Что такое жизнь? - Эрвин Шрёдингер

Нас не должны поэтому обескураживать трудности объяснения жизни с помощью обыкновенных законов физики. Ибо это именно то, чего следует ожидать, исходя из знания, достигнутого относительно структуры живого вещества. Мы должны ожидать, что в живом веществе преобладает новый тип физического закона. Или мы должны назвать его нефизическим, чтобы не сказать: сверхфизическим законом?

Новый принцип не чужд физике

Нет. Я не думаю этого. Новый принцип - это подлинно физический принцип; на мой взгляд он не что иное, как опять-таки принцип квантовой теории. Для объяснения этого мы должны пойти несколько дальше и ввести уточнение, чтобы не сказать улучшение, в наше прежнее утверждение, что все физические законы основаны на статистике.

Это утверждение, повторявшееся снова и снова, не могло не привести к противоречию. Ибо действительно имеются явления, отличительные черты которых явно основаны на принципе "порядок из порядка" и ничего, кажется, не имеют общего со статистикой или молекулярной неупорядоченностью.

Строение солнечной системы, движение планет поддерживается почти неограниченное время. Созвездие настоящего времени прямо связано с созвездием в любой момент из времен эпохи египетских пирамид; оно может быть прослежено в прошлом до этого времени и наоборот. Когда были рассчитаны сроки прежних затмений, то оказалось, что они находятся в полном согласии с историческими записями или даже в некоторых случаях послужили для исправления принятой хронологии. В этих вычислениях не было никакой статистики, они были основаны исключительно на ньютоновском законе всемирного тяготения.

Регулярное движение хороших часов или любого подобного механизма, очевидно, также не имеет ничего общего со статистикой. Короче говоря, все чисто механические явления, по-видимому, явно и прямо следуют принципу "порядок из порядка". И если мы говорим "механические", то этот термин надо понимать в широком смысле. Очень употребительный вид часов, как вы знаете, основан на регулярной передаче электрических импульсов с силовой станции.

Я помню интересную маленькую работу Макса Планка на тему "Динамический и статистический тип закона"[40]. В этой работе проводится точно такое же различие, какое мы здесь обозначили как "порядок из порядка" и "порядок из беспорядка". Целью этой работы было показать, как интересный статистический тип закона, контролирующий события большого масштаба, создается из "динамических" законов, которые, повидимому, управляют событиями малого масштаба - взаимодействием единичных атомов и молекул. Последний тип закона иллюстрируется механическими явлениями большого масштаба, как, например, движение планет, часов и т. д.

Таким образом оказывается, что "новый принцип", принцип "порядок из порядка", на который мы указали с большой торжественностью как на действительный ключ к пониманию жизни, совсем не нов для физики. Позиция Планка даже восстанавливает его приоритет. Мы, кажется, приближаемся к смехотворному заключению, будто ключ для понимания жизни заключается в том, что она основана на чистом механизме, на принципе "часового механизма" в том смысле, который придает этому выражению Планк. Это заключение не представляется нелепым и, на мой взгляд, не совсем ошибочно, хотя его и следует принимать "с большой щепотью соли".

Движение часов

Давайте тщательно проанализируем движение реальных часов. Это не чисто механический феномен. Чисто механические часы не нуждались бы ни в пружине, ни в заводе. Раз пущенные в ход, они двигались бы всегда. Реальные же часы без пружины останавливаются после немногих ударов маятника, их механическая энергия превращается в тепло. А это - безгранично сложный, атомный процесс. Общее представление о нем, которое складывается у физика, вынуждает признать, что обратный процесс также не вполне невозможен: часы без пружины могут неожиданно начать двигаться за счет затраты тепловой энергии своих собственных зубчатых колес и окружающей среды. В этом случае физик должен был бы сказать: часы испытывают исключительно интенсивный пароксизм броуновского движения. Мы видели в главе I (§ 7), что с весьма чувствительными крутильными весами (электрометр или гальванометр) такого рода явление происходит все время. В случае часов это бесконечно неправдоподобно.

Будем ли мы относить движение часов к динамическому или к статистическому типу закономерных явлений (употребляя выражения Планка), зависит от нашей точки зрения. Называя это движение динамическим явлением, мы обращаем внимание на регулярность движения, которая может быть обеспечена сравнительно слабой пружиной, преодолевающей малые нарушения теплового движения, так что мы можем пренебречь ими. Но если мы вспомним, что без пружины часы, вследствие трения, постепенно остановятся, то окажется, что этот процесс можно понять только как статистическое явление.

Как бы практически незначительно ни было трение и нагревание в часах, все же не может быть сомнения, что вторая точка зрения, которая не пренебрегает ими, более основательна, даже если мы имеем дело с регулярным движением часов, приводимых в действие пружиной. Ибо не следует думать, что движущий механизм действительно совершенно устраняет статистическую сторону процесса. Истинная физическая картина не исключает того, что даже правильно идущие часы могут внезапно обратить свое движение и, работая назад, завести свою собственную пружину за счет затраты тепла окружающей среды. Это событие "еще немного менее вероятно", чем "броуновский пароксизм" для часов, совсем не имеющих заводного механизма.

Часовой механизм в конечном счете оказывается статистическим

Давайте теперь рассмотрим создавшееся положение. "Простой" случай, который мы анализировали, служит примером многих других - по существу всех, избегающих на первый взгляд всеохватывающего принципа молекулярной статистики. Часы, сделанные из реальной физической материи (в противоположность воображаемым), не будут "истинным часовым механизмом". Элемент случайности может быть более или менее снижен; вероятность того, что часы неожиданно пойдут совершенно неправильно, может быть бесконечно малой, но в основе она всегда остается. Трение и тепловые влияния имеют место даже в движении небесных тел. Вращение земли постепенно замедляется приливным трением и вместе с этим замедлением луна постепенно отступает от земли, чего не случилось бы, если бы земля была совершенно твердым вращающимся шаром.

Тем не менее остается фактом, что "реальные часовые механизмы" ясно проявляют весьма выраженные черты "порядка из порядка", такого типа черты, которые возбудили у физика волнение, когда он встретился с ними в организме. Кажется вероятным, что оба случая в конце концов имеют нечто общее. Теперь остается рассмотреть, в чем это общее и в чем заключается то поразительное различие, которое делает случай организма в конечном счете новым и беспрецедентным.

Теорема Нернста

Когда же физическая система - любой вид ассоциации атомов - обнаруживает "динамический закон" (в смысле Планка) или "черты часового механизма"? Квантовая теория дает на этот вопрос краткий ответ, а именно - при абсолютном нуле температуры. При приближении к температуре нуль молекулярная неупорядоченность перестает влиять на физические явления. Это было, между прочим, открыто не теорией, а тщательным исследованием химических реакций в широких температурных границах и последующей экстраполяцией результатов на фактически недостижимую температуру абсолютного нуля. Это - знаменитая "тепловая теорема" Вальтера Нернста, которой иногда, и не без основания, присваивают громкое название "Третьего Закона Термодинамики" (первый - это принцип сохранения энергии, второй - принцип энтропии).

Квантовая теория дает рациональное основание эмпирическому закону Нернста и в то же время позволяет определить, как близко данная система должна подойти к абсолютному нулю, чтобы выявить приблизительно "динамическое" поведение. Какая же температура в каждом отдельном случае практически уже эквивалентна нулю?

Так вот, не следует думать, что это должна быть всегда очень низкая температура. Действительно, открытие Нернста было подсказано тем фактом, что даже при комнатной температуре энтропия играет удивительно незначительную роль во многих химических реакциях (напомню, что энтропия - это прямая мера молекулярной неупорядоченности, а именно - ее логарифм).

Маятниковые часы находятся, в сущности, при нулевой температуре

Как же относительно маятниковых часов? Для маятниковых часов комнатная температура практически эквивалентна нулю. Это - причина того, что они работают "динамически". Они будут продолжать работать, если их охлаждать (при условии, что удалены все следы смазки), но они не будут работать, если их нагревать выше комнатной температуры, ибо в конце концов они расплавятся.