Романтика реальности. Как Вселенная самоорганизуется, порождая жизнь, сознание и сложность Космоса бесплатное чтение

Возникновение жизни должно быть чрезвычайно вероятным событием: как только условия позволяют – раз, и готово!

Карл Саган

Великий английский биолог девятнадцатого века Томас Хаксли, получивший за страстную защиту теории эволюции прозвище «Бульдог Дарвина», считал, что «вопрос вопросов для человечества – проблема, лежащая в основе всех других и являющаяся более захватывающей, чем любая другая, – это определение места человека в природе и его взаимосвязи со вселенной вещей»¹.

Иначе говоря, важно понять, как мы вписываемся в великую космическую картину? Цель моей книги – ответить на этот фундаментальный вопрос. Ее главный тезис заключается в том, что мы живем в вычислительной вселенной, которая непрерывно развивается во все более сложное, функциональное и разумное состояние. Это значит, что люди не космическая случайность и не конечная цель эволюции, а промежуточная ступень на эволюционной лестнице становления Вселенной.

Эта недавно сформировавшаяся точка зрения подтверждается последними достижениями в исследованиях происхождения жизни, свидетельствующими о том, что появление биологических систем на Земле примерно четыре миллиарда лет назад было событием не исключительным, как считалось ранее, а неизбежным. Новый консенсус знаменует собой начало радикального перехода от редукционистского мировоззрения, в рамках которого жизнь считается случайной, уязвимой, редкой и недолговечной, к эволюционной модели мира, постулирующей, что неограниченный рост порядка, сложности и знаний неизбежно происходит в результате естественных механистических процессов.

На первый взгляд, дискуссия о том, случайна ли жизнь во Вселенной или неизбежна, может показаться бессмысленным упражнением в семантике. Возникает искушение сказать, что жизнь или появляется, или нет – вот и весь разговор. Но тут полно нюансов. Не забывайте, что жизнь – сложная адаптивная система. Является ли появление адаптивной сложности невероятным или неизбежным – это научный вопрос, на который есть точный и проверяемый ответ. Если мы называем что-то случайным, это подразумевает, что событие детерминировано чисто произвольно. В этом случае можно было бы ожидать, что несколько иная цепочка событий привела бы к иному результату. Эти обусловленные случайностями результаты называются непредвиденными обстоятельствами, и их невозможно предсказать заранее. С другой стороны, мы можем сказать, что появление жизни было неизбежным, если законы физики создают динамику, которая ограничивает случайное и хаотическое движение частиц таким образом, что это гарантирует возникновение биологических систем там, где позволяют условия.

Данный вопрос столь же практический, сколь и философский, ведь эти две очень разные точки зрения дают взаимоисключающие научные прогнозы. Например, они приводят к противоположным выводам о распространенности внеземной жизни, которая представляет большой общественный интерес. Если жизнь крайне маловероятна, то мы, скорее всего, одни во Вселенной. Если же появление жизни неизбежно при определенном наборе общих физических условий, то у нас почти наверняка должно быть немало «попутчиков» на планетах в «обитаемых зонах», разбросанных по всей Вселенной. Окажутся ли они разумными – это отдельный вопрос, но не менее важный для нового космического нарратива, так что мы вернемся к нему во второй части.

Процесс, в ходе которого из неживой материи возникла жизнь, называется абиогенезом. В следующих главах мы познакомимся с новой моделью абиогенеза, согласно которой это поразительное возникновение было неизбежным началом предрешенного процесса космического пробуждения, определенного не во всех деталях, но в общих чертах. Происхождение жизни – это история о том, как впервые запускается адаптивная сложность. Но чтобы в полной мере оценить, как это происходит механистически и почему эта версия абиогенеза так отличается от прежней, нужно ознакомиться с историческим контекстом.

Как уже говорилось, редукционистское мировоззрение обычно представляет жизнь на Земле некой космической случайностью. Если бы мы могли перемотать пленку времени и воспроизвести ее снова, но с малейшими изменениями, то маловероятно, что жизнь возникла бы на нашей планете или даже во Вселенной.

Французский биолог и лауреат Нобелевской премии Жак Моно – убежденный скептик и заклятый враг организованной религии – поэтически подытожил это мировоззрение в своей влиятельной книге «Случайность и необходимость», опубликованной в 1970 году, написав: «Древний завет разбит вдребезги; человек, наконец, знает, что он одинок в бесчувственной необъятности Вселенной, из которой он вышел лишь случайно. Его судьба нигде не прописана, равно как и его долг». Моно был исполнен страстной и бескомпромиссной веры в то, что «Вселенная не беременна жизнью».

Если ученые двадцатого века, такие как Моно, знали о необъятности нашей Вселенной, то что заставило их уверенно считать жизнь статистической аномалией? По правде говоря, это было лишь предположение. В то время господствовало мнение, что биологическая эволюция – единственный механизм возникновения сложности в природе, поэтому любая система, появившаяся до этого процесса, рассуждали они, просто обязана быть следствием случайных событий. Таким образом, происхождение жизни описывалось как результат «случайной сборки», что есть просто красивый термин для обозначения удачи вселенского масштаба.

Дарвин объяснил, как жизнь эволюционирует, а не как она появилась

Хотя оригинальная теория Дарвина проливает свет на очень многое, что касается удивительного разнообразия биосферы, есть некоторые моменты, недоступные ей в деле объяснения адаптивной сложности, наблюдаемой вокруг нас, например ее происхождение.

Биологическая эволюция в результате естественного отбора – это элегантная концепция, которую довольно легко подытожить благодаря современному пониманию генетики. Живые организмы – это самовоспроизводящиеся системы, использующие набор встроенных инструкций (закодированных в ДНК) для создания собственных копий. Клетки делятся, организмы размножаются. Именно так жизнь сохраняется на Земле в невероятно длительных временных рамках, хотя отдельные организмы быстро появляются и исчезают. Жизнь – это, помимо всего прочего, копировальный аппарат.

Однако процесс копирования никогда не происходит идеально, и ошибки неизбежны. Эти ошибки вызывают генетические мутации, создающие удивительно разнообразный набор новых и измененных организмов, отличающихся от родителей и друг от друга, со сходными, но различающимися физическими чертами, формами, функциями и поведением.

Чтобы размножиться и передать новые характеристики следующему поколению, организм должен прежде всего уметь выживать достаточно долго, причем в конкурентной и часто суровой среде. Особенности и функции, лучше всего позволяющие организмам выживать и размножаться, сохраняются в популяции, а прочие исчезают вместе с организмами – их носителями. Таким образом, давление окружающей среды сокращает разнообразие, порождаемое генетическими мутациями, подобно тому, как садовник отрезает ветви дерева бонсай. Вот что подразумевается под естественным отбором. Природа выбирает наиболее «подходящие» признаки выживания из всех возможностей, предлагаемых генетической лотереей. Формируемые силами природы, организмы со временем становятся лучше адаптированными к среде обитания. Простые ниши, как правило, порождают относительно простые организмы, в то время как ниши, представляющие собой более сложный набор вызовов, чаще всего порождают более сложные организмы.

Многим казалось, что тайна сложности полностью разгадана теорией биологической эволюции. В сущности, все живые организмы от тюльпана до тюленя могут быть сведены к одному общему механизму – естественному отбору, влияющему на генетические мутации. Проблема с этой историей в том, что встает вопрос: как вообще появился первый живой организм, первая самовоспроизводящаяся система? Даже РНК – более простая сестра молекулы ДНК – представляет собой чрезвычайно сложную структуру, богатую информацией и химическими хитростями. Кроме того, самовоспроизведение – это механический процесс, который должен подпитываться энергией. Следовательно, в дополнение к генетическому материалу биологическая система требует сложного химического процесса, называемого метаболизмом, который опирается на структурную химическую сеть, выполняющую сложный набор реакций. Биологическая эволюция может объяснить лишь развитие этих особенностей, а не их появление.

Не имея вразумительного механизма, который бы объяснял, как совокупность неживых частиц могла собраться в функционирующую клетку, ученые того времени были вынуждены приписывать абиогенез одной гигантской статистической удаче, а не какому-то еще не открытому протодарвиновскому эволюционному процессу. Эта точка зрения, основанная на идее случайной сборки, стала известна как гипотеза случайности.

Жизнь не дело случая

Как гласит гипотеза случайности, вопреки мизерным шансам и благодаря крайне удивительному столкновению в «первичном бульоне» на древней Земле нужные молекулы соединились именно так, как это было необходимо для создания живого организма: это называют гипотезой застывшей случайности. Ученые, которые ее сформулировали (в том числе первооткрыватель ДНК Фрэнсис Крик), имели лишь смутное представление о том, насколько сложной должна быть простейшая система, способная к самовоспроизведению и метаболизму, но даже они знали, что такое событие крайне маловероятно. Однако, не имея другой механистической теории, объясняющей абиогенез, они остановились на случайности.

Хотя в начале своей карьеры Крик игриво называл жизнь «счастливым случаем», он отдавал себе отчет в уязвимости такой теории. По этому поводу он однажды заметил: «Честный человек, вооруженный всеми доступными нам сегодня знаниями, мог бы заметить, что в некотором смысле происхождение жизни на данный момент представляется почти чудом – столько условий должно было быть выполнено, чтобы она возникла»².

Чтобы такое гипотетическое молекулярное столкновение произошло, учитывая типы молекул в предполагаемом «первичном бульоне», природе и в самом деле пришлось бы сотворить чудо. Ряд ученых, озадаченных этой проблемой, попытались рассчитать вероятность такого события и пришли к выводу, что оно вряд ли случилось бы в течение прогнозируемой жизни Вселенной. Фред Хойл, известный британский астрофизик, которому было трудно поверить в эту гипотезу, выразил свой скептицизм в книге «Разумная Вселенная», приведя убийственную аналогию: «Вероятность того, что высшие формы жизни возникли таким образом, сравнима с вероятностью того, что несущийся над свалкой торнадо соберет из хлама Boeing 747».

Но это не единственная причина сомневаться в справедливости гипотезы случайности космического масштаба. Жизнь, по-видимому, началась на Земле почти сразу же, как только позволили условия, что было бы потрясающим совпадением, если бы ее появление действительно являлось маловероятным и было просто результатом удачного события. Если допустить последнее, то, скорее всего, жизнь возникла бы через какое-то произвольное время после того, как планета стала пригодной для жизни, то есть буквально в любой другой момент, но только не сразу. Креационисты не преминули воспользоваться этим фактом. По их мнению, раз случай не может адекватно объяснить возникновение жизни, то оно наверняка было сверхъестественным актом. Хотя эта теория неудовлетворительна, поскольку приписывает жизнь чуду в буквальном смысле слова, гипотеза случайности тоже неудовлетворительна, потому что она опирается на статистическое чудо.

К счастью, в двадцатом веке появился третий вариант, и все больше ученых находят его более убедительным, чем гипотеза случайности или божественного вмешательства. Что, если возникновение жизни было неизбежным во Вселенной, которая естественным образом непрерывно генерирует сложность и информацию? Если это так, то было бы правильнее считать жизнь закономерностью, а не аномалией – не случайностью, а императивом.

Карл Саган одним из первых высказал эту точку зрения, давшую астрономам и искателям инопланетян новую надежду на обнаружение внеземной жизни. «Возникновение жизни должно быть чрезвычайно вероятным событием: как только условия позволяют – раз, и готово» – утверждал он ³. Эту позицию развил Кристиан Рене де Дюв, бельгийский биохимик, получивший Нобелевскую премию в 1974 году. Он считал, что Моно заблуждался: «Если приравнять вероятность рождения отдельной бактериальной клетки к случайному соединению ее атомов, то и вечности не хватит, чтобы она возникла… Зная об огромном количестве „счастливых случаев“, скрывающихся за успехом эволюционной игры, законно задаться вопросом, в какой мере этот успех вплетен в саму ткань Вселенной»⁴.

В своей убедительной книге «Жизненная пыль» де Дюв ответил на мнение Моно о том, что Вселенная не беременна жизнью, а биосфера человеком, совсем просто: «Вы ошибаетесь. Это именно так». Конечно, де Дюв не имел в виду, что конкретно Homo sapiens было суждено возникнуть. Безусловно, случайность играет свою роль в биологии, что он признавал во всех своих работах. Но он также считал, что законы физики и вытекающая из них эволюционная динамика порождают все более нетривиальные формы биологической организации и сложности. Это в свою очередь неизбежно порождает жизнь и разум в космосе.

Если такая точка зрения верна, то это может стать философским прорывом, последствия которого вполне можно назвать духовными. Стюарт Кауфман, исследователь сложных систем из Института Санта-Фе, который, возможно, больше всех сделал для внедрения теории неизбежной жизни в мейнстрим науки, романтически описывает это в своей уже классической книге 1996 года «Во Вселенной как дома»: «Если мы, хоть это пока для нас непостижимо, действительно являемся естественными проявлениями материи и энергии, соединенными вместе в неравновесных системах, и если жизнь во всем ее изобилии обязательно должна была возникнуть – не как невычислимо невероятная случайность, а как ожидаемый ход естественного порядка вещей, тогда Вселенная поистине наш дом».

Однако мнение о том, что жизнь изначально вписана в законы природы, является экстраординарным, а, как выразился Саган, «экстраординарные утверждения требуют экстраординарных доказательств». Если жизнь действительно изначально вписана в законы природы, то почему Земля – единственная планета, на которой мы наблюдаем эту предполагаемую закономерность? Как можно говорить о вероятности существования жизни где-либо еще, если мы ограничены ничтожным размером выборки в одну планету?

Более того, если жизнь сформировалась не в результате единственного случайного события, то каков физический механизм, объясняющий, как именно скопление неживых частиц может систематически переходить в функциональную биологическую систему, и при каких естественных условиях этого следует ожидать? Действительно ли можно показать, что жизни, в физическом и статистическом смысле, было суждено возникнуть во Вселенной, на планетах, подобных Земле? Растущий объем доказательств, подтверждающих, что Вселенная априори порождает биологическую жизнь, постепенно становится неоспоримым.

Энергия как первичный организатор

Когда мы задаемся вопросом, как возникла жизнь, мы на самом деле спрашиваем, как неорганизованная материя вдруг стала организованной. В повседневных условиях спонтанная организация не происходит. Вещи не организуются сами по себе, и если никто не вмешивается, то комнаты становятся более грязными, здания разрушаются, а сложные структуры постепенно распадаются. Итак, благодаря чему могла возникнуть организация до появления каких-либо существ, способных ее выстроить или поддерживать?

Простой ответ на этот сложный вопрос: благодаря энергии. Энергия – это фундаментальная организующая сила природы, а Вселенная, насыщенная потоками энергии, – это космос, готовый к усложнению. Как упоминалось во введении, именно концентрированный поток энергии, проходящей через материю, упорядочивает неживые элементы в такую конфигурацию, которая является «живой». Повышая самоорганизацию, поток энергии постепенно превращает скопление бездумных молекул в механизм обработки информации, обладающий агентностью, то есть способностью к целенаправленному действию, которое мы ассоциируем с жизнью.

Агентность – это свойство, отсутствующее в мире неживых вещей, таких как камни и стулья, которые не двигаются, если их не толкнуть. Агентность раньше приписывалась мистической силе, ведущей жизнь к некой великой цели, но, как мы увидим к концу первой части, агентность обусловлена обработкой информации, выполняемой биологическими механизмами. Поскольку живые существа обладают агентностью, их также называют агентами. Поток энергии создает агентов из неживой материи, организуя химические системы в автономные вычислительные машины, которые собирают информацию о мире и используют ее для сохранения и дальнейшего распространения жизни.

Хотя может показаться, что речь идет о каком-то мистическом процессе, на самом деле мы говорим об энергии именно в том виде, в каком она определяется традиционной наукой. Ее можно обнаружить и измерить. Стремление текущей энергии к упорядочению является совершенно естественным, но, что удивительно, концептуально оно не сильно отличается от старого понятия élan vital – «жизненной силы», оживляющей неодушевленное. Можно сказать, что энергия организует материю в жизнь, а жизнь организует информацию в знание. И именно знание делает Вселенную доступной для восприятия разумной жизнью. Или, если занять менее антропоцентрическую позицию, именно знание позволяет Вселенной постигать саму себя посредством разумной жизни. Мы должны помнить, что мы не отделены от природы, а являемся ее функциональным проявлением.

Чтобы на удовлетворительно высоком интеллектуальном уровне понять, как работает этот процесс формирования жизни и знаний, мы должны сначала немного познакомиться с разделом физики о потоках энергии – термодинамикой. Возможно, это самая сложная часть всей нашей космической истории, но она того стоит, поскольку она объяснит тайну возникновения жизни и вооружит нас понятийными инструментами, необходимыми для осознания той важной роли, которую она неизменно играет в процессе эволюции космоса.

Если конкретнее, то нам предстоит взяться за грозный второй закон термодинамики, который, казалось бы, противоречит идее о том, что сложность – биологическая или иная – может сохраняться и нарастать без ограничений. Если бы это действительно было так, это сделало бы жизнь преходящим явлением без всякого космического значения – «химической грязью», как однажды выразился Стивен Хокинг. Но интересно, что этот фундаментальный закон не противоречит концепции постепенно усложняющейся Вселенной. Более того, второй закон термодинамики совершенно необходим для понимания того, почему сложные адаптивные системы, такие как жизнь, возникают и распространяются вполне естественным образом.

С давних пор это явление представляет для ученых неразрешимую загадку: существование спонтанного порядка во Вселенной ставит их в тупик. На первый взгляд, законы термодинамики диктуют обратное: подчиняясь им, природа должна была бы неуклонно деградировать в сторону все большего беспорядка, все большей энтропии. Однако мы наблюдаем вокруг себя множество величественных структур – галактики, клетки, экосистемы, людей, – которым удается каким-то образом собирать самих себя[2].

Стивен Строгац. Ритм Вселенной.Как из хаоса возникает порядок

Через несколько миллиардов лет после Большого взрыва порожденная им Вселенная внезапно пробудилась от долгого сна. Этот волшебный момент настал, когда на безжизненной планете спонтанно зародилась жизнь. Чтобы понять, как и почему это событие произошло на Земле и насколько распространенной может быть жизнь во Вселенной, мы должны углубиться в раздел науки, известный как термодинамика, который является не только важнейшей частью физики и химии, но, как мы узнаем, и биологии. Особый интерес для нас представляет такой принцип функционирования природы, как второй закон термодинамики.

Прежде чем перейти к частностям запутанного второго закона, давайте начнем с его собрата попроще – первого закона термодинамики. Первый закон гласит, что энергия изолированной системы постоянна. Она может быть преобразована из одной формы в другую, но она не может быть создана или уничтожена. Изолированная система – это система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Абсолютно изолированные системы редки, если они вообще существуют в природе, потому что энергия течет повсюду вокруг нас, излучаемая наружу звездами и планетами с ядрами, выделяющими тепло. Наиболее частым примером изолированной системы является термос, который удерживает тепло внутри и так сохраняет ваш кофе горячим. Является ли сама Вселенная изолированной системой – вопрос сложный, поэтому мы вернемся к нему позже.

Энтропия: сложный и сбивающий с толку термин

Первый закон достаточно прост для понимания, а второй закон термодинамики более загадочен. В нем говорится, что общее количество энтропии в изолированной системе всегда нарастает. Многие физики считают второй закон самым незыблемым законом во Вселенной, так что над этим утверждением стоит поразмыслить. Что же конкретно подразумевается под туманным и страшновато-странным термином «энтропия»?

К сожалению, ответ на этот вопрос не вполне очевиден. Большинство научно-популярных книг, например классическая «Краткая история времени» Стивена Хокинга, учат нас, что энтропия означает неупорядоченность. Однако такое определение может ввести нас в опасное заблуждение, когда мы пытаемся применить второй закон к неизолированным системам или ко Вселенной в целом. Применительно к космосу отождествление энтропии с неупорядоченностью (слово, по смыслу примерно противоположное организации, структуре и сложности) может привести к ужасно неточным выводам космического масштаба.

К сожалению, эту ошибку склонны делать и популяризаторы науки, часто утверждающие, будто бы второй закон требует, чтобы Вселенная со временем становилась все более неупорядоченной и менее структурированной. Поскольку жизнь – это как раз и есть биологический порядок, то такая интерпретация второго закона предсказывает мрачные последствия для человечества. Если мир неизбежно становится все менее упорядоченным, то в среднем он должен со временем становиться также все более безжизненным и менее структурированным, пока все следы организации не растворятся в бесформенном и бессмысленном море случайных микроскопических флуктуаций. Такой сценарий сводит жизнь во Вселенной к временному, тривиальному и несущественному явлению; словом, вырисовывается не слишком радужная перспектива. К счастью, этот сценарий ошибочен!

Главная проблема этого космического нарратива состоит в том, что увеличение общего количества энтропии во Вселенной не соответствует общему уменьшению количества существующей организации. Более того, биологический, культурный и технологический порядок может даже расти параллельно с энтропией, и не только в краткосрочной перспективе. Чтобы понять, как такое возможно, и распутать клубок загадок второго закона, мы должны различать два разных типа энтропии (их гораздо больше, но мы начнем с них). Для этого придется начать с краткого исторического экскурса.

Концепцию, лежащую в основе второго закона термодинамики, разработали в девятнадцатом веке несколько блестящих европейских ученых, в частности Сади Карно и Рудольф Клаузиус, причем сперва они руководствовались практическими соображениями, а не теоретическими. Они искали наиболее эффективный способ преобразования энергии теплового потока в механическую энергию, которая могла бы приводить в действие машины. Паровой двигатель, тогда существовавший уже некоторое время, доказывал, что энергию можно извлекать из теплового потока для выполнения «работы», то есть для чего-то полезного, например перемещения, подъема или ускорения массы тела путем приложения к нему силы. Работа не может быть выполнена, если ею не движет физическая сила, всегда требующая энергии. Работа, выполняемая паровыми локомотивами, заключается в перемещении составов по рельсам. В девятнадцатом веке это был крупный бизнес, ведь поезда открывали новые возможности для торговли и позволяли людям массово переезжать из сельских районов в промышленно развитые города.

Прозорливый Карно заметил, что если между двумя контактирующими телами существует разница температур, то тепло самопроизвольно перетекает от более горячего тела к более холодному, пока оба тела не достигнут одинаковой температуры – состояния, известного как термодинамическое равновесие. Большинство из нас часто сталкиваются с этим явлением, например когда наша горячая чашка кофе или уютная теплая ванна взаимодействуют с более холодным окружающим воздухом и охлаждаются до комнатной температуры. Пожалуй, полезно представить тепло, перетекающее из горячей системы в холодную, как движение вниз, которое, согласно ньютоновской физике, является естественным направлением движения.

Чем это объясняется? Возможно, вам знакома старая поговорка «природа не терпит пустоты». Так вот, можно также сказать, что природа не терпит градиентов. Градиент – это разница между двумя взаимодействующими системами (будь то разница в температуре, давлении, химической концентрации или электрическом заряде), создающая нестабильность. Если такая разница существует, то будет происходить самопроизвольное перетекание энергии из одной системы в другую до тех пор, пока эта разница (градиент) не будет устранена и пока не будет достигнуто стабильное и инертное состояние равновесия. Это происходит автоматически, потому что природа просто ненавидит градиенты.

Так почему же это представляло интерес для инженеров девятнадцатого века? Ответ весьма поразителен. Когда существует температурный градиент, тепло, поступающее к телу для устранения градиента, создает физическую силу, которую можно использовать для выполнения работы. Чем больше разница температур между двумя телами, тем больше крутизна градиента и тем большей будет сила теплового потока, уменьшающего эту разницу и восстанавливающего термодинамическое равновесие. Вот почему горячие напитки остывают быстрее, когда вы ставите их в холодильник. Разница температур между горячим продуктом и охлажденным окружением намного больше, чем при комнатной температуре.

Инженеры, понявшие этот принцип, также осознали, что быстро нагреваемое вещество будет расширяться с силой, достаточной для выполнения серьезной работы, если ее правильно использовать. При достаточно большой разнице температур между нагретым веществом и его охлажденным окружением сила теплового потока могла бы приводить в действие двигатель. Давление, создаваемое расширяющимся паром, могло бы выполнять работу в процессе циклов быстрого нагрева и охлаждения.

Понимание того, как использовать эту природную тенденцию, дало человечеству новую мощную технологию, но Карно также заметил, что преобразование тепловой энергии в механическую никогда не бывает эффективным на 100 процентов. Независимо от того, как тщательно осуществлялся перенос, часть полезной энергии всегда теряется в окружающей среде как отработанное тепло в результате того, что физики называют диссипацией. Этот термин почти такой же пугающий, как энтропия, и не менее важен для понимания возникновения жизни, поэтому мы должны разобраться с ним прямо сейчас.

Диссипация энергии просто означает, что энергия равномерно распределяется по окружающей среде, рассеиваясь таким образом, что ее никогда больше не удастся использовать для выполнения того же объема работы. Другими словами, диссипированная энергия – это энергия, которая больше не является полезной, поскольку для ее сбора потребовалось бы совершить больше работы, чем она позволила бы произвести. Знакомый пример рассеивания энергии – тепло тела, которое мы, люди (сложные биологические системы), постоянно выделяем. Другим примером является тепло, выделяемое вашим компьютером во время вычислений. Качающийся маятник в дедушкиных часах рассеивает небольшое количество энергии из-за постоянного трения с воздухом, поэтому он в конечном итоге останавливается. Каждый механический процесс, происходящий во Вселенной, рассеивает некоторое количество полезной энергии, производя тепло. Этот факт лежит в основе второго закона термодинамики, и именно по этой причине законы физики не допускают вечных двигателей.

Эта неизбежная диссипация имеет серьезные последствия для Вселенной. Она означает, что запасы полезной энергии во Вселенной – космическое топливо, необходимое для работы любого рода, – неуклонно истощаются по мере устранения температурных градиентов, рассеивания энергии и выработки тепла. Хотя общее количество энергии во Вселенной, предположительно, остается неизменным (в соответствии с первым законом термодинамики), полезная энергия постепенно преобразуется в бесполезную (в соответствии со вторым законом). Полезная энергия называется свободной энергией, а бесполезная – энтропией. Точнее говоря, энтропия – это математический термин, обозначающий количество энергии, более не доступной для совершения полезной работы. Поскольку, как мы уже установили, физики различают несколько типов энтропии, давайте назовем этот вид энтропии, связанной с теплом, тепловой энтропией. Если свободная энергия – это топливо космоса, то тепловая энтропия – это выхлоп.

Как вы можете заметить, мы до сих пор не упоминали о порядке или неупорядоченности. Исходя из этого определения энтропии можно утверждать, что второй закон термодинамики применим ко Вселенной, если признать ее изолированной системой – в двух (различных, но эквивалентных) отношениях. Из-за неизбежной диссипации энергии в результате механических процессов:

Общее количество свободной энергии во Вселенной со временем уменьшается.

Общее количество тепловой энтропии во Вселенной со временем нарастает.

Это все, чего второй закон Карно и Клаузиуса требует от космоса. Вопреки распространенному мнению, он никоим образом не ограничивает распространение жизни во Вселенной и насыщение Вселенной структурной и функциональной организацией. Единственное, что должно постепенно становиться «неупорядоченным», – это запас энергии природы, а не ее крупномасштабная структура. Пока весь запас свободной энергии Вселенной не будет полностью исчерпан в результате диссипации (кульминацией чего станет инертное состояние космического термодинамического равновесия – так называемая тепловая смерть), разумная жизнь с достаточно развитыми технологиями теоретически может сохраняться и расширяться без ограничений. Есть даже некоторые веские причины полагать, что Вселенная никогда не достигнет термодинамического равновесия. Мы рассмотрим эту концепцию более подробно в заключительной главе третьей части, когда будем обсуждать конечную судьбу Вселенной.

Так откуда же взялось это понятие энтропии как неупорядоченности? Почему значительная часть научного сообщества пришла к выводу, что неограниченный рост жизни и ее сложности противоречит второму закону термодинамики? В этом отчасти виноват один гений по имени Больцман.

Энтропия Больцмана: мера статистической неупорядоченности системы

Как бы странно это ни звучало для нас сейчас, всего пару сотен лет назад идея о том, что физические объекты состоят из крошечных частиц, называемых атомами, не была общепринятой даже среди физиков. Однако во второй половине девятнадцатого века атомная теория быстро обретала поддержку, и физики начали искать микромасштабные объяснения всех ранее объясненных явлений – поскольку в господствующей редукционистской парадигме они считались более фундаментальными. Вскоре законы термодинамики были переформулированы в терминах процессов, идущих в системах на атомном или молекулярном уровне, где крошечные частицы движутся хаотично и непрерывно. В основе своей природа оказалась «шумной», поскольку ее фундаментальные составляющие постоянно колеблются и сталкиваются.

Опираясь на предыдущие работы Клаузиуса и Джеймса Клерка Максвелла (шотландского математика, прославившегося теорией электромагнетизма), австрийский физик по имени Людвиг Больцман намерился объяснить второй закон, а именно естественную тенденцию к рассеиванию тепла и энергии в результате статистического поведения огромного числа молекул, которые, предположительно, движутся в соответствии с простыми законами механики. Взглянуть на это в микроскопическом масштабе Больцмана вдохновило сделанное незадолго до того открытие: кинетическая[3] энергия газа оказалась прямым следствием того, насколько быстро движутся его отдельные молекулы. Больцман задался вопросом, можно ли объяснить второй закон, представляя потоки энергии в терминах движения молекул и их взаимодействий?

Он рассудил, что если тепловая энергия есть не что иное, как интенсивное движение молекул, то ее диссипация должна включать постепенную диффузию и затухание этого возбужденного движения с течением времени, а это, как он подозревал, может быть связано со случайными столкновениями между соседними молекулами. Чтобы исследовать эту модель рассеивания энергии (или образования энтропии, поскольку это обратная сторона медали), он дальновидно выбрал гипотетическую систему, причем бесконечно менее сложную, чем Вселенная: идеальный газ в изолированном контейнере. Чтобы провести мысленный эксперимент Больцмана, вообразите, будто вы можете уменьшить себя до микроскопических размеров и наблюдать поведение каждой отдельной молекулы газа. Что тогда вы увидите?

Больцман представил себе группу молекул, носящихся во всех направлениях, часто натыкаясь друг на друга, словно бильярдные шары на столе, передающих импульс между собой и расталкивающих друг друга в пространстве. Поскольку кинетическая энергия каждой молекулы пропорциональна ее скорости, то при случайном столкновении молекул более быстрые из них естественным образом замедляются, а более медленные ускоряются, пока в конечном итоге скорость их всех не станет примерно одинаковой. В отсутствие каких-либо различий в энергии между молекулами нет ни температурных градиентов, ни теплового потока, необходимого для выполнения работы. Согласно этому объяснению, изолированная система молекул газа неизбежно приблизится к термодинамическому равновесию вследствие бесчисленных невидимых молекулярных взаимодействий.

Микросостояния против макросостояний

Хотя микросостояние любой системы (то есть конкретные положение и скорость каждой отдельной молекулы в определенный момент времени) нельзя точно измерить или рассчитать по очевидным практическим причинам, Больцман понял, что усредненное коллективное поведение всего ансамбля молекул можно предсказать с помощью математической статистики.

В отличие от микросостояний, коллективные свойства многочастичной системы можно легко наблюдать и измерять. Например, при измерении температуры или давления газа мы в действительности измеряем среднее значение для совокупности молекул – макросостояние. Для любой конкретной системы молекул обычно существует множество различных микросостояний, которые соответствуют одному макросостоянию. Другими словами, есть множество различных способов расположения отдельных молекул, которые создают энергетически эквивалентные коллективные паттерны расположения. Больцман показал, что состояния с более высокой энтропией имеют больше микросостояний, все из которых соответствуют одному макросостоянию. Вот теперь становится полезным представить энтропию как неупорядоченность. Подумайте об этом как о комнате: существует гораздо больше способов привести ее в полный беспорядок, чем способов аккуратно в ней все организовать.

Больцман описал систему, эволюционирующую в сторону термодинамического равновесия, как становящуюся все более «неупорядоченной», поскольку независимо от того, как частицы были расположены в системе изначально (возможно, более быстро движущиеся молекулы были сосредоточены в одном углу контейнера), их коллективное взаиморасположение неизбежно склонялось бы к равномерному пространственному распределению, лишенному каких-либо паттернов или различимой структуры. По этой причине Больцман считал состояние термодинамического равновесия и максимальной энтропии состоянием «максимальной неупорядоченности». Если угодно, это состояние, при котором молекулярное перемешивание достигло максимума.

Этот переход от порядка к беспорядку может на первый взгляд показаться невразумительно абстрактным, поэтому давайте проиллюстрируем его логику несколькими примерами из реального мира. Для начала давайте вернемся к метафоре бильярдных шаров. В начале игры в бильярд шары аккуратно располагаются в форме треугольника, пока игрок не нарушит это построение, ударив по нему битком. По мере изменения этой конфигурации шары с течением времени становятся все более рассредоточенными и неупорядоченными. Если бы на столе не было луз, в которые они могут закатиться, то шары располагались бы в пространстве все более равномерно. Да, всегда имели бы место небольшие отклонения от состояния идеально равномерного распределения, но эта общая конфигурация по существу сохранялась бы все время с момента ее достижения. Это более или менее полностью распределенное состояние и представляет собой равновесие.

Теперь давайте рассмотрим некоторые реальные примеры, связанные с рассеиванием тепла. Когда вы добавляете немного горячей воды в прохладную ванну или немного горячего кофе в остывшую чашку, добавленная жидкость сначала концентрируется в локальном сгустке, а выделяемая энергия, связанная с горячей областью, считается «упорядоченной». По мере того как возбужденные молекулы смешиваются и взаимодействуют со своими менее возбужденными соседями, локализованная кинетическая энергия систематически распределяется, температурные градиенты рассеиваются, и первоначальный энергетический порядок постепенно превращается в энтропию. К тому моменту, когда достигается равновесие, перемешивание стирает все признаки существования теплового сгустка. По этой причине, с точки зрения наблюдателя, рост неупорядоченности также связан с потерей информации. По мере того как идет перемешивание, человек теряет уверенность и все меньше знает о точном микросостоянии системы, поскольку макросостояния с высокой энтропией имеют больше эквивалентных микросостояний – возможных расположений. Эта связь между энтропией и незнанием особенно нам пригодится, когда мы будем обсуждать тему информации в пятой главе и представим третий тип энтропии – информационную энтропию.

Рождение статистической механики

Пытаясь объяснить второй закон термодинамики с помощью раздела математики, известного как теория вероятностей, Максвелл, Больцман и американский физик Джозайя Гиббс разработали важную область физики – статистическую механику. По мере роста влияния этой области термин «энтропия» все меньше ассоциировался с его первоначальным значением (мерой диссипированной, бесполезной энергии) и стал синонимом структурной или конфигурационной неупорядоченности, описанной Больцманом. Вскоре второй закон начал ассоциироваться с примерами, которые не предполагали теплового потока или рассеивания энергии, а следовательно и увеличения тепловой энтропии. В тех популярных примерах рост неупорядоченности не имеет ничего общего с реальной термодинамикой и ограничивается лишь статистикой.

Поскольку мера энтропии Больцмана связана не с диссипацией тепла как таковой, а с меняющейся пространственной конфигурацией компонентов многочастичной системы, мы можем назвать это статистической энтропией, или конфигурационной энтропией. Хотя через процесс повышения конфигурационной энтропии можно объяснить диссипацию градиентов энергии, эта мера является математической абстракцией, имеющей гораздо более широкое применение.

Например, представьте, что у вас есть пакетик Skittles, сгруппированных по цвету (высокоорганизованное состояние). Драже Skittles аналогичны молекулам газа в контейнере. Теперь представьте, что вы встряхиваете пакет, имитируя случайное движение молекул. Естественно, что упорядоченное расположение драже будет постепенно дезорганизовываться, пока они полностью не перемешаются так, что не останется каких-либо различимых цветовых паттернов – наступит совершенно неупорядоченное состояние, представляющее собой равновесие. Это неизбежное смешение происходит по простой статистической причине. Существует гораздо, гораздо больше способов беспорядочного расположения драже, чем его упорядоченных конфигураций. Следовательно, исходя просто из чистой вероятности, мы вправе ожидать, что любая случайно развивающаяся система со временем перейдет от упорядоченного к неупорядоченному состоянию. Именно это происходит, когда вы перемешиваете салат, и повернуть этот процесс вспять невозможно. Хотя в нашем примере статистическая энтропия значительно возрастает по мере смешивания цветных драже, при этом, вероятно, наблюдается лишь небольшое увеличение тепловой энтропии, соответствующее тому количеству энергии, которая рассеивается при столкновении драже.

Более ярко расхождение в определениях энтропии можно продемонстрировать на примере колоды игральных карт. Легко понять, почему существует лишь небольшое количество конфигураций карт, которые кажутся упорядоченными по сравнению с их неупорядоченным расположением. Перетасовка идеально упорядоченной колоды не сильно увеличит тепловую энтропию колоды, зато резко увеличит статистическую энтропию ее конфигурации.