На какие вопросы отвечает теория Больцмана и какова была её судьба? Легко ли утверждались кинетические представления о веществе в физике? Какую роль в науке сыграло статистическое понятие энтропии? Наконец, что может предложить теория Больцмана сегодня? Об уравнении Больцмана, полемике Больцмана с Махом и современных приложениях кинетической теории рассказывает доктор физико-математических наук, сотрудник Вычислительного центра РАН Владимир Аристов.

В 1958 году в Докладах Академии Наук вышла заметка А. Н. Колмогорова об энтропии как новом инварианте преобразований, сохраняющих меру. Вместе с двумя более ранними заметками, в которых заложены основы того, что потом было названо КАМ-теорией, эти работы полностью изменили облик и место в математике теории динамических систем. Это открытие привело серьезному прогрессу в нескольких областях математики, однако, как ни странно, некоторые идеи, близко лежащие к колмогоровским, не были развиты и даже замечены. Энтропия является одним из целой серии инвариантов, которые возникают при рассмотрении динамики метрических пространств с мерой. Изучение динамики метрик полезно и в других вопросах комбинаторики и теории случайных процессов.

Энтропия. Пожалуй, это одно из самых сложных для понимания понятий, с которым вы можете встретиться в курсе физики, по крайней мере если говорить о физике классической. Мало кто из выпускников физических факультетов может объяснить, что это такое. Большинство проблем с пониманием энтропии, однако, можно снять, если понять одну вещь. Энтропия качественно отличается от других термодинамических величин: таких как давление, объём или внутренняя энергия, потому что является свойством не системы, а того, как мы эту систему рассматриваем. К сожалению в курсе термодинамики её обычно рассматривают наравне с другими термодинамическими функциями, что усугубляет непонимание.

Энтропия — мера неопределённости, мера хаоса. В естественных науках это мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов; в теории информации — мера неопределённости какого-либо опыта, процесса или испытания, которые могут иметь разные исходы (а значит, мера количества информации); в математике — мера сложности объекта или процесса. Понятие энтропии было впервые введено в 1865 году Р. Клаузиусом в термодинамике, К. Шенноном в теории информации в 1949 г., в теории стохастичпеских процессов Колмогоровым, Гельфандом и Яглом в 1956 г., в функциональном анализе и теории динамических систем Колмогоровым в 1956–1958 гг. Между мирами полной детерминированности, изучаемой классическим анализом и миром хаоса, изучаемым теорией вероятностей, ныне перекидывается мост, который связан с понятием энтропии.

Некоторое время назад мы с группой соавторов начали выводить второй закон термодинамики с точки зрения квантовой механики. Например, в одной из его формулировок, гласящей, что энтропия замкнутой системы не убывает, типично растет, а иногда остается постоянной, если система энергетически изолирована. Используя известные результаты квантовой теории информации, мы вывели некоторые условия, при которых это утверждение справедливо. Неожиданно выяснилось, что эти условия не совпадают с условием энергетической изолированности систем.

В обыденном окружении чаще всего призывают к целесообразности мыслей, поступков, решений. И, кстати, синонимы целесообразности звучат как «уместность, полезность и рациональность…» Вот только на интуитивном уровне кажется — чего-то не хватает. Энтропии? Беспорядка? Так его полно в физическом мире — утверждает ведущая программы, доктор физико-математических наук, Карима Нигматулина-Мащицкая. А гости программы пытались воссоединить в единое целое два понятия — энтропию и целесообразность. Участники программы: доктор философских наук, кандидат физико-математических наук, Владимир Буданов, и доктор физико-математических наук, Александр Панов.

Энтропия — термин, которые слышали многие, а вот дать точное объяснение не каждому удастся. И в этом нет ничего удивительного, ведь наши познания о том, что нас окружает, как правило, очень поверхностны. Кто-то утверждает, что это разница между идеальным и реальным процессом. Но все же больше сходятся во мнении, что это мера хаоса. Ведь с самого детства нас приучают к порядку, отсюда и наполненность нашего мира флуктуациями и бифуркациями. Так к чему может привести война с энтропией? И нужна ли она вообще? Ведь если бы не хаос, сам мир бы не произошел…

Возникновение сложного из простого — это, казалось бы, злостное нарушение второго закона термодинамики. Второй закон требует постепенного выравнивания градиентов, разупорядочивания элементов и увеличения энтропии в системе. Тем не менее жизнь так специально устроена, чтобы поддерживать градиенты, упорядочивать элементы и уменьшать энтропию. Эти принципы справедливы как для одного организма, так и для целых экосистем, биот, эволюционных последовательностей. Значит ли это, что жизнь действительно противоречит законам физики?

Для того чтобы применить математические средства для изучения информации, потребовалось отвлечься от смысла, содержания информации. Этот подход был общим для упомянутых нами исследователей, так как чистая математика оперирует с количественными соотношениями, не вдаваясь в физическую природу тех объектов, за которыми стоят соотношения.

Исходные понятия. Полиномиальные и экспоненциальные алгоритмы. Задачи распознавания и оптимизации. Определение классов P и NP. Совпадает ли P с NP или не совпадает — вопрос на миллион долларов. Машина Тьюринга как универсальный вычислительный прибор. Опорные комбинаторные задачи: коммивояжера, клика, изоморфизм графов, паросочетание, рюкзак, целочисленное линейное программирование (ЦЛП), транспортная задача. В двух словах о непрерывной задаче линейного программирования. Теорема Кука.