если ввести переменную и функцию , то из уравнений ОТО получим уравнение

Метрика Такено

имеет вид , -функции, удовлетворяют тому же уравнению.

Метрика Розена

Где удовлетворяют

Метрика Переса

При этом

Цилиндрические волны Эйнштейна - Розена

В цилиндрических координатах такие волны имеют вид и выполняются

Регистрация гравитационных волн

Регистрация гравитационных волн достаточно сложна ввиду слабости последних (малого искажения метрики). Приборами для их регистрации являются детекторы гравитационных волн. Попытки обнаружения гравитационных волн предпринимаются с конца 1960-х годов. Гравитационные волны детектируемой амплитуды рождаются при коллапсе двойного . Подобные события происходят в окрестностях ориентировочно раз в десятилетие.

С другой стороны, общая теория относительности предсказывает ускорение взаимного вращения двойных звёзд из-за потери энергии на излучение гравитационных волн, и этот эффект надёжно зафиксирован в нескольких известных системах двойных компактных объектов (в частности, пульсаров с компактными компаньонами). В 1993 году «за открытие нового типа пульсаров, давшее новые возможности в изучении гравитации» открывателям первого двойного пульсара PSR B1913+16 Расселу Халсу и Джозефу Тейлору мл. была присуждена Нобелевская премия по физике. Ускорение вращения, наблюдаемое в этой системе, полностью совпадает с предсказаниями ОТО на излучение гравитационных волн. Такое же явление зафиксировано ещё в нескольких случаях: для пульсаров PSR J0737-3039, PSR J0437-4715, SDSS J065133.338+284423.37 (обычно сокращённо J0651) и системы двойных RX J0806. Например, расстояние между двумя компонентами A и B первой двойной звезды из двух пульсаров PSR J0737-3039 уменьшается примерно на 2,5 дюйма (6,35 см) в день из-за потерь энергии на гравитационные волны, причём это происходит в согласии с ОТО. Все эти данные интерпретируются как непрямые подтверждения существования гравитационных волн.

По оценкам наиболее сильными и достаточно частыми источниками гравитационных волн для гравитационных телескопов и антенн являются катастрофы, связанные с коллапсами двойных систем в ближайших галактиках. Ожидается, что в ближайшем будущем на усовершенствованных гравитационных детекторах будет регистрироваться несколько подобных событий в год, искажающих метрику в окрестности на 10 −21 -10 −23 . Первые наблюдения сигнала оптико-метрического параметрического резонанса, позволяющего обнаружить воздействие гравитационных волн от периодических источников типа тесной двойной на излучение космических мазеров, возможно, были получены на радиоастрономической обсерватории РАН, Пущино.

Ещё одной возможностью детектирования фона гравитационных волн, заполняющих Вселенную, является высокоточный тайминг удалённых пульсаров - анализ времени прихода их импульсов, которое характерным образом изменяется под действием проходящих через пространство между Землёй и пульсаром гравитационных волн. По оценкам на 2013 год, точность тайминга необходимо поднять примерно на один порядок, чтобы можно было задетектировать фоновые волны от множества источников в нашей Вселенной, и эта задача может быть решена до конца десятилетия.

Согласно современным представлениям, нашу Вселенную заполняют реликтовые гравитационные волны, появившиеся в первые моменты после . Их регистрация позволит получить информацию о процессах в начале рождения Вселенной. 17 марта 2014 года в 20:00 по московскому времени в Гарвард-Смитсоновском центре астрофизики американской группой исследователей, работающей над проектом BICEP 2, было объявлено о детектировании по поляризации реликтового излучения ненулевых тензорных возмущений в ранней Вселенной, что также является открытием этих реликтовых гравитационных волн. Однако почти сразу этот результат был оспорен, поскольку, как выяснилось, не был должным образом учтён вклад . Один из авторов, Дж. М. Ковац (Kovac J. M. ), признал, что «с интерпретацией и освещением данных эксперимента BICEP2 участники эксперимента и научные журналисты немного поторопились».

Экспериментальное подтверждение существования

Первый зафиксированный гравитационно-волновой сигнал. Слева данные с детектора в Хэнфорде (H1), справа - в Ливингстоне (L1). Время отсчитывается от 14 сентября 2015, 09:50:45 UTC. Для визуализации сигнала он отфильтрован частотным фильтром с полосой пропускания 35-350 Герц для подавления больших флуктуаций вне диапазона высокой чувствительности детекторов, также были применены полосовые режекторные фильтры для подавления шума самих установок. Верхний ряд: напряжения h в детекторах. GW150914 сначала прибыл на L1 и через 6 9 +0 5 −0 4 мс на H1; для визуального сравнения данные с H1 показаны на графике L1 в обращённом и сдвинутом по времени виде (чтобы учесть относительную ориентацию детекторов). Второй ряд: напряжения h от гравитационно-волнового сигнала, пропущенные через такой же полосный фильтр 35-350 Гц. Сплошная линия - результат численной относительности для системы с параметрами, совместимыми с найденными на базе изучения сигнала GW150914, полученный двумя независимыми кодами с результирующим совпадением 99,9. Серые толстые линии - области 90 % доверительной вероятности формы сигнала, восстановленные из данных детекторов двумя различными методами. Тёмно-серая линия моделирует ожидаемые сигналы от слияния чёрных дыр, светло-серая не использует астрофизических моделей, а представляет сигнал линейной комбинацией синусоидально-гауссовых вэйвлетов. Реконструкции перекрываются на 94 %. Третий ряд: Остаточные ошибки после извлечения отфильтрованного предсказания сигнала численной относительности из отфильтрованного сигнала детекторов. Нижний ряд: представление частотной карты напряжений, показывающее возрастание доминирующей частоты сигнала со временем.

11 февраля 2016 года коллаборациями LIGO и VIRGO. Сигнал слияния двух чёрных дыр с амплитудой в максимуме около 10 −21 был зарегистрирован 14 сентября 2015 года в 9:51 UTC двумя детекторами LIGO в Хэнфорде и Ливингстоне через 7 миллисекунд друг от друга, в области максимальной амплитуды сигнала (0,2 секунды) комбинированное отношение сигнал-шум составило 24:1. Сигнал был обозначен GW150914. Форма сигнала совпадает с предсказанием общей теории относительности для слияния двух чёрных дыр массами 36 и 29 солнечных; возникшая чёрная дыра должна иметь массу 62 солнечные и параметр вращения a = 0,67. Расстояние до источника около 1,3 миллиарда , излучённая за десятые доли секунды в слиянии энергия - эквивалент около 3 солнечных масс.

История

История самого термина «гравитационная волна», теоретического и экспериментального поиска этих волн, а также их использования для исследований явлений недоступных иными методам.

• 1900 - Лоренц предположил, что гравитация «…может распространятся со скоростью, не большей скорости света»;
• 1905 - Пуанкаре впервые ввёл термин гравитационная волна (onde gravifique). Пуанкаре, на качественном уровне, снял устоявшиеся возражения Лапласа и показал, что связанные с гравитационными волнами поправки к общепринятым законам тяготения Ньютона порядка сокращаются, таким образом, предположение о существовании гравитационных волн не противоречит наблюдениям;
• 1916 - Эйнштейн показал, что в рамках ОТО механическая система будет передавать энергию гравитационным волнам и, грубо говоря, любое вращение относительно неподвижных звёзд должно рано или поздно остановиться, хотя, конечно, в обычных условиях потери энергии порядка ничтожны и практически не поддаются измерению (в этой работе он ещё ошибочно полагал, что механическая система, постоянно сохраняющая сферическую симметрию, может излучать гравитационные волны);
• 1918 - Эйнштейн вывел квадрупольную формулу, в которой излучение гравитационных волн оказывается эффектом порядка , тем самым исправив ошибку в своей предыдущей работе (осталась ошибка в коэффициенте, энергия волны в 2 раза меньше);
• 1923 - Эддингтон - поставил под сомнение физическую реальность гравитационных волн «…распространяются… со скоростью мысли». В 1934 году, при подготовке русского перевода своей монографии «Теория относительности», Эддингтон добавил несколько глав, включая главы с двумя вариантами расчётов потерь энергии вращающимся стержнем, но отметил, что использованные методы приближенных расчётов ОТО, по его мнению, неприменимы к гравитационно связанным системам, поэтому сомнения остаются;
• 1937 - Эйнштейн совместно с Розеном исследовал цилиндрические волновые решения точных уравнений гравитационного поля. В ходе этих исследований у них возникли сомнения, что гравитационные волны, возможно, являются артефактом приближенных решений уравнений ОТО (известна переписка относительно рецензии на статью Эйнштейна и Розена «Существуют ли гравитационные волны?»). Позднее он нашёл ошибку в рассуждениях, окончательный вариант статьи с фундаментальными правками был опубликован уже в «Journal of the Franklin Institute»;
• 1957 - Герман Бонди и Ричард Фейнман предложили мысленный эксперимент «трость с бусинками» в котором обосновали существование физических последствий гравитационных волн в ОТО;
• 1962 - Владислав Пустовойт и Михаил Герценштейн описали принципы использования интерферометров для обнаружения длинноволновых гравитационных волн;
• 1964 - Филип Петерс и Джон Мэтью теоретически описали гравитационные волны, излучаемые двойными системами;
• 1969 - Джозеф Вебер, основатель гравитационно-волновой астрономии, сообщает об обнаружении гравитационных волн с помощью резонансного детектора - механической гравитационной антенны. Эти сообщения порождают бурный рост работ в этом направлении, в частности, Ренье Вайс, один из основателей проекта LIGO, начал эксперименты в то время. На настоящий момент (2015) никому так и не удалось получить надёжных подтверждений этих событий;
• 1978 - Джозеф Тейлор сообщил об обнаружении гравитационного излучения в двойной системе пульсара PSR B1913+16. Исследования Джозефа Тейлора и Рассела Халса заслужили Нобелевскую премию по физике за 1993 год. На начало 2015 года три пост-кеплеровских параметра, включающих уменьшение периода вследствие излучения гравитационных волн, было измерено, как минимум, для 8 подобных систем;
• 2002 - Сергей Копейкин и Эдвард Фомалонт произвели с помощью радиоволной интерферометрии со сверхдлинной базой измерения отклонения света в гравитационном поле Юпитера в динамике, что для некоторого класса гипотетических расширений ОТО позволяет оценить скорость гравитации - отличие от скорости света не должно превышать 20 % (данная трактовка не общепринята);
• 2006 - международная команда Марты Бургей (Обсерватория Паркса, Австралия) сообщила о существенно более точных подтверждениях ОТО и соответствия ей величины излучения гравитационных волн в системе двух пульсаров PSR J0737-3039A/B;
• 2014 - астрономы Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (BICEP) сообщили об обнаружении первичных гравитационных волн при измерениях флуктуаций реликтового излучения. На настоящий момент (2016) обнаруженные флуктуации считаются не имеющими реликтового происхождения, а объясняются излучением пыли в Галактике;
• 2016 - международная команда LIGO сообщила об обнаружении события прохождения гравитационных волн GW150914. Впервые сообщено о прямом наблюдении взаимодействующих массивных тел в сверхсильных гравитационных полях со сверхвысокими относительными скоростями (< 1,2 × R s , v/c > 0.5), что позволило проверить корректность ОТО с точностью до нескольких постньютоновских членов высоких порядков. Измеренная дисперсия гравитационных волн не противоречит сделанным ранее измерениям дисперсии и верхней границы массы гипотетического гравитона (< 1,2 × 10 −22 эВ), если он в некотором гипотетическом расширении ОТО будет существовать.

Эксперимент с красными бусинами Деминг начал проводить в своих первых лекциях для японцев в 1950 г., чтобы продемонстрировать разницу между общими и особыми причинами вариаций. В течение многих лет Деминг использовал для экспериментов с красными бусинами одни и те же приспособления. Этими основными приспособлениями служат: коробка с белыми и красными бусинами в пропорции примерно 4: 1 и прямоугольный кусок пластика, дерева, металла и т.п., обычно называемый лопаткой, в котором сделано 50 вертикальных углублений. Выборка из 50 бусинок достигается путем погружения лопатки в коробку. (Замечание для статистиков: я намеренно не употребляю термин «случайная выборка», даже с учетом того, что бусины могут быть хорошо перемешаны, прежде чем в них погрузят лопатку.)

Основная форма эксперимента с красными бусинами, которая демонстрируется на четырехдневных семинарах, остается относительно неизменной на протяжении нескольких лет. Из аудитории приглашаются добровольцы:

шесть заинтересованных рабочих (им не требуется каких-либо специальных навыков: они пройдут обучение и должны будут выполнять все требования без вопросов и жалоб);

два младших инспектора (им достаточно уметь считать до двадцати);

главный инспектор (должен уметь сравнить два числа на предмет их равенства или неравенства и уметь говорить громко и четко);

регистратор (должен уметь аккуратно писать и производить простые арифметические действия).

Рабочий день для каждого рабочего - это процесс взятия выборки (50 бусинок) из коробки с помощью лопатки. Белые бусины - это хороший продукт, приемлемый для потребителя. Красные бусины - продукт непри

емлемый. В соответствии с требованиями мастера или пожеланиями высшего руководства ставится задача не допускать попадания более одной-трех красных бусин. Рабочие обучаются мастером (Демингом), который дает точные инструкции о том, как должна проводиться работа: как нужно смешивать бусинки, каковы должны быть направления, расстояния, углы и уровень помешивания при пользовании лопаткой. Для минимизации вариаций процедуру нужно стандартизировать и регламентировать.

Рабочие должны очень внимательно следовать всем инструкциям, ведь от результатов их труда зависит, останутся ли они на работе.

«Запомните, каждый ваш рабочий день может быть последним в зависимости от того, как вы работаете. Я надеюсь, вы получите удовольствие от своей работы!»

В процессе контроля участвует много персонала, однако он весьма эффективен. Каждый рабочий приносит выполненную дневную работу к первому младшему инспектору, который молча пересчитывает и записывает число красных бусинок, а затем идет ко второму инспектору, который делает то же самое. Главный инспектор, также сохраняя молчание, сравнивает эти два счета. Если они различаются, значит, закралась ошибка! Еще больше заставляет задуматься тот факт, что даже если оба счета совпадают, они тем не менее могут быть ошибочными. Однако процедура такова, что в случае ошибки инспекторы, по-прежнему независимо друг от друга, должны пересчитывать результат. Когда показания счета совпадают, главный инспектор объявляет результат и регистратор заносит его на слайд, проецируемый на расположенный выше экран.

Рабочий возвращает свои бусинки в коробку - его рабочий день завершен.

Работа продолжается в течение четырех дней. Всего получается 24 результата. Мастер постоянно их комментирует. Он хвалит Эла за снижение количества красных бусинок до четырех, и аудитория рукоплещет ему. Он ругает Одри за получение шестнадцати красных, и аудитория нервно смеется. Как это у Одри может быть в четыре раза больше дефектных бусинок, если только она не беспечна и не ленива? Никто из остальных работников также не может оставаться спокойным, ведь если Эл мог сделать четыре, то и каждый может это сделать. Эл - несомненный «рабочий дня», и он получит премию. Но на следующий день у Эла находят девять красных бусинок, поскольку он чересчур успокоился. Одри приносит десять: она плохо начала, но теперь начинает исправляться, в особенности после серьезного разговора с мастером в конце первого дня. Стоп! Остановить линию! Бен только что сделал семнадцать красных! Давайте проведем собрание и постараемся понять, в чем причина плохой работы. Такого рода работа может привести к закрытию предприятия. В конце второго дня мастер

Организация как система

проводит серьезный разговор с рабочими. По мере того как люди осваиваются и становятся более опытными, их результаты должны улучшаться. Вместо этого вслед за 54 красными бусинками, полученными в первый день, на второй день их было получено целых 65. Неужели рабочие не понимают своей задачи? Задача состоит в том, чтобы получать белые бусины, а не красные. Будущее выглядит довольно мрачно. Никто не достиг цели. Они должны стараться работать лучше.

Подавленные рабочие возвращаются к работе. И вдруг возникают два проблеска: Одри, продолжая улучшать свои результаты, достигает семи красных бусинок; на верном пути и Бен, повторивший успех первого дня своей работы - девять красных! Однако все остальные работают хуже. Общее число красных бусинок вновь поднимается и достигает 67. День завершается без успехов, как и предыдущие. Мастер говорит рабочим, что, если существенных улучшений не произойдет, предприятие придется закрыть.

Начинается четвертый день. С облегчением мы обнаруживаем, что дела пошли лучше благодаря Одри, которая теперь производит только шесть красных бусинок*. Но в целом день заканчивается 58 красными, что по- прежнему хуже, чем в первый день.

Вот все результаты, полученные на данный момент: День 1 День 2 День 3 День 4 Сумма Одри 16 10 7 6 39 Джон 9 11 12 10 42 Эл 4 9 13 11 37 Кэрол 7 11 14 11 43 Бен 9 17 9 13 48 Эд 9 7 12 7 35 Сумма за день Итого 54 65 67 58 244 На этой стадии мастер решает призвать на помощь известное великое достижение менеджмента - сохранить предприятие, оставив только лучших рабочих. Он увольняет Бена, Кэрол и Джона, трех рабочих, которые сделали 40 и более красных бусинок за четыре дня, и оставляет Одри, Эла и Эда, выплачивая им премию и заставляя работать в две смены.

Неудивительно, что это не дает результата.

* Примечание для традиционных статистиков: при стандартной нуль-гипотезе, и при том, что Одри получила четыре различных оценки, шанс, что эти оценки становились лучше день ото дня, равен 1/4! = 1/24 = 0,024. Это значимый результат больше чем на 5 %-ном уровне значимости! - Прим. авт.

Глава 6. Эксперимент с красными бусинами

Наблюдая эксперимент с красными бусинами, мы получаем редкое преимущество: мы хорошо понимаем систему и можем быть уверены, что она управляема. Как только мы осознаем это, нам становится ясно, насколько бессмысленны все действия мастера (или кого-либо еще) с целью воздействия на результаты, которые предположительно зависят от рабочих, а на самом деле полностью обусловлены существующей системой. Все эти поступки были реакцией на чисто случайные вариации.

Однако предположим, что у нас отсутствует понимание системы. Что нам делать тогда? Тогда нам нужно было бы нанести данные на контрольную карту и дать ей возможность рассказать нам о поведении процесса. Центральная линия на карте соответствует среднему показанию, т.е. 244/24 = 10,2, поэтому расчет дает:

Отсюда для положения верхней и нижней контрольных границ имеем:

10,2 + (3 х 2,8) = 18,6 и 10,2 - (3 х 2,8) = 1,8

соответственно (аналогичные расчеты см.: «Выхода из кризиса», стр. 304). Контрольная карта показана на рисунке 17.

Эта карта подтверждает то, что мы и предполагали: процесс находится в статистически управляемом состоянии. Вариации вызываются системой. Рабочие беспомощны: они могут выдать только то, что дает система. Система стабильна и предсказуема. Если мы проведем эксперимент завтра, или послезавтра, или на следующей неделе, то, по всей видимости, получим похожий разброс результатов.

Центральная

Рис. 17. Контрольная карта данных эксперимента с красными бусинами

Организация как система

Участники семинара, настроенные на активное восприятие выводов, вытекающих из эксперимента с красными бусинами, могут сделать много интересных наблюдений еще до того, как Деминг начнет подведение итогов. Они видят удовольствие, получаемое от хороших результатов, и огорчение от плохих, не зависящих от ругательств и критики мастера. Они видят тенденцию (например, тенденцию Одри к значительному улучшению результатов), видят относительно однородные результаты (как, например, у Джона) и переменчивые (как у Бена). Они видят и слышат жалобы и стенания мастера, когда его бесполезные и бессмысленные указания не выполняются буквально. Они видят, как рабочих сравнивают друг с другом, в то время как на самом деле рабочие не имеют возможности воздействовать на получение результатов: результаты полностью определяются системой, внутри которой они работают. А еще участники семинара видят, как рабочие теряют свою работу без какой-либо вины с их стороны, в то время как другие получаю премию, не имея особых заслуг (кроме той, что система относится к ним более лояльно).

Деминг указывает на некоторые очевидные особенности эксперимента плюс на несколько других, менее очевидных. Так, накопленные средние значения в конце каждого из четырех дней соответственно составляют:

Деминг спрашивает у аудитории, на каком значении установится среднее, если эксперимент продолжать дальше. Поскольку отношение белых и красных бусинок 4:1, для тех, кто знакомы с законами математики, ясно, что ответ должен быть 10,0. Но это оказывается не так. Это было бы правильным, если бы выборка производилась по методу случайных чисел. Но в действительности она осуществляется путем погружения лопатки в коробку. Это механическая выборка, а не случайная, для которой применимы математические законы. В качестве дополнительных доказательств Деминг приводит результаты, полученные при использовании в течение ряда лет четырех различных лопаток. Как минимум для двух из них традиционный статистик оценил бы результаты как «статистически значимо» отличающиеся от 10,0. А какой же тип выборки мы осуществляем в производственных процессах? Механический или случайный? В какое положение все это ставит тех, кто зависит только от стандартной статистической теории в приложении к промышленности?

Не все в этом эксперименте дает пример того, как не надо делать. В том, как организован процесс контроля, имеется важный положительный аспект. На первый взгляд, он противоречит одной из идей, которую Деминг иногда

Глава 6. Эксперимент с красными бусинами

рассматривает на своих семинарах, - и в процессе контроля имеет место разделение ответственности. На самом деле вклады каждого из контролеров в результат независимы один от другого; риск разделения ответственности здесь сведен к риску консенсуса. Этот вопрос обсуждается более подробно в главе 21 (см. также правило 4 в экспериментах с воронкой и мишенью).

Как в эксперименте с воронкой (см. главу 5), так и в эксперименте с красными бусинами возникает естественный вопрос: что же можно сделать для улучшения дел? Мы уже знаем ответ. Так как рассматриваемая система находится в состоянии статистического контроля, настоящих улучшений можно достигнуть только путем ее реального изменения. Их не получить воздействием на выходы, т.е. результаты работы системы: воздействие на выходы годится только в присутствии особых причин вариаций. Воздействие на результаты - это как раз то, на что нацелены правила 2, 3 и 4 в эксперименте с воронкой, на это же направлены и все эмоциональные восклицания мастера в данном эксперименте.

Воздействия на систему с целью устранения общих причин вариаций - обычно более трудная задача, чем действия по устранению особых причин. Так, в эксперименте с воронкой сама воронка может быть опущена или использована более мягкая ткань для покрытия стола, с тем чтобы погасить часть движений шарика после его падения. В эксперименте с красными бусинами каким-то образом доля красных бусинок в коробке должна быть уменьшена - путем введения улучшений на предшествующих стадиях производственного процесса или при поставках исходных материалов либо того и другого вместе.

Деминг ссылается на эксперимент с красными бусинами как «донельзя простой». Так и есть. Однако, как и в случае эксперимента с воронкой, передаваемые при этом идеи оказываются вовсе не такими уж простыми.

Не потеряйте. Подпишитесь и получите ссылку на статью себе на почту.

Что такое мысленный эксперимент?

Мысленным экспериментом в философии, физике и ряде других наук называется форма познавательной деятельности, где какая-либо ситуация моделируется не в привычном для каждого из нас виде реального эксперимента, а в воображении. Данное понятие впервые было введено в употребление австрийским философом-позитивистом, механиком и физиком Эрнстом Махом.

На сегодняшний день термин «мысленный эксперимент» активно употребляется различными учёными, предпринимателями, политиками и специалистами в различных областях по всему миру. Кто-то из них предпочитает проводить свои собственные мысленные эксперименты, а кто-то приводит всевозможные их примеры, с лучшими образцами которых мы и хотим вас познакомить.

Как и стало понятно из названия, всего мы рассмотрим восемь экспериментов.

Философский зомби

Представьте себе ожившего мертвеца. Но не зловещего, а такого скромного, безобидного, похожего на обычного человека. Единственное, что отличает его от людей, это то, что он не может ничего чувствовать, не обладает осознанным опытом, однако в состоянии повторять за людьми их действия и реакции, к примеру, если его обжечь огнём, он искусно сымитирует боль.

Если бы такой зомби существовал, это пошло бы вразрез с теорией физикализма, где восприятие человека обусловлено только процессами физического плана. Философский зомби также никак не соотносится и с бихевиористскими воззрениями, согласно которым любые проявления, желания и сознание человека сведены к поведенческим факторами, а такого зомби невозможно отличить от обычного человека. Данный эксперимент частично касается также и проблемы искусственного разума, ведь на месте зомби может быть и пресловутый андроид, способный копировать человеческие повадки.

Квантовый суицид

Второй эксперимент касается квантовой механики, но здесь меняется — с позиции очевидца на позицию участника. Взять для примера кота Шредингера, стреляющего себе в голову из ружья с механизмом, работающем на распаде радиоактивного атома. Ружьё может дать осечку в 50% случаев. , происходит столкновение двух квантовых теорий: «копенгагенской» и многомировой.

По первой, кот не сможет быть в двух состояниях одновременно, т.е. он будет либо жив, либо мёртв. Но согласно второй, любая новая попытка выстрела как бы разделяет вселенную на две альтернативы: в первой кот жив, во второй – мёртв. Однако альтер-эго кота, оставшееся жить, так и останется в неведении о своей кончине в параллельной реальности.

Автор эксперимента, профессор Макс Тегмарк, склоняется к теории мультивселенной. Но большая часть специалистов в области квантовой механики, которые были опрошены Тегмарком, доверяет «копенгагенской» квантовой теории.

Яд и вознаграждение

Занавес неведения

Прекрасный эксперимент на тему социальной справедливости.

Пример: всё, что касается социальной организации, доверено определённой группе людей. Чтобы та концепция, которую они придумали, была максимально объективной, эти люди были лишены знаний о своём статусе в обществе, принадлежности к классам, коэффициенте интеллекта и других , которые могут гарантировать конкурентное превосходство – это всё и есть «занавес неведения».

Вопрос состоит в том, какую концепцию организации общества выберут люди, будучи неспособными к учёту своих собственных личных интересов?

Китайская комната

Человек, который , находится в комнате с корзинами, наполненными иероглифами. В его распоряжении подробное пособие на родном языке, объясняющее законы сочетания необычных знаков. Понимать значение всех иероглифов не нужно, т.к. применяются только правила начертания. Но в процессе работы с иероглифами можно создать текст, ничем не отличающийся от письменной речи жителя Китая.

За дверью комнаты стоят люди, передающие затворнику карточки с вопросами на китайском языке. Наш герой, учитывая правила из учебника, отвечает на них – его ответы для него смысла не имеют, однако для китайцев вполне логичны.

Если представить героя в качестве компьютера, учебник – в качестве информационной базы, а послания людей – в качестве вопросов компьютеру и ответов на них, эксперимент покажет ограничения возможностей компьютера и его неспособность к тому, чтобы овладеть мышлением человека в процессе простого реагирования на исходные условия посредством запрограммированного способа.

Теорема о бесконечных обезьянах

Исходя из этого эксперимента, абстрактная обезьяна, если будет в хаотичном порядке бить по клавишам печатного механизма в течение вечности, в один из моментов сможет напечатать любой текст, заданный изначально, например, «Гамлета» Шекспира.

По воплощению этого эксперимента в жизнь даже были предприняты попытки: преподаватели и студенты Плимутского университета собрали две тысячи долларов, чтобы выдать шести макакам в зоопарке компьютер. Прошёл месяц, но «испытуемые» так и не достигли успеха – их литературные наследие содержит всего пять страниц, где преобладает буква «S». Компьютер же был практически полностью уничтожен. Но сами экспериментаторы сказали, что извлекли из своего проекта много полезного.

Вы можете придумать и какие-то свои необычные мысленные эксперименты – для этого нужно лишь включить голову и . А не задумывались ли вы, кстати говоря, о том, что многие из нас практически каждый мысленно проводят всевозможные эксперименты с участием, например, себя, кого-то из близких или даже домашних животных? В следующий раз, представляя какую-нибудь ситуацию, запишите на бумаге или вообще опубликуйте – быть может, ваши идеи получат неплохое развитие.

Какие вам встречались самые впечатляющие мысленные эксперименты?

Почему инопланетяне не выходят с нами на контакт

На дороге лежит червяк, и вы проходите мимо него. Знает ли червяк, что вы разумный? Червяк даже не представляет о концепции разума, потому что вы являетесь намного более разумным, чем он. Так, червяк не имеет понятия о том, что что-то разумное прошло мимо него. Это заставляет задуматься, может ли у нас быть представление о том, что некие суперсущества также «проходят» мимо нас. Может, они не заинтересованы нами, потому что мы слишком глупы для них, чтобы даже помыслить о возможном диалоге? Вы не проходите мимо червяка с мыслями вроде «интересно, а о чём он думает?» Это может быть одним из лучших объяснений, почему инопланетяне до сих пор не вошли с нами в контакт. Если и наблюдают за нами, то они могли прийти к выводу, что признаков разумной жизни на Земле нет.

Как «следы» нас с вами путешествуют по Вселенной

У любого объекта, имеющего массу, есть гравитационное поле. Таким образом, в момент рождения ребёнка его гравитационное поле становится самостоятельным и начинает распространяться по космосу со скоростью света в виде постоянно растущей сферы.

Сила нашего гравитационного поля ослабевает на расстоянии, но никогда не достигает нуля. Так, распространяющиеся в бесконечности волны уже спустя 8,3 минуты после нашего рождения коснулись поверхности Солнца. 5,5 часа спустя они достигли Плутона.

Через 1 год наше гравитационное поле расширяется до сферы с диаметром 11,8 триллиона миль. Через 4 года с небольшим поле проскальзывает по поверхности нашей ближайшей из известных звёзд - Проксимы Центавра. К тридцати годам наше гравитационное поле расширяется на 300 триллионов миль вокруг нас в космосе.

Всё ещё чувствуете себя маленькими? От чего становится действительно не по себе, так это от того, что, когда мы умрём, наше гравитационное поле будет продолжать существовать вечно, бесконечно распространяясь по Вселенной, проходя через галактику Андромеды спустя миллионы лет и выходя за её пределы.

Частички всех, кого мы когда-либо знали, живых и нет, проносятся прямо сейчас через глубины космоса. Гравитационные поля наших самых далёких предков и всего, что когда-либо существовало, мчатся через Вселенную, вечно уменьшаясь, но никогда по-настоящему не исчезая.

Как выглядит путешествие назад во времени

Каково это испытать путешествие во времени назад? Сначала кажется, что вы просто будете наблюдать всё как бы в обратной перемотке, но если задуматься, то ощущаться будет это совершенно иначе.

В каждый отдельный момент времени, давайте назовём его T=0, мы обрабатываем информацию, закодированную в нашем мозге, которая отражает воспоминания из прошлого, моменты: T=-1, T=-2, T=-3 и т. д., а также гораздо более нечёткие ожидания и визуализацию будущего: T=1, 2, 3 и т. д.

Обычно от момента T=0 мы следуем к T=1. В это время физические процессы создают в памяти запись о мгновении T=0, которое встаёт в длинной череде моментов из прошлого.

Теперь давайте предположим, что вместо этого мы следуем назад, к T=-1. Есть ли у нас воспоминания о T=0? Нет. Их нет, потому что мы вернулись назад во времени к моменту, когда Вселенная существовала в T=-1, и в то мгновение у нас были воспоминания о T=-2 и только лишь ожидания T=0. И если мы вернёмся к T=-2, тогда в этот момент у нас будут воспоминания о T= -3 и ожидания T=-1.

Таким образом, неважно, как далеко назад мы вернёмся, в каждый отдельный момент времени мы по-прежнему будем помнить о предыдущем и представлять последующий. Момента, в который мы могли бы увидеть, как яйцо собирается в целое вместо того, как оно разбивается, нет. По ощущениям это будет то же самое, что и двигаться вперёд.

И теперь к нам приходит осознание того, что мы не можем двигаться назад. Если каждый момент движения назад ощущается точно так же, как и момент при движении вперёд, тогда что это может значить? Движемся ли мы вообще вперёд?

Твёрдая Земля под нами - миф

В ясную ночь ложитесь на своём заднем дворе и всмотритесь в звёзды.

Сначала вы будете ощущать знакомый комфорт отдыха на устойчивой земле, глядя на звёзды, мерцающие в небе. Но только задумайтесь, что мы на самом деле не «здесь» и звёзды на самом деле не «там». Это всё иллюзия. В реальности мы «прилипли» к поверхности сферы, которую швыряет в пространстве из стороны в сторону с огромной скоростью. Вы не просто смотрите на статичный звёздный небосвод, вы видите просторы космоса почти так, как если бы вы были в кабине гигантского космического корабля.

Как выглядит путешествие в параллельную вселенную

Представьте, что вы чёрный квадрат на белом листе бумаги. Добро пожаловать во Флэтленд. Вы можете перемещаться здесь абсолютно свободно, но только в двух измерениях. Здесь просто нет третьего и не существует верха и низа.
Но существуют ли здесь трёхмерные объекты? Да, они есть. Но жители Флэтленда, такие как вы, никогда не увидят их. Вы можете видеть только плоскость трёхмерного объекта.

Теперь представьте, что на другой стороне листа бумаги вы обнаружили себе подобного. Можете ли вы добраться до другой стороны, чтобы поздороваться с соседом? Ведь с ним вас разделяет плоскость, и кажется невероятным, что вы можете проникнуть на другую сторону, притом что проделать отверстие невозможно, потому что третьего измерения не существует.

Но всё-таки вероятность есть. Если бы лист представлял собой ленту Мёбиуса, то, например, муравей прополз бы по всей длине этого листа и вернулся бы к своей исходной точке, пройдя по обеим его сторонам, но не пересекая его края.

То есть для этого Флэтленду нужен изгиб. Но допустим ли он? Не сделается ли таким образом Флэтленд трёхмерным пространством? И да и нет. Лента Мёбиуса трёхмерна, но, как и муравьи на ней, жители Флэтленда, ограничены двумя измерениями листа бумаги.

Будучи людьми, мы похожи на жителей Флэтленда в том смысле, что мы ограничены тремя измерениями и не можем по желанию путешествовать в четвёртом.

Представьте ленту Мёбиуса, сделанную из нашей Вселенной в трёхмерном пространстве, которое также имеет изгиб, дающий доступ в параллельную вселенную. Так же, как жители Флэтленда, мы можем познакомиться с жителями «другой стороны нашей трёхмерной вселенной», то есть из параллельной вселенной. Мы можем обнаружить вселенную, которая резко отличается от нашей.

Но где же находится этот изгиб? И, вообще, существует ли он? Каковы последствия существования этой ленты Мёбиуса? Возможно ли, что этот изгиб создали суперсущества, имеющие доступ к 4-м измерениям, просто ради забавы, так же как и мы можем склеить ленту Мёбиуса для муравьёв? Это лишь некоторые из многих вопросов...

Каково это - быть слепым

Я наполовину слеп, то есть я абсолютно ничего не вижу левым глазом. Это значит, что я не вижу ничего вообще. Всего этого просто не существует. Большинство людей не понимают, что значит «не видеть ничего». И когда они задаются этим вопросом, я обычно отвечаю так.

Поднимите свою руку перед своим лицом. Посмотрите на неё. Вы видите, как выглядит ваша рука прямо сейчас? Продолжайте думать о своей руке. А теперь уберите руку за голову. Как ваша рука выглядит сейчас? Никак. Рука, которую вы видели перед собой, теперь находится вне поля вашего периферического зрения, и её просто нет. Теперь представьте, что ваше периферическое зрение с левой стороны сократилось, и вы видите только половину поля зрения. Как раз так вижу я.

Американский педагог, предприниматель и бывший аналитик хедж-фонда Сал Хан предложил удивительный и вдохновляющий мысленный эксперимент во время своей речи на церемонии вручения дипломов студентам MIT в 2012 году.

«Представьте себя через 50 лет. Вам недавно стукнуло 70, ваша карьера близится к концу. Вы сидите на диване, только что посмотрев голографическое обращение президента Кардашьян.

Вы начинаете вспоминать свою жизнь, размышлять о всех самых важных моментах. Думать об успехах в карьере, о том, смогли ли вы обеспечить свою семью. Но потом вы задумываетесь, о чём вы сожалеете, обо всех тех вещах, которые вы хотели бы сделать немного иначе. Я догадываюсь, что такие моменты будут.

Представьте, что в момент, как вы будете думать об этом, появится джинн из ниоткуда и скажет: «Я подслушал ваши сожаления. Они действительно веские. Но так как вы хороший человек, я готов дать вам второй шанс, если вы хотите». Вы говорите: «Конечно», и джинн щёлкает пальцами.

Внезапно вы окажетесь там, где вы сидите сегодня. Ощутив своё подтянутое здоровое 20-летнее тело, вы начинаете понимать, что это произошло на самом деле. У вас действительно есть шанс сделать всё заново, чтобы построить карьеру и крепкие отношения».

Перед учеными часто возникает ситуация, когда проверить ту или иную теорию экспериментально очень сложно или даже попросту невозможно. Например, когда речь идет о движении с околосветовыми скоростями или о физике в окрестностях черных дыр. Тогда на помощь приходят мысленные эксперименты. Предлагаем вам поучаствовать в некоторых из них.

Мысленные эксперименты это последовательности логических умозаключений, цель которых - подчеркнуть некое свойство теории, сформулировать разумный контрпример или доказать какой-то факт. В целом, любое доказательство в том или ином виде - мысленный эксперимент. Главная прелесть умственных упражнений заключается в том, что они не требуют никакого оборудования и зачастую - никаких специальных знаний (как, например, при обработке результатов экспериментов LHC). Так что устраивайтесь поудобнее, мы начинаем.

Кот Шредингера

Пожалуй, самый известный мысленный эксперимент - это эксперимент с котом (точнее, кошкой), предложенный Эрвином Шредингером более 80 лет назад. Начнем с контекста эксперимента. В тот момент квантовая механика только начинала свое победное шествие, и ее необычные законы казались противоестественными. Один из таких законов - то, что квантовые частицы могут существовать в суперпозиции двух состояний: например, одновременно «вращаться» по часовой стрелке и против часовой стрелки.

Эксперимент. Представьте себе герметичный ящик (достаточно большой), в котором есть кот, достаточное количество воздуха, счетчик Гейгера и радиоактивный изотоп с известным временем полураспада. Как только счетчик Гейгера обнаруживает распад атома, специальный механизм разбивает ампулу с ядовитым газом и кот погибает. Спустя время полураспада изотоп с вероятностью 50 процентов распался и с точно такой же вероятностью остался цел. А значит и кот либо жив, либо умер - словно бы находясь в суперпозиции состояний.

Интерпретация. Шредингер хотел показать противоестественность суперпозиции, доведя ее до абсурда, - такая большая система, как целый кот, не может быть одновременно живой и мертвой. Стоит отметить, что с точки зрения квантовой механики тот момент, когда счетчик Гейгера срабатывает на распад ядра, происходит измерение - взаимодействие с классическим макроскопическим объектом. В результате суперпозиция должна распадаться.

Интересно, что физики уже проводят эксперименты, аналогичные введению кота в суперпозицию. Но вместо кота в них используются другие крупные по меркам микромира объекты - например, молекулы .

Парадокс близнецов

Этот мысленный эксперимент часто приводят в качестве критики специальной теории относительности Эйнштейна. Он основан на том, что при движении с околосветовыми скоростями замедляется течение времени в системе отсчета, связанной с движущимся объектом.

Эксперимент. Представьте себе далекое будущее, в котором существуют ракеты, которые могут перемещаться со скоростью, близкой к скорости света. На Земле есть два брата-близнеца, один из них - путешественник, а другой - домосед. Предположим, брат-путешественник сел на одну из таких ракет и совершил путешествие на ней, после чего вернулся. Для него, в тот момент, когда он летел на околосветовой скорости относительно Земли, время текло медленнее, чем для брата-домоседа. Значит, когда он вернется на Землю, он окажется моложе своего брата. С другой стороны, его брат сам двигался с околосветовой скоростью относительно ракеты - а значит, положение обоих братьев в некотором смысле эквивалентно и при встрече они вновь должны быть одного возраста.

Интерпретация. В действительности брат-путешественник и брат-домосед не эквивалентны, поэтому, как и подсказывает мысленный эксперимент, путешественник окажется моложе. Интересно, что этот эффект наблюдается и в настоящих экспериментах: короткоживущие частицы, путешествующие с околосветовой скоростью, словно бы «живут» дольше из-за замедления времени в их системе отсчета. Если попытаться расширить этот результат на фотоны, то окажется, что они и вовсе живут в остановившемся времени.

Лифт Эйнштейна

В физике есть несколько понятий массы. Например, есть масса гравитационная - это мера того, как тело вступает в гравитационное взаимодействие. Именно она вжимает нас в диван, кресло, сиденье метро или пол. Есть масса инерционная - она определяет, как мы ведем себя в ускоряющейся системе координат (она заставляет нас отклоняться назад в трогающемся со станции поезде метро). Как видно, равенство этих масс - не очевидное утверждение.

В основе общей теории относительности лежит принцип эквивалентности - неотличимость гравитационных сил от псевдосил инерции. Один из способов это продемонстрировать - следующий эксперимент.

Эксперимент. Представьте себе, что вы находитесь в звукоизолированной, герметично закрытой кабине лифта с достаточным количеством кислорода и всего необходимого. Но при этом вы можете быть в любой точке Вселенной. Ситуация осложняется тем, что кабина может двигаться, развивая постоянное ускорение. Вы ощущаете, что вас слегка притягивает к полу кабины. Можете ли вы отличить - связано ли это с тем, что кабина находится, например, на Луне или с тем, что кабина движется с ускорением 1/6 ускорения свободного падения?

Интерпретация. По мнению Эйнштейна - нет, не сможете. Поэтому и для остальных процессов и явлений нет разницы между равноускоренным движением в лифте и в поле силы гравитации. С некоторыми оговорками из этого следует, что гравитационное поле можно заменить на ускоряющуюся систему отсчета.

Сегодня в существовании и материальности гравитационных волн не сомневается никто - год назад коллаборации LIGO и VIRGO поймали долгожданный сигнал от столкновения черных дыр. Однако в начале XX века, после первой публикации статьи Эйнштейна о волнах искажения пространства-времени, к ним относились скептически. В частности, даже сам Эйнштейн в какой-то момент сомневался в их реалистичности - они могли оказаться лишенной физического смысла математической абстракцией. Чтобы наглядно показать их реалистичность, Ричард Фейнман (анонимно) предложил следующий мысленный эксперимент.

Эксперимент. Для начала - гравитационная волна представляет собой волну изменения метрики пространства. Иными словами, она изменяет расстояние между объектами. Представьте себе трость, вдоль которой с очень малым трением могут перемещаться шарики. Пусть трость расположена перпендикулярно направлению движения гравитационной волны. Тогда, когда волна достигает трости, расстояние между шариками сначала сокращается, а затем увеличивается, в то время как трость остается неподвижной. Значит, они скользят и выделяют тепло в пространство.

Интерпретация. Это значит, что гравитационная волна несет в себе энергию и вполне реальна. Можно допустить, что трость сжимается и вытягивается вместе с шариками, компенсируя относительное движение, но, как сам Фейнман, ее сдерживают электростатические силы, действующие между атомами.

Демон Лапласа

Следующая пара экспериментов - «демоническая». Начнем с менее известного, но от того не менее красивого Демона Лапласа, который позволяет (или нет) узнать будущее Вселенной.

Эксперимент. Представьте себе, что где-то существует огромный, очень мощный компьютер. Настолько мощный, что он может, взяв в качестве отправной точки состояние всех частиц Вселенной, рассчитать, как эти состояния будут развиваться (эволюционировать). Иными словами, этот компьютер может предсказывать будущее. Чтобы было еще интереснее, представим себе, что компьютер предсказывает будущее быстрее, чем оно наступает, - скажем, за минуту он может описать такое состояние всех атомов во Вселенной, какого они достигнут через две минуты от момента начала расчета.

Предположим, в 00:00 мы запустили расчет, дождались его конца (в 00:01) - теперь у нас есть предсказание на 00:02. Запустим второй расчет, который завершится в 00:02 и предскажет будущее в момент 00:03. А теперь обратите внимание на то, что сам компьютер - тоже часть нашей вымышленной Вселенной. Это значит, что в 00:01 он знает свое состояние на момент 00:02 - знает результат расчета состояния Вселенной на момент времени 00:03. А следовательно, повторив такой же прием, можно показать, что машина знает будущее Вселенной в 00:04 и так далее - до бесконечности.

Интерпретация. Очевидно, что скорость расчета, реализующаяся в материальном устройстве, не может быть бесконечной - следовательно, предсказать будущее с помощью компьютера невозможно. Но стоит отметить несколько важных моментов. Во-первых, эксперимент запрещает материального демона Лапласа - состоящего из атомов. Во-вторых, следует отметить, что демон Лапласа возможен в условиях, когда время жизни Вселенной фундаментально ограничено.

Демон Максвелла

И напоследок, Демон Максвелла, - классический эксперимент из курса термодинамики. Он был введен Джеймсом Максвеллом, чтобы проиллюстрировать способ нарушить второе начало термодинамики (то самое, запрещающее создание вечного двигателя в одной из своих формулировок).

Эксперимент. Представьте себе средних размеров герметичный сосуд, разделенный внутри перегородкой на две части. В перегородке есть небольшая дверца или люк. Рядом с ней сидит разумное микроскопическое существо - собственно демон Максвелла.

Наполним сосуд газом при некоторой температуре - для определенности кислородом при комнатной температуре. Важно помнить, что температура - это число, отражающее среднюю скорость движения молекул газа в сосуде. Например, для кислорода в нашем эксперименте эта скорость равна 500 метрам в секунду. Но в газе есть молекулы, двигающиеся быстрее и медленнее этой отметки.

Задача демона - следить за скоростями частиц, подлетающих к дверце в перегородке. Если частица, летящая из левой половины сосуда, имеет скорость больше 500 метров в секунду, демон ее пропустит, открыв дверь. Если меньше - частица не попадет в правую половину. И наоборот, если частица из правой половины бака имеет скорость меньше, чем 500 метров в секунду, демон ее пропустит в левую половину.

Подождав достаточно долго, мы обнаружим, что средняя скорость молекул в правой половине сосуда выросла, а в левой опустилась, - значит выросла и температура в правой половине. Мы можем воспользоваться этим избыточным теплом, например, для работы тепловой машины. При этом для сортировки атомов нам не потребовалась внешняя энергия - всю работу проделал демон Максвелла.

Интерпретация. Главное последствие работы демона - уменьшение общей энтропии системы. То есть, после разделения атомов на горячие и холодные мера хаотичности состояния газа в сосуде уменьшается. Второй закон термодинамики строго запрещает это для замкнутых систем.

Но в действительности эксперимент с демоном Максвелла оказывается не таким парадоксальным, если включить в описание системы самого демона. Он тратит работу на открытие и закрытие створки, а также, и это немаловажно, на измерение скоростей атомов. Все это компенсирует падение энтропии газа. Отметим, что существуют эксперименты по созданию аналогов демонов Максвелла.

Особенно примечательна «броуновская трещотка» - хотя сама она не разделяет молекулы на теплые и холодные, она пользуется хаотичным броуновским движением для произведения работы. Трещотка состоит из лопастей и шестерни, которая может вращаться лишь в одну сторону (ее ограничивает специальный зажим). Лопасть должна вращаться случайным образом, при этом совершить полноценный оборот ей удастся, только если ее предполагаемое направление вращения совпадет с разрешенным вращением шестерни. Однако Ричард Фейнман подробно проанализировал устройство и объяснил, почему оно не работает - усредненное воздействие частиц в камере будет обнуляться.

Владимир Королёв