Страница:
Вузовские учебники термодинамики, как правило, избегают подробного и внятного изложения физического смысла энтропии.
Философские труды грешат отсутствием необходимой конкретности, и вдобавок перегружены специфической терминологией и непременными нападками на противников, принадлежащих к иным, нежели автор, школам. В научно-популярной литературе определения энтропии либо очень многословны, либо излишне некорректны, либо рассматриваются в контексте узкой темы данной книги.
Этим я вовсе не хочу заявить о своих претензиях на исчерпывающее объяснение понятия энтропии - я только прощу снисхождения у читателя, который сделал бы это лучше меня: приведенные ниже рассуждения являются компиляцией из разных симпатичных мне книг.
Кроме того, я прошу заинтересовавшегося читателя почаще обращаться к специальной литературе, хотя бы для того, чтобы спорить со здесь написанным.
Итак, с точки зрения классической термодинамики величина энтропии выражает способность энергии изолированной системы к превращениям или - менее корректно, но более, быть может, понятно, - разность энергетических потенциалов между системой и средой.
Возьмем хорошо заряженную электрическую батарею и присоединим к ней лампочку. При помощи такой нехитрой операции мы можем превращать электрическую энергию в свет, или, другими словами, потенциальную энергию батареи в кинетическую энергию летящих фотонов.
Электрическая энергия батареи в этом опыте будет расходоваться на нагрев спирали, то есть переходить в тепло, которое будет безвозвратно рассеиваться или диссипировать в окружающее пространство. Этот переход, как говорит нам наш опыт, будет необратимым.
Термин "необратимый" означает, что рассеянная энергия в нашу батарею сама по себе уже вернуться не может. При полном разряде батареи вся электрическая энергия батареи превратится в конечном итоге в теплоту и наступит состояние энергетического равновесия между батареей (системой) и окружающей средой. Здесь можно сказать, что энтропия батареи достигла максимума, который характеризует наступление равновесного состояния, когда дальнейшие энергетические превращения становятся уже невозможными.
Это удивительное стремление изолированных систем "быть как все и не выделяться" свойственно и сжатой пружине, и сосуду со сжатым газом, и водоему в горах, не имеющему притока (=изолированному) и низвергающемуся водопадом в долину. Это и хорошо знакомое автомобилистам коварное стремление предоставленного самому себе (изолированного) аккумулятора к саморазряду, и форма песчаной насыпи, и остывающий на выключенной плите чайник - запасенная в изолированной системе энергия тем или иным путем в конце концов рассеивается в пространстве, девальвируется. Система стремится к состоянию с максимумом энтропии, соответствующему нулевой разности потенциалов между собой и средой.
Эта направленность развития изолированных систем и является содержанием Второго закона, или начала термодинамики, говорящего о том, что "энтропия любой изолированной системы со временем повышается".
Творцы Второго начала Р. Клаузиус, в 1865 году сформулировавший представление об энтропии, и В. Томсон применили его ко всей Вселенной в целом. Грустный результат этой гигантской экстраполяции, известный как концепция "тепловой смерти Вселенной", вот уже более ста лет служит предметом научных споров.
Проведенные в последние десятилетия теоретические исследования больших микро- и макросистем привели к появлению целого ряда научных дисциплин, базирующихся на законах больших чисел и в том числе статистической физики, в рамках которой понятие об энтропии трактуется несколько отличным от термодинамического образом.
С точки зрения статистической физики энтропия выражает вероятность состояния системы и возрастает при переходе от состояний менее вероятных к более вероятным. С этим тесно связано понятие об упорядоченных и неупорядоченных системах. Для нашего мира характерна крайне низкая вероятность существования упорядоченных систем: колода, где карты разложены по мастям и старшинству, дом, построенный, например, из кирпича, или типографский шрифт, набранный в страницу текста, - упорядочены, менее вероятны и обладают минимумом энтропии в противоположность той же колоде беспорядочно перемешанных карт, куче кирпича и беспечно разбросанным на риале типографским литерам.
Однако в приведенном выше статистическом определении энтропии заметна некоторая некорректность, связанная с неопределенностью понятий "порядок" и "беспорядок". Этим словам трудно дать определение, понятное всем, но интуитивно мы представляем себе "порядок" как нечто свойственное набору элементов, расположенных по какой-то логике, являющихся частью системы. Соответственно там, где не существует никакой логической системы, элементы находятся в "беспорядке".
Мы можем определить место каждой карты в упорядоченной колоде, каждого кирпича в построенном доме и можем прочитать набранную страницу осмысленного текста. Но текст может быть набран на незнакомом языке и быть, таким образом, упорядоченным для человека, знающего этот язык, и неупорядоченным для незнающего.
Тогда критерием упорядоченности становится представление о смысле написанного, об информации, которую несет текст. Таким образом, энтропия оказывается тесно связанной с информацией. Эта чрезвычайно важная связь теоретически подтверждается в теории информации, где формально показывается, что математическое выражение для информации тождественно выражению для энтропии, взятому с обратным знаком.
Информация как мера упорядоченности системы представляет внутреннее состояние системы и обычно называется структурной, в отличие от относительной информации, связанной всегда с отношением двух (или более) систем.
Для систем, обладающих некоторой упорядоченностью. Второе начало термодинамики определяет направление самопроизвольных процессов в сторону увеличения беспорядка и повышения энтропии.
Дом, например, являющийся упорядоченной системой из кирпичей, в конце концов, если его не ремонтировать (=изолированная система), рухнет - мы, разумеется, не считаемся со временем, которое уйдет на этот эксперимент. Но вероятность того, что из груды кирпича однажды самопроизвольно возникнет Сухарева башня или храм Христа Спасителя, практически равна нулю.
Таким образом, обобщая, можно сказать, что Второе начало термодинамики, или закон возрастания энтропии, говорит о выравнивании энергетических уровней различных систем, о стремлении систем к беспорядку, деградации, о торжестве Хаоса над Космосом.
Но наука XIX века оставила нам в наследство еще одну великую теорию, теорию, блестяще подтверждающуюся колоссальным фактическим материалом, даже самим фактом существования как пишущего, так и читающего эти строки, но тем не менее являющуюся полной противоположностью теории Клаузиуса-Томсона. Это теория эволюции Дарвина, сформулированная практически одновременно (1859 г.) со Вторым началом термодинамики. Теория Дарвина утверждает, что в мире происходит непрерывное возникновение все более сложно организованных живых структур и систем, говорит о постоянном созидании, организации, структурировании.
Однако при всей своей видимой противоположности эти две великие теории не конкурируют между собой, поскольку одна из них сформулирована для изолированных систем, а другая - для открытых.
В окружающем нас мире по сути дела не существует изолированных систем - и рост энтропии любой, казалось бы, полностью изолированной от окружающей среды системы всего лишь вопрос времени. Металл сжатой пружины устает и подвергается коррозии, сосуд, в котором заключен сжатый газ, разрушается, вода стекает с возвышенностей в низины. Даже протону, совсем недавно казавшемуся олицетворением стабильности, современная физическая теория отводит пусть даже колоссальный по нашим меркам, но тем не менее конечный срок жизни.
Разрабатываемая до недавнего времени термодинамика ограничивалась рассмотрением изолированных, замкнутых систем и областью явлений, близких к равновесию, систем, для которых соотношения между термодинамическими параметрами связаны линейными соотношениями: одинаковым изменениям независимой величины должны строго отвечать одинаковые изменения зависимой. В рамках этой термодинамики вопрос об упорядочивании, об организации структур не ставился, да и не мог быть поставлен.
Только около сорока лет назад некоторые физики в разных странах начали предпринимать попытки изучения неравновесных систем и неравновесных процессов. Наибольших успехов в создании новой термодинамики достигли Герман Хакен и "брюссельская школа" во главе с И.Р. Пригожиным, ставшие основоположниками нового научного направления, названного авторами соответственно "синергетикой" и "нелинейной термодинамикой неравновесных процессов". Далее я буду пользоваться термином Пригожина, сокращая его: "нелинейная термодинамика".
Известно, что в ходе обратимых, то есть идущих без изменения собственной энтропии системы процессов, могут образовываться равновесные структуры-устойчивые состояния, типичным примером которых является кристалл. Пригожий, исследовавший термодинамическими методами явления флуктуаций и устойчивости, поставил и решил задачу о возможности возникновения устойчивых структур, названных им "диссипативными", в условиях, далеких от равновесия, в нелинейной области, где на одинаковые приращения независимой переменной одна и та же функция может откликнуться по-разному, в зависимости от того, какому значению независимой переменной придается приращение. Неравновесное состояние системы можно, наверное, определить и как состояние динамическое, как состояние интенсивного обмена системы энергией и массой с окружающей средой.
Само существование упорядоченности за пределом устойчивости не является чем-то новым. Ярким примером этого класса явлений считается конвекционная неустойчивость Бенара или ячейка Бенара.
Опыт, демонстрирующий образование ячеек Бенара, элементарно прост: если в сковороде разогревать слой растительного масла, то через какое-то время жидкость разобьется на правильные сотовидные ячейки, то есть в открытой системе после подвода энергии образуется некоторая структура, возникает упорядочивание.
Ячейка Бенара совсем не уникальный пример возникновения упорядоченных структур за пределом устойчивости: в литературе описаны многочисленные периодические диссипативные процессы при протекании химических, электро- и биохимических реакций, которые являются примером временного упорядочивания.
В качестве еще одного примера можно указать на ставшую широко известной реакцию Белоусова-Жаботинского. В 1951 году Б. П. Белоусовым была сделана неудачная, к сожалению, попытка опубликования в одном из химических журналов статьи, где описывалась открытая им периодическая реакция. Статья эта была отклонена под тем предлогом, что, как известно, все химические реакции идут одним, единственно возможным путем - необратимо. Между тем в лаборатории у Белоусова происходило невероятное - прозрачная смесь нескольких реактивов начинала периодически менять цвет: красный менялся на синий, синий - на красный, до тех пор, пока не израсходовались все реагенты.
Анализ подобных явлений позволил сделать вывод о том, что неравновесные состояния системы, являющиеся, вообще говоря, признаком хаоса, могут стать причиной возникновения в ней порядка.
Классическая термодинамика до Пригожина рассматривала только процесс роста энтропии, разрушение первоначально заданной организации, порядка. Переход к анализу открытых неравновесных систем показал, что из хаоса может рождаться порядок - что и следует из теории биологической эволюции.
Ученые брюссельской школы не могли не заметить и не оценить всей грандиозности перспектив, которые открывала новая концепция.
Ведь в случае распространения теории нелинейной термодинамики на биологические объекты эта теория могла бы стать теорией, дающей шанс на понимание общности эволюции и физических, и биологических систем.
В начале семидесятых годов И.Р. Пригожин и П. Гленсдорф попытались математически сформулировать некоторый критерий, который бы прямо предсказывал условия создания форм, производства нового.
Выдвинутый Пригожиным и Гленсдорфом "критерий эволюции" претендовал на роль универсального термодинамического закона самоорганизации и эволюции любой открытой системы: физической, химической, биологической.
Однако попытки распространения методов нелинейной термодинамики на биологические системы не дали практически никаких зримых результатов. Причин тому можно назвать несколько. Прежде всего - это необыкновенная, по сравнению с такими, как, например, колебательная реакция Белоусова, сложность даже самых простых биологических объектов. Другая трудность заключается в том, что самоорганизация живого относится к качественно иному типу.
Если такие процессы, как зарождение атмосферных вихрей, образование промежуточных структур в химических реакторах и другие подобные процессы, не создают в системе качественно новых элементов, то образование и развитие больших протобелковых молекул в ходе химической эволюции, или образование видов в биологической - характеризуется появлением в системе новых качеств. Собственно говоря, появление новых качеств наблюдается и при фазовых переходах, и при работе лазера, но это процессы, несоизмеримые по сложности.
При описании процессов самоорганизации живого оказалось невозможным детальное описание, моделирование, строгая математическая формализация и расчет - все те методы, которые были использованы Пригожиным при разработке принципов нелинейной термодинамики. Но тем не менее выдвинутый И. Р. Пригожиным и Г. Хакеном принцип самоорганизации, уменьшения структурной энтропии, роста отрицательной энтропии - негэнтропии - в открытых неравновесных системах может быть признан одним из основных для понимания сущности жизни.
Г.А. Югай писал по этому поводу: "...негэнтропия (отрицательная энтропия) обеспечивается путем роста информации, получаемой в процессе взаимодействия со средой, как меры организованности живой системы. Негэнтропийность живых систем достигается также путем взаимодействия со средой за счет извлечения из нее вещества, энергии и информации... Преодолением энтропийного состояния, достигаемого за счет обмена живого со средой веществом, энергией и информацией, обеспечивается доминирование живого над средой. В энтропии выражается разрушающее воздействие среды на живое... Утвердившееся определение информации как отраженного разнообразия, или меры упорядоченности, организованности системы позволяет понять информационную природу живого как процесс, прямо противоположный энтропии".
Становится очевидной роль информации в определении сущности жизни как главного фактора, служащего первопричиной возникновения ее.
Другим важным отличительным признаком живого служит его способность к адаптации, под которой подразумевается вся совокупность приспособительных реакций живого к окружающей среде.
Определяя сущность жизни, следует подчеркнуть сделанный Пригожиным и Гленсдорфом вывод о самосогласовании, кооперативном ходе микроскопических процессов в системе, которые "всегда являются результатом неустойчивости и возникают из флуктуаций". В макроскопической системе с большим числом степеней свободы всегда существуют спонтанные флуктуации, которые в соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна вызывают в системе компенсирующие процессы, гасящие эти флуктуации. Этот принцип, справедливый для устойчивых состояний, не выполняется для состояний, далеких от равновесия; благодаря обмену энергией-веществом с внешней средой в неравновесных условиях флуктуации сохраняются, порождая диссипативные структуры. Перефразируя одно из высказываний Пригожина, можно сказать, что "мы можем рассматривать жизнь как гигантскую флуктуацию, стабилизированную потоками энергии и вещества".
Тесно примыкает к свойству кооперативности внутренних процессов, характеризующему живое, способность живых систем к образованию коалиций. "Коалицией" я называю, - писал Г. Ферстер, - организацию элементов, которые при объединении способны совершить то, чего каждый из них в отдельности никогда не смог бы достичь. В более точных терминах это означает, что коалиция подчиняется правилу сверхаддитивного нелинейного сложения, при котором некоторая функция целого больше, чем сумма функций его частей. Заслуживает внимания тот факт, что в качестве примера такой величины может быть приведена отрицательная энтропия..."
Очень важную отличительную черту живого приводит Д.И. Блохинцев в своем определении жизни: "Жизнь есть агрессивная форма материи, стремящаяся превратить в саму себя окружающую среду. Это выражается в питании и в размножении. Оба эти действия есть не что иное, как превращение окружающей материи в свою, специфическую для жизни форму".
Итак, в качестве гипотезы, во втором, но также не окончательном приближении, живой может считаться способная эволюционно самоорганизовываться, адаптивно и агрессивно взаимодействующая с окружающей средой и повышающая свою структурную негэнтропию система, внутренние процессы в которой протекают кооперативно, а сочетание элементов подчиняется правилу сверхаддитивного нелинейного сложения.
Это синтезированное определение сущности жизни позволяет по-новому взглянуть на возможность существования и распространения жизни во Вселенной, т. к. множество систем, удовлетворяющих этому определению, существенно шире, чем подчиняющихся известной классической формуле: "Жизнь есть способ существования белковых тел..." и т. д. Тем не менее, непредвзято проведенный даже в рамках этой формулы анализ также открывает возможности для существования не совсем привычных, но все-таки достаточно близких к земной форм жизни. В качестве примера такого анализа я приведу результаты рассуждений американского биохимика А. Азимова, несомненно, гораздо более известного читателю в качестве Писателя-фантаста.
С точки зрения химика, земная жизнь представляет собой существование нуклеиновых кислот и белка на фоне воды. Перебирая возможных кандидатов на место "исполнителей главной" роли" и "фона", Азимов получает пять (кроме упомянутой - земной) возможных "химий жизни, охватывающих все температуры от нескольких сот градусов выше нуля до абсолютного нуля": 1) фторсиликоны, фон - фторсиликоны; 2) фторуглероды, фон - жидкая сера; 3) нуклеиновые кислоты и белки на основе кислорода, фон - вода - это мы; 4) нуклеиновые кислоты и белки на основе азота, фон - аммиак; 5) липиды, фон - жидкий метан; 6) липиды, фон - жидкий водород.
Таким образом, анализ, проведенный Азимовым, создает предпосылки для признания возможности зарождения и развития жизни на других планетах нашей системы. Известно, что атмосфера Юпитера и, в меньшей степени, Сатурна насыщена аммиаком, а сам Юпитер пскрыт огромными океанами аммиака. На Уране и Нептуне, планетах более отдаленных, преобладает метан. Не исключено, что существуют водородные планеты - несостоявшиеся солнца, примером которой по одной из гипотез о его составе является Юпитер. На Меркурии фоном для развития жизни могла бы быть сера, плавящаяся при температуре 113°С.
Интересный эксперимент был проведен американскими учеными Сигелом и Джумаро. Они поместили образцы растений ксерофитов - к ним относятся, например, кактусы, лишайники - в камеру, заполненную смесью метана, водорода и аммиака при атмосферном давлении, температуре 22-24°С и низкой освещенности - именно таковы, по теоретической модели, условия в одном из слоев плотной газовой оболочки Юпитера. Через определенные промежутки времени, а весь опыт продолжался два месяца, исследователи извлекали растения из камеры и изучали их под микроскопом. Обнаружилось, что многие разновидности бактерий на них не только выжили, но и продолжали размножаться. "И если на протяжении нескольких миллиардов лет в атмосфере Юпитера возникла искра жизни, она могла не только сохраниться, но и пройти значительную эволюцию", - таков вывод ученых. Действительно, поскольку возраст планет Солнечной системы в соответствии с принятой теорией приблизительно одинаков, то и разница в прогрессе эволюции (если она состоялась не только на Земле) не может быть значительной.
В 1978 году промелькнуло коротенькое сообщение: "За последние 10 лет радиоизлучение глубоких слоев атмосферы Урана возросло на 30 процентов" (ТАСС, 28.08.78 г.). Больше никакой информации об этом я, к сожалению, не видел, но не существует ли прямой связи между обнаруженным эффектом и экспериментами американских ученых? О высокой распространенности органических веществ в Галактике говорят исследования астрофизиков Ч. Викрамасингха и Ф. Хойла.
Согласно их концепции, наличие в веществе космической пыли органических полимеров или длинных цепочек органических молекул с углеродным основанием и другие данные указывают на присутствие в пространстве нашей Галактики огромного количества микроорганизмов - порядка 10Е52 отдельных клеток.
Жизнь, построенная на молекулярной основе, может быть широко распространена во Вселенной: однако допущение возможности существования жизни, даже на иной химической основе, по-прежнему не решает парадокса Ферми. Межзвездные расстояния могут быть, по-видимому, серьезной преградой для существ на молекулярной основе.
С другой стороны, экспансионизм внутри одной звездной системы вряд ли целесообразен: на одной орбите может находиться только одна планета и потому сомнительно, чтобы, например, фторуглеродные существа, живущие при температуре +200°С, проявляли к планете, состоящей из жидкого водорода, другой интерес, кроме чисто научного.
Синтезированное определение сущности жизни позволяет вести поиск жизни и на другой, в частности, на немолекулярной основе.
Опыты, проведенные У. Бостиком в Калифорнийском университете еще в 50-е годы, показали высокий уровень способности плазмы к самоорганизации. В этих экспериментах ионы некоторых металлов впрыскивались плазменной пушкой в вакуумную камеру. Резюмируя полученные результаты, У. Бостик подчеркивал, что непредвиденным явился тот факт, что плазма, инжектированная в вакуум даже в отсутствие внешнего магнитного поля, не образовывала аморфных сгустков: возникали хорошо видимые на фотографиях плазменные структуры или "организмы", как весьма многозначительно назвал их Бостик, в виде компактных геометрических конфигураций.
Автор одной из гипотез о происхождении жизни на Земле, Б.Соломин, исходя из положений нелинейной термодинамики и кибернетики, "рассмотрел возможность образования и существования плазменной жизни внутри звезд, в частности Солнца.
"Физические условия на звезде практически не зависят от условий в окружающем пространстве. То есть многие звезды можно считать достаточно стабильными системами с интервалом относительной стабильности в несколько миллиардов лет". Эта стабильность, а также доминирующее положение звезд над окружающим пространством говорят в пользу возможности эволюции образовавшейся системы и снимают вопрос о ее адаптации к окружающей среде.
Высочайшая энергетика звезд и их сверхбольшие массы способны обеспечивать рост негэнтропии возникших систем в огромных масштабах.
Эксперименты с термоядерными устройствами показывают, что соотношение между величиной выделяющейся энергии и количеством затраченного на реакцию вещества, близко к расчетному. Это может свидетельствовать - если к тому же учесть ничтожно малое время реакции - о высокой степени кооперативности процессов, идущих в плазме.
Таким образом, звезда как система практически полностью отвечает синтезированному определению сущности жизни. Нерассмотренным остается лишь вопрос об агрессивности живого, на чем я хочу остановиться подробнее. Здесь возможно несколько ответов. Во-первых, возможно, что срок распространения жизни, зародившейся в каком-то наиболее благоприятном для этого сферическом слое плазмы, может быть сравним со сроком жизни самой звезды, что создает для живой системы возможности реализации своей агрессивности.
Другим решением этого вопроса может быть направленность агрессивности внутрь системы и воплощение ее в росте собственной организованности и информационной производительности. Сюда же можно отнести и познание окружающего мира - оба процесса могут идти практически бесконечно. Нельзя не согласиться с тем, что эта гипотеза вызывает наибольшую симпатию.
Философские труды грешат отсутствием необходимой конкретности, и вдобавок перегружены специфической терминологией и непременными нападками на противников, принадлежащих к иным, нежели автор, школам. В научно-популярной литературе определения энтропии либо очень многословны, либо излишне некорректны, либо рассматриваются в контексте узкой темы данной книги.
Этим я вовсе не хочу заявить о своих претензиях на исчерпывающее объяснение понятия энтропии - я только прощу снисхождения у читателя, который сделал бы это лучше меня: приведенные ниже рассуждения являются компиляцией из разных симпатичных мне книг.
Кроме того, я прошу заинтересовавшегося читателя почаще обращаться к специальной литературе, хотя бы для того, чтобы спорить со здесь написанным.
Итак, с точки зрения классической термодинамики величина энтропии выражает способность энергии изолированной системы к превращениям или - менее корректно, но более, быть может, понятно, - разность энергетических потенциалов между системой и средой.
Возьмем хорошо заряженную электрическую батарею и присоединим к ней лампочку. При помощи такой нехитрой операции мы можем превращать электрическую энергию в свет, или, другими словами, потенциальную энергию батареи в кинетическую энергию летящих фотонов.
Электрическая энергия батареи в этом опыте будет расходоваться на нагрев спирали, то есть переходить в тепло, которое будет безвозвратно рассеиваться или диссипировать в окружающее пространство. Этот переход, как говорит нам наш опыт, будет необратимым.
Термин "необратимый" означает, что рассеянная энергия в нашу батарею сама по себе уже вернуться не может. При полном разряде батареи вся электрическая энергия батареи превратится в конечном итоге в теплоту и наступит состояние энергетического равновесия между батареей (системой) и окружающей средой. Здесь можно сказать, что энтропия батареи достигла максимума, который характеризует наступление равновесного состояния, когда дальнейшие энергетические превращения становятся уже невозможными.
Это удивительное стремление изолированных систем "быть как все и не выделяться" свойственно и сжатой пружине, и сосуду со сжатым газом, и водоему в горах, не имеющему притока (=изолированному) и низвергающемуся водопадом в долину. Это и хорошо знакомое автомобилистам коварное стремление предоставленного самому себе (изолированного) аккумулятора к саморазряду, и форма песчаной насыпи, и остывающий на выключенной плите чайник - запасенная в изолированной системе энергия тем или иным путем в конце концов рассеивается в пространстве, девальвируется. Система стремится к состоянию с максимумом энтропии, соответствующему нулевой разности потенциалов между собой и средой.
Эта направленность развития изолированных систем и является содержанием Второго закона, или начала термодинамики, говорящего о том, что "энтропия любой изолированной системы со временем повышается".
Творцы Второго начала Р. Клаузиус, в 1865 году сформулировавший представление об энтропии, и В. Томсон применили его ко всей Вселенной в целом. Грустный результат этой гигантской экстраполяции, известный как концепция "тепловой смерти Вселенной", вот уже более ста лет служит предметом научных споров.
Проведенные в последние десятилетия теоретические исследования больших микро- и макросистем привели к появлению целого ряда научных дисциплин, базирующихся на законах больших чисел и в том числе статистической физики, в рамках которой понятие об энтропии трактуется несколько отличным от термодинамического образом.
С точки зрения статистической физики энтропия выражает вероятность состояния системы и возрастает при переходе от состояний менее вероятных к более вероятным. С этим тесно связано понятие об упорядоченных и неупорядоченных системах. Для нашего мира характерна крайне низкая вероятность существования упорядоченных систем: колода, где карты разложены по мастям и старшинству, дом, построенный, например, из кирпича, или типографский шрифт, набранный в страницу текста, - упорядочены, менее вероятны и обладают минимумом энтропии в противоположность той же колоде беспорядочно перемешанных карт, куче кирпича и беспечно разбросанным на риале типографским литерам.
Однако в приведенном выше статистическом определении энтропии заметна некоторая некорректность, связанная с неопределенностью понятий "порядок" и "беспорядок". Этим словам трудно дать определение, понятное всем, но интуитивно мы представляем себе "порядок" как нечто свойственное набору элементов, расположенных по какой-то логике, являющихся частью системы. Соответственно там, где не существует никакой логической системы, элементы находятся в "беспорядке".
Мы можем определить место каждой карты в упорядоченной колоде, каждого кирпича в построенном доме и можем прочитать набранную страницу осмысленного текста. Но текст может быть набран на незнакомом языке и быть, таким образом, упорядоченным для человека, знающего этот язык, и неупорядоченным для незнающего.
Тогда критерием упорядоченности становится представление о смысле написанного, об информации, которую несет текст. Таким образом, энтропия оказывается тесно связанной с информацией. Эта чрезвычайно важная связь теоретически подтверждается в теории информации, где формально показывается, что математическое выражение для информации тождественно выражению для энтропии, взятому с обратным знаком.
Информация как мера упорядоченности системы представляет внутреннее состояние системы и обычно называется структурной, в отличие от относительной информации, связанной всегда с отношением двух (или более) систем.
Для систем, обладающих некоторой упорядоченностью. Второе начало термодинамики определяет направление самопроизвольных процессов в сторону увеличения беспорядка и повышения энтропии.
Дом, например, являющийся упорядоченной системой из кирпичей, в конце концов, если его не ремонтировать (=изолированная система), рухнет - мы, разумеется, не считаемся со временем, которое уйдет на этот эксперимент. Но вероятность того, что из груды кирпича однажды самопроизвольно возникнет Сухарева башня или храм Христа Спасителя, практически равна нулю.
Таким образом, обобщая, можно сказать, что Второе начало термодинамики, или закон возрастания энтропии, говорит о выравнивании энергетических уровней различных систем, о стремлении систем к беспорядку, деградации, о торжестве Хаоса над Космосом.
Но наука XIX века оставила нам в наследство еще одну великую теорию, теорию, блестяще подтверждающуюся колоссальным фактическим материалом, даже самим фактом существования как пишущего, так и читающего эти строки, но тем не менее являющуюся полной противоположностью теории Клаузиуса-Томсона. Это теория эволюции Дарвина, сформулированная практически одновременно (1859 г.) со Вторым началом термодинамики. Теория Дарвина утверждает, что в мире происходит непрерывное возникновение все более сложно организованных живых структур и систем, говорит о постоянном созидании, организации, структурировании.
Однако при всей своей видимой противоположности эти две великие теории не конкурируют между собой, поскольку одна из них сформулирована для изолированных систем, а другая - для открытых.
В окружающем нас мире по сути дела не существует изолированных систем - и рост энтропии любой, казалось бы, полностью изолированной от окружающей среды системы всего лишь вопрос времени. Металл сжатой пружины устает и подвергается коррозии, сосуд, в котором заключен сжатый газ, разрушается, вода стекает с возвышенностей в низины. Даже протону, совсем недавно казавшемуся олицетворением стабильности, современная физическая теория отводит пусть даже колоссальный по нашим меркам, но тем не менее конечный срок жизни.
Разрабатываемая до недавнего времени термодинамика ограничивалась рассмотрением изолированных, замкнутых систем и областью явлений, близких к равновесию, систем, для которых соотношения между термодинамическими параметрами связаны линейными соотношениями: одинаковым изменениям независимой величины должны строго отвечать одинаковые изменения зависимой. В рамках этой термодинамики вопрос об упорядочивании, об организации структур не ставился, да и не мог быть поставлен.
Только около сорока лет назад некоторые физики в разных странах начали предпринимать попытки изучения неравновесных систем и неравновесных процессов. Наибольших успехов в создании новой термодинамики достигли Герман Хакен и "брюссельская школа" во главе с И.Р. Пригожиным, ставшие основоположниками нового научного направления, названного авторами соответственно "синергетикой" и "нелинейной термодинамикой неравновесных процессов". Далее я буду пользоваться термином Пригожина, сокращая его: "нелинейная термодинамика".
Известно, что в ходе обратимых, то есть идущих без изменения собственной энтропии системы процессов, могут образовываться равновесные структуры-устойчивые состояния, типичным примером которых является кристалл. Пригожий, исследовавший термодинамическими методами явления флуктуаций и устойчивости, поставил и решил задачу о возможности возникновения устойчивых структур, названных им "диссипативными", в условиях, далеких от равновесия, в нелинейной области, где на одинаковые приращения независимой переменной одна и та же функция может откликнуться по-разному, в зависимости от того, какому значению независимой переменной придается приращение. Неравновесное состояние системы можно, наверное, определить и как состояние динамическое, как состояние интенсивного обмена системы энергией и массой с окружающей средой.
Само существование упорядоченности за пределом устойчивости не является чем-то новым. Ярким примером этого класса явлений считается конвекционная неустойчивость Бенара или ячейка Бенара.
Опыт, демонстрирующий образование ячеек Бенара, элементарно прост: если в сковороде разогревать слой растительного масла, то через какое-то время жидкость разобьется на правильные сотовидные ячейки, то есть в открытой системе после подвода энергии образуется некоторая структура, возникает упорядочивание.
Ячейка Бенара совсем не уникальный пример возникновения упорядоченных структур за пределом устойчивости: в литературе описаны многочисленные периодические диссипативные процессы при протекании химических, электро- и биохимических реакций, которые являются примером временного упорядочивания.
В качестве еще одного примера можно указать на ставшую широко известной реакцию Белоусова-Жаботинского. В 1951 году Б. П. Белоусовым была сделана неудачная, к сожалению, попытка опубликования в одном из химических журналов статьи, где описывалась открытая им периодическая реакция. Статья эта была отклонена под тем предлогом, что, как известно, все химические реакции идут одним, единственно возможным путем - необратимо. Между тем в лаборатории у Белоусова происходило невероятное - прозрачная смесь нескольких реактивов начинала периодически менять цвет: красный менялся на синий, синий - на красный, до тех пор, пока не израсходовались все реагенты.
Анализ подобных явлений позволил сделать вывод о том, что неравновесные состояния системы, являющиеся, вообще говоря, признаком хаоса, могут стать причиной возникновения в ней порядка.
Классическая термодинамика до Пригожина рассматривала только процесс роста энтропии, разрушение первоначально заданной организации, порядка. Переход к анализу открытых неравновесных систем показал, что из хаоса может рождаться порядок - что и следует из теории биологической эволюции.
Ученые брюссельской школы не могли не заметить и не оценить всей грандиозности перспектив, которые открывала новая концепция.
Ведь в случае распространения теории нелинейной термодинамики на биологические объекты эта теория могла бы стать теорией, дающей шанс на понимание общности эволюции и физических, и биологических систем.
В начале семидесятых годов И.Р. Пригожин и П. Гленсдорф попытались математически сформулировать некоторый критерий, который бы прямо предсказывал условия создания форм, производства нового.
Выдвинутый Пригожиным и Гленсдорфом "критерий эволюции" претендовал на роль универсального термодинамического закона самоорганизации и эволюции любой открытой системы: физической, химической, биологической.
Однако попытки распространения методов нелинейной термодинамики на биологические системы не дали практически никаких зримых результатов. Причин тому можно назвать несколько. Прежде всего - это необыкновенная, по сравнению с такими, как, например, колебательная реакция Белоусова, сложность даже самых простых биологических объектов. Другая трудность заключается в том, что самоорганизация живого относится к качественно иному типу.
Если такие процессы, как зарождение атмосферных вихрей, образование промежуточных структур в химических реакторах и другие подобные процессы, не создают в системе качественно новых элементов, то образование и развитие больших протобелковых молекул в ходе химической эволюции, или образование видов в биологической - характеризуется появлением в системе новых качеств. Собственно говоря, появление новых качеств наблюдается и при фазовых переходах, и при работе лазера, но это процессы, несоизмеримые по сложности.
При описании процессов самоорганизации живого оказалось невозможным детальное описание, моделирование, строгая математическая формализация и расчет - все те методы, которые были использованы Пригожиным при разработке принципов нелинейной термодинамики. Но тем не менее выдвинутый И. Р. Пригожиным и Г. Хакеном принцип самоорганизации, уменьшения структурной энтропии, роста отрицательной энтропии - негэнтропии - в открытых неравновесных системах может быть признан одним из основных для понимания сущности жизни.
Г.А. Югай писал по этому поводу: "...негэнтропия (отрицательная энтропия) обеспечивается путем роста информации, получаемой в процессе взаимодействия со средой, как меры организованности живой системы. Негэнтропийность живых систем достигается также путем взаимодействия со средой за счет извлечения из нее вещества, энергии и информации... Преодолением энтропийного состояния, достигаемого за счет обмена живого со средой веществом, энергией и информацией, обеспечивается доминирование живого над средой. В энтропии выражается разрушающее воздействие среды на живое... Утвердившееся определение информации как отраженного разнообразия, или меры упорядоченности, организованности системы позволяет понять информационную природу живого как процесс, прямо противоположный энтропии".
Становится очевидной роль информации в определении сущности жизни как главного фактора, служащего первопричиной возникновения ее.
Другим важным отличительным признаком живого служит его способность к адаптации, под которой подразумевается вся совокупность приспособительных реакций живого к окружающей среде.
Определяя сущность жизни, следует подчеркнуть сделанный Пригожиным и Гленсдорфом вывод о самосогласовании, кооперативном ходе микроскопических процессов в системе, которые "всегда являются результатом неустойчивости и возникают из флуктуаций". В макроскопической системе с большим числом степеней свободы всегда существуют спонтанные флуктуации, которые в соответствии с принципом Ле Шателье-Брауна вызывают в системе компенсирующие процессы, гасящие эти флуктуации. Этот принцип, справедливый для устойчивых состояний, не выполняется для состояний, далеких от равновесия; благодаря обмену энергией-веществом с внешней средой в неравновесных условиях флуктуации сохраняются, порождая диссипативные структуры. Перефразируя одно из высказываний Пригожина, можно сказать, что "мы можем рассматривать жизнь как гигантскую флуктуацию, стабилизированную потоками энергии и вещества".
Тесно примыкает к свойству кооперативности внутренних процессов, характеризующему живое, способность живых систем к образованию коалиций. "Коалицией" я называю, - писал Г. Ферстер, - организацию элементов, которые при объединении способны совершить то, чего каждый из них в отдельности никогда не смог бы достичь. В более точных терминах это означает, что коалиция подчиняется правилу сверхаддитивного нелинейного сложения, при котором некоторая функция целого больше, чем сумма функций его частей. Заслуживает внимания тот факт, что в качестве примера такой величины может быть приведена отрицательная энтропия..."
Очень важную отличительную черту живого приводит Д.И. Блохинцев в своем определении жизни: "Жизнь есть агрессивная форма материи, стремящаяся превратить в саму себя окружающую среду. Это выражается в питании и в размножении. Оба эти действия есть не что иное, как превращение окружающей материи в свою, специфическую для жизни форму".
Итак, в качестве гипотезы, во втором, но также не окончательном приближении, живой может считаться способная эволюционно самоорганизовываться, адаптивно и агрессивно взаимодействующая с окружающей средой и повышающая свою структурную негэнтропию система, внутренние процессы в которой протекают кооперативно, а сочетание элементов подчиняется правилу сверхаддитивного нелинейного сложения.
Это синтезированное определение сущности жизни позволяет по-новому взглянуть на возможность существования и распространения жизни во Вселенной, т. к. множество систем, удовлетворяющих этому определению, существенно шире, чем подчиняющихся известной классической формуле: "Жизнь есть способ существования белковых тел..." и т. д. Тем не менее, непредвзято проведенный даже в рамках этой формулы анализ также открывает возможности для существования не совсем привычных, но все-таки достаточно близких к земной форм жизни. В качестве примера такого анализа я приведу результаты рассуждений американского биохимика А. Азимова, несомненно, гораздо более известного читателю в качестве Писателя-фантаста.
С точки зрения химика, земная жизнь представляет собой существование нуклеиновых кислот и белка на фоне воды. Перебирая возможных кандидатов на место "исполнителей главной" роли" и "фона", Азимов получает пять (кроме упомянутой - земной) возможных "химий жизни, охватывающих все температуры от нескольких сот градусов выше нуля до абсолютного нуля": 1) фторсиликоны, фон - фторсиликоны; 2) фторуглероды, фон - жидкая сера; 3) нуклеиновые кислоты и белки на основе кислорода, фон - вода - это мы; 4) нуклеиновые кислоты и белки на основе азота, фон - аммиак; 5) липиды, фон - жидкий метан; 6) липиды, фон - жидкий водород.
Таким образом, анализ, проведенный Азимовым, создает предпосылки для признания возможности зарождения и развития жизни на других планетах нашей системы. Известно, что атмосфера Юпитера и, в меньшей степени, Сатурна насыщена аммиаком, а сам Юпитер пскрыт огромными океанами аммиака. На Уране и Нептуне, планетах более отдаленных, преобладает метан. Не исключено, что существуют водородные планеты - несостоявшиеся солнца, примером которой по одной из гипотез о его составе является Юпитер. На Меркурии фоном для развития жизни могла бы быть сера, плавящаяся при температуре 113°С.
Интересный эксперимент был проведен американскими учеными Сигелом и Джумаро. Они поместили образцы растений ксерофитов - к ним относятся, например, кактусы, лишайники - в камеру, заполненную смесью метана, водорода и аммиака при атмосферном давлении, температуре 22-24°С и низкой освещенности - именно таковы, по теоретической модели, условия в одном из слоев плотной газовой оболочки Юпитера. Через определенные промежутки времени, а весь опыт продолжался два месяца, исследователи извлекали растения из камеры и изучали их под микроскопом. Обнаружилось, что многие разновидности бактерий на них не только выжили, но и продолжали размножаться. "И если на протяжении нескольких миллиардов лет в атмосфере Юпитера возникла искра жизни, она могла не только сохраниться, но и пройти значительную эволюцию", - таков вывод ученых. Действительно, поскольку возраст планет Солнечной системы в соответствии с принятой теорией приблизительно одинаков, то и разница в прогрессе эволюции (если она состоялась не только на Земле) не может быть значительной.
В 1978 году промелькнуло коротенькое сообщение: "За последние 10 лет радиоизлучение глубоких слоев атмосферы Урана возросло на 30 процентов" (ТАСС, 28.08.78 г.). Больше никакой информации об этом я, к сожалению, не видел, но не существует ли прямой связи между обнаруженным эффектом и экспериментами американских ученых? О высокой распространенности органических веществ в Галактике говорят исследования астрофизиков Ч. Викрамасингха и Ф. Хойла.
Согласно их концепции, наличие в веществе космической пыли органических полимеров или длинных цепочек органических молекул с углеродным основанием и другие данные указывают на присутствие в пространстве нашей Галактики огромного количества микроорганизмов - порядка 10Е52 отдельных клеток.
Жизнь, построенная на молекулярной основе, может быть широко распространена во Вселенной: однако допущение возможности существования жизни, даже на иной химической основе, по-прежнему не решает парадокса Ферми. Межзвездные расстояния могут быть, по-видимому, серьезной преградой для существ на молекулярной основе.
С другой стороны, экспансионизм внутри одной звездной системы вряд ли целесообразен: на одной орбите может находиться только одна планета и потому сомнительно, чтобы, например, фторуглеродные существа, живущие при температуре +200°С, проявляли к планете, состоящей из жидкого водорода, другой интерес, кроме чисто научного.
Синтезированное определение сущности жизни позволяет вести поиск жизни и на другой, в частности, на немолекулярной основе.
Опыты, проведенные У. Бостиком в Калифорнийском университете еще в 50-е годы, показали высокий уровень способности плазмы к самоорганизации. В этих экспериментах ионы некоторых металлов впрыскивались плазменной пушкой в вакуумную камеру. Резюмируя полученные результаты, У. Бостик подчеркивал, что непредвиденным явился тот факт, что плазма, инжектированная в вакуум даже в отсутствие внешнего магнитного поля, не образовывала аморфных сгустков: возникали хорошо видимые на фотографиях плазменные структуры или "организмы", как весьма многозначительно назвал их Бостик, в виде компактных геометрических конфигураций.
Автор одной из гипотез о происхождении жизни на Земле, Б.Соломин, исходя из положений нелинейной термодинамики и кибернетики, "рассмотрел возможность образования и существования плазменной жизни внутри звезд, в частности Солнца.
"Физические условия на звезде практически не зависят от условий в окружающем пространстве. То есть многие звезды можно считать достаточно стабильными системами с интервалом относительной стабильности в несколько миллиардов лет". Эта стабильность, а также доминирующее положение звезд над окружающим пространством говорят в пользу возможности эволюции образовавшейся системы и снимают вопрос о ее адаптации к окружающей среде.
Высочайшая энергетика звезд и их сверхбольшие массы способны обеспечивать рост негэнтропии возникших систем в огромных масштабах.
Эксперименты с термоядерными устройствами показывают, что соотношение между величиной выделяющейся энергии и количеством затраченного на реакцию вещества, близко к расчетному. Это может свидетельствовать - если к тому же учесть ничтожно малое время реакции - о высокой степени кооперативности процессов, идущих в плазме.
Таким образом, звезда как система практически полностью отвечает синтезированному определению сущности жизни. Нерассмотренным остается лишь вопрос об агрессивности живого, на чем я хочу остановиться подробнее. Здесь возможно несколько ответов. Во-первых, возможно, что срок распространения жизни, зародившейся в каком-то наиболее благоприятном для этого сферическом слое плазмы, может быть сравним со сроком жизни самой звезды, что создает для живой системы возможности реализации своей агрессивности.
Другим решением этого вопроса может быть направленность агрессивности внутрь системы и воплощение ее в росте собственной организованности и информационной производительности. Сюда же можно отнести и познание окружающего мира - оба процесса могут идти практически бесконечно. Нельзя не согласиться с тем, что эта гипотеза вызывает наибольшую симпатию.