Научные основы физической экономики

Экономика основана на законах сохранения и преобразования энергии, и напрямую связана с термодинамикой.

Любое целенаправленное действие - механическое, химическое, биологическое, информационное, психическое - требует затрат, или точнее рассеяния энергии. Никакие доллары не выплавят сталь, не подвинут камень без джоулей. Поднять килограмм на метр требует 10 Дж, а делать это ежесекундно требует 10 Вт - средняя мощность человеческого труда, достижимая в течение рабочей смены.

Энергию иногда можно рекуперировать. Каковы пределы этому? Гиббс ввёл для низко- и высокоэнтропийной энергии термины свободная и связанная (рассеянная, разупорядоченная, тепловая, которую нельзя применить в машине).

Эти понятия отражают неравномерное распределение энергии по степеням свободы её носителя, которое самопроизвольно стремится стать равномерным.

Энтропия как мера беспорядка отражает самопроизвольный переход энергии в нерабочую форму. Локальное снижение энтропии возможно только за счёт её большего роста где-то ещё.

Шредингер, Бауэр, Пригожин (не тот) увидели в этом решение кажущегося парадокса между весьма незыблемым II началом термодинамики и нагло противоречащей этому эволюцией жизни и цивилизации.

Обойти это обидное ограничение должен был демон Максвелла, интересный разбор которого Сциллардом и Бриллюэном позволил выявить тождественность со знаком минус понятий энтропии и информации.

Оказалось, что теория информации (меры определённости) Шеннона и теория энтропии (меры неопределённости) Больцмана интересно сочетаются. Это позволило многое понять о механизмах роста и развития в живой природе.

Сегодня это выражается в широко известном принципе Ландауэра, согласно которому нельзя даже в идеальных условиях потратить на запись одного бита меньше определённого количества Дж. Именно он связывает быстродействие смартфонов и их потребность в охлаждении и энергопитании.

Хоть информация и порядок звучат как почти нематериальные сущности, физически нельзя задать электрону или атому положение не рассеяв необратимо энергию, с помощью которой мы загнали его в это положение через энергетический барьер. Иначе он сам и выскочит обратно.

Высота этого барьера связана с уровнем хаотических импульсов энергии, стремящихся вытолкнуть систему через барьер. Это и есть температура - мера среднекинетической энергии частиц. Поэтому чем меньше температура, тем ниже можно использовать барьеры и меньше Дж рассеивать для фиксации целевого состояния.

Это не так очевидно, потому что не только механика, но и микроэлектроника ещё не подошли к этому пределу, а лишь снижают его по мере борьбы с более грубыми ограничениями. Питание чипов прошло стадии 15, 9, 5, 3.3, 1.6... вольт - именно в погоне за минимальным рассеянием энергии на запись одного бита.

Зато живая природа буквально живёт этим. Процессы биосинтеза в клетках везде, где можно, имеют очень низкие барьеры. Это позволяет им очень рационально использовать крупицы солнечной энергии для упорядочения атомов, но при повышении температуры частицы переходят через энергетические барьеры и происходит свертывание белков и прочие явления коллапса.

Производство в клетках или в машинах имеет ту же природу, что и вычисления - и то и другое - упорядочение частиц путём рассеяния порций свободной энергии в её связанную, высокоэнтропийную форму - тепло.

Если у вас есть доступ к упорядоченным формам энергии - свет, электричество, энергия атома или топлива - и есть куда сбрасывать тепло - то больше ничего не нужно, вы можете упорядочивать материю, энергию и информацию как пожелаете.

Основным направлением этого для природы и экономики является такое упорядочение, чтобы воспроизводить и приумножать структуры, способные делать то же самое.

Отсюда Кузнецов делает вывод, что для роста экономики можно сделать лишь три вещи: прокачивать через неё всё больше энергии, учиться применять её туда, куда раньше не умели, и повышать КПД всего и вся.

Продолжение 👇