Романтика реальности. Как Вселенная самоорганизуется, порождая жизнь, сознание и сложность Космоса - Бобби Азарян

увековечила предположение о том, что абиогенез был случайным явлением с очень малой вероятностью повторения где-либо еще.

Такое представление о крайней маловероятности возникновения жизни привело к ряду сомнительных философских выводов. Оно поддерживало веру креационистов в то, что существование жизни доказывает божественное вмешательство, а секуляристов привело к убеждению, что биология является просто своего рода космическим сбоем: маленьким и недолговечным очагом порядка в неумолимо враждебной и безжизненной Вселенной. Согласно стандартному секулярному научному взгляду (он же редукционистское мировоззрение), не было причин считать, что жизнь переживет Солнце, которое ее питает, и тем более не было причин полагать, что она когда-нибудь обретет способность влиять на крупномасштабную эволюцию космоса.

Однако в 1960-х годах получил известность выдающийся бельгийский биохимик с иным взглядом на космос. Илья Пригожин не считал, что мы живем в мире, который становится все более дезорганизованным и разрушающимся. По его мнению, мы обитаем во Вселенной, которая далека от термодинамического равновесия и имеет огромное множество источников энергии и градиентов, которые заставляют энергию поступать в бесчисленные открытые системы и выходить из них. В ответ на этот входящий поток естественно и предсказуемо возникают закономерности, порядок и функциональность. Природа не только не разрушительна, но и по самой своей сути потрясающе созидательна.

Спонтанная самоорганизация и второй закон термодинамики

Хотите увидеть пример естественного и спонтанного порядка? Просто наполните ванну водой, а затем выньте пробку. Над сливом обязательно сразу же возникнет водоворот. Молекулы воды в нем перемещаются не случайным образом, как молекулы идеального газа в контейнере, описанном Больцманом. Вместо того чтобы вести себя совершенно хаотично, они движутся согласованно и образуют упорядоченную динамическую структуру, которая устойчива, стабильна и элегантна. Такого рода структуры широко распространены в природе – от водоворотов над провалами в озерах, до циклонов, порождаемых ураганами и торнадо. Чаще всего такие образования недолговечны, но не обязательно. Водоворот над сливом в ванне не исчезнет до тех пор, пока в ванну поступает достаточно воды, а знаменитое Большое красное пятно на Юпитере – это гигантский атмосферный вихрь, который кружит уже сотни лет.

Наблюдая за частым возникновением и сохранением динамического порядка в мире природы, Пригожин понял, что классическую теорию термодинамики нужно радикально расширить. Уравнения статистической механики Больцмана верны только для изолированных систем, находящихся в равновесии или около него. При равновесии нет ничего, кроме случайного движения и всеобщей стагнации. Однако системы, далекие от равновесия (которые здесь, на Земле, являются скорее правилом, нежели исключением), ведут себя совершенно по-другому и, следовательно, требуют иных математических моделей и основополагающих принципов. Шрёдингер говорил, что понимание поведения жизни откроет «новые законы физики», которые в свою очередь решительно изменят наше отношение ко второму закону термодинамики.

Второй закон одинаково важен как в состоянии равновесия, так и в условиях, далеких от него, но, как мы увидим, в последнем случае его последствия противоположны. Вместо распада, наоборот, возникает и сохраняется порядок. Это связано с тесной связью между производством энтропии и спонтанным формированием паттернов, которое, по признанию Пригожина, имеет огромное значение. Структуры, подобные циклонам и водоворотам, образуются не вопреки тенденции Вселенной к нарастанию энтропии – они формируются вследствие нее.

Напомним из предыдущей главы, что второй закон является выражением нетерпимости природы к градиентам. Именно по этой причине тепло самопроизвольно перетекает из более горячего места в более холодное до тех пор, пока разница температур, или тепловой градиент, не будет устранена. При достаточно большой разнице в температуре, давлении, химической концентрации или заряде между системой и ее окружением поток будет возникать самопроизвольно до тех пор, пока разница не уменьшится и не будет достигнуто равновесие. Этот уравновешивающий поток рассеивает энергетические градиенты, производя энтропию – энергию, которую уже невозможно использовать.

И тут мы подходим к очень любопытному моменту. Поскольку природа не терпит градиентов, то усилие, затрачиваемое для их уменьшения, пропорционально величине градиента. Если градиент достаточно велик, а свободной энергии достаточно, то спонтанно возникает циклическая структура, позволяющая градиенту рассеиваться более эффективно. Поскольку Вселенная «стремится» производить энтропию с максимально возможной скоростью, она обязательно создает организованные системы, помогающие ей более эффективно достичь своей термодинамической цели.

Разумному наблюдателю кажется, что эти эмерджентные структуры материализуются из воздуха, словно построенные невидимой рукой природы. Возьмем, к примеру, ураган. Атмосферный циклон образуется, когда разница температур между теплым океаном и холодной атмосферой становится достаточно большой, чтобы началось самопроизвольное возникновение. Формирующиеся спиралевидные ветры рассеивают градиент, закручивая воздушные потоки и смешивания теплые и холодные молекулы, пока не будет достигнуто устойчивое состояние термодинамического равновесия. Динамическая вращающаяся структура сохраняется до тех пор, пока не устраняется градиент и не прекращается поток энергии.

Спонтанное возникновение описывается как самоорганизация, потому что эмерджентная структура образуется благодаря законам природы и коллективным взаимодействиям компонентов системы, а не из-за действий внешнего агента, например инженера или сверхъестественного божества. Стоит отметить, что не совсем верно называть процесс образования порядка спонтанным, ведь он всегда управляется потоком энергии. Поэтому самоорганизация происходит только в открытых системах в условиях, далеких от равновесия.

Пригожин называл эти спонтанно самоорганизующиеся системы диссипативными структурами[4], чтобы подчеркнуть их зависимость от энергии и их термодинамическую функцию, которая заключается в минимизации свободной энергии и производстве энтропии. Диссипативные структуры показывают, что производство энтропии может способствовать как порядку и сложности, так и неупорядоченности. Это открытие коренным образом меняет наше представление о втором законе термодинамики: он одновременно разрушитель и созидатель организованных структур в природе. По выражению самого Пригожина, «неравновесие порождает „порядок из хаоса“».

К счастью для Пригожина, диссипативные структуры нетрудно создать в лабораторных условиях. Направьте на систему из множества частиц постоянный поток энергии, например поток тепла или электрический ток, и наблюдайте, как она самоорганизуется, словно по волшебству. Когда энергия течет через систему, она уводит ее от состояния неупорядоченного равновесия к устойчивому состоянию динамической организации и функционирования.

Этого эффекта легко добиться, просто подогрев немного воды в кастрюле на плите. По мере нагревания нижнего слоя жидкости начинает расти разница температур между ним и более холодным поверхностным слоем сверху. Температурный градиент заставляет тепло перетекать от нижнего слоя к верхнему, создавая восходящий поток. Когда горячие (возбужденные) молекулы воды движутся вверх, у некоторых из них оказывается достаточно энергии, чтобы покинуть кастрюлю в виде пара. Испарение охлаждает молекулы на поверхности, заставляя их опускаться обратно на дно. Эти тепловые течения создают узорчатые потоки на путях наименьшего сопротивления, которые организуются в виде гексагональных структур, называемых конвективными ячейками или ячейками Бенара.

Можно получить и более сложную диссипативную структуру, создав градиент концентрации (химический градиент), выводящий химическую систему из