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

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