Феномен человека на фоне универсальной эволюции

Глава III Энтропия и беспорядок

Попытки решения

3.2.10. Седьмое направление: эволюционное усложнение объясняется давлением взаимодействий

Как это часто бывает в науке, невозможно сказать, кто первым пришел к мысли о том, что эволюционное усложнение вызывается давлением взаимодействий. Формулировки ранних эволюционистов вынужденно размыты из-за неразвитости понятийного аппарата, так что их приходится «переводить» на современный нам язык.

Уже Р. Декарт (около 1630 г.) утверждает, что мир обязан возникновением в нем порядка законам природы: «Иными словами, допустим, что с первого же момента, как была сотворена материя, одни из ее частей начали двигаться в одну, а другие — в другую сторону, одни быстрее, а другие медленнее (или, если это вам угодно, остались совсем без движения), и что материя сохраняет в дальнейшем свое движение, следуя обычным законам природы. Бог так чудесно установил эти законы, что если бы мы даже предположили, что им не создано было ничего, кроме сказанного, и не вложено в материю никакого порядка и соразмерности, а, наоборот, все перемешано в самый запутанный и сложный хаос, какой только могут описать поэты, то и в таком случае законы эти были бы достаточны, чтобы заставить части материи распутаться и расположиться в весьма стройный порядок. Придя благодаря этим законам сама собою в порядок, материя наша приняла бы форму весьма совершенного мира, в котором можно было бы наблюдать не только свет, но также и все остальные явления, имеющие место в нашем действительном мире [Декарт, 1934. С. 163].

Формулировки Декарта вынужденно размыты. Сами по себе законы не могут ничего двигать, все движется силами, или взаимодействиями, законы которых Декарт и называет законами природы. Слова гравитация или притяжение в приведенном пассаже отсутствуют, лишь незримо здесь витая.

И. Ньютон в ответном письме от 10 декабря 1692 г. Р. Бентли, попросившего объяснить, как образовались звезды, развивает космологическую модель Декарта, вводя гравитацию непосредственно в текст: «Что касается Вашего первого вопроса, мне кажется, что если бы вещество нашего Солнца и планет и все вещество Вселенной было равномерно рассеяно [scattered] по всему небу, и каждая частица обладала врожденным [innate] тяготением ко всему остальному, и все пространство, по которому это вещество рассеяно, было бы, тем не менее, конечным, то вещество с наружной стороны этого пространства направлялось бы в середину всего пространства и образовало бы там одну, большую сферическую массу. Но если бы вещество было равномерно распределено [diffused] по бесконечному пространству, оно никогда бы не собралось в одну массу, но некоторое количество [some] его собралось бы в одну массу, и некоторое количество в другую, так чтобы создать [so as to make] бесконечное количество больших масс, рассеянных на больших расстояниях друг от друга по всему бесконечному пространству. И так могли быть образованы Солнце и Неподвижные [Fixt] Звезды, если считать, что вещество имеет понятную [lucid] природу» [The Correspondence..., 1961. P. 234].

В приложении к «Оптике» Ньютона [1954. С. 299-301] наряду с силами гравитационного притяжения фигурируют силы отталкивания, оставшиеся в письме к Бентли за кадром.

И. Кант (1755) развивает концепцию Декарта—Ньютона в космогоническое учение об образовании солнечной планетной системы из газообразной туманности: «Непосредственно после сотворения мира природа находилась в первичном состоянии и была совершенно бесформенна... Элементы, коим присущи силы для приведения друг друга в движение, имеют источник жизни в самих себе. Материя с самого начала стремится к формированию. Рассеянные элементы с большей плотностью благодаря притяжению собирают вокруг себя всю материю с меньшим удельным весом; сами же они вместе с материей, которую они присоединили к себе, собираются в тех точках, где находятся еще более плотные частицы, а эти частицы точно так же собираются вокруг еще более плотных и т.д. ...Однако природа имеет в запасе еще и другие силы, которые проявляются главным образом тогда, когда материя разложена на мельчайшие частицы; благодаря им эти частицы отталкивают друг друга и своим сопротивлением силе притяжения порождают то движение, которое представляет собой как бы долговечную жизнь природы» [Кант, 1963. С. 156-157]

П. Лаплас (1796) развивает космологическую концепцию Декарта—Ньютона—Канта, сходным образом раскрывая механизм саморазвития Вселенной: «С давних времен особое расположение некоторых звезд, видимых простым глазом, поражало мыслящих наблюдателей. Уже Митчелл заметил, насколько маловероятно, чтобы, например, звезды Плеяд были сосредоточены в тесном пространстве только по воле случая; и он решил, что эта группа звезд и другие похожие группы, видимые на небе, являются результатом действия первоначальной причины или всеобщего закона природы. Эти группы являются необходимым результатом конденсации туманностей с несколькими ядрами, так как ясно, что поскольку туманная материя непрерывно притягивалась этими ядрами, с течением времени они должны были образовать группу звезд, похожую на группу Плеяд. Подобно этому конденсация туманностей, имеющих два ядра, образует очень близкие звезды, обращающиеся одна вокруг другой, такие как двойные звезды, у которых обнаружены их движения одной относительно другой)» [Лаплас, 1982. С. 325-326].

Ни Декарт, ни Ньютон, ни Кант, ни Лаплас, естественно, не соотносили идею эволюционного усложнения наблюдаемого мира под давлением взаимодействий с законом возрастания энтропии, который был сформулирован только во второй половине XIX в. Зато это вынуждены делать их последователи сегодня. Например, С. Г. Суворов: «В наше время представление о „тепловой смерти" подвергается справедливой критике... в силу того, что изменилось понимание роли взаимодействия частиц для процесса развития мира в целом. Классическая физика исходила из того, что состояние с максимальной энтропией при данной энергии представляет собой газ постоянной плотности, равномерно распределенный в пространстве. Однако теперь стало ясно, что такое представление — абстракция, вытекающая из пренебрежения взаимодействием между частицами. Даже если бы такое распределение установилось, уже небольшие местные флуктуации от него благодаря силам тяготения привели бы к структурному изменению газа. В космических масштабах благодаря тяготению происходит превращение более или менее однородного газа в обособленные галактики, звезды и т. п. Это возникновение структуры и отдельных тел является естественным процессом и наблюдается на любом этапе развития мира, в том числе и в наше время... оно сопровождается увеличением энтропии и находится в согласии с термодинамикой.

Может быть, полезно вспомнить, — продолжает Суворов, — что энтропия характеризует вероятность состояния, которую в свою очередь можно представить как произведение вероятности пространственного распределения частиц и вероятности распределения частиц по их скоростям. Вероятность того, что частицы сосредоточатся в галактике или звезде (вместо равномерного распределения в пространстве), невелика. Но когда они сосредоточиваются таким образом, энергия их гравитационного взаимодействия превращается в тепловую энергию. Возрастает температура вещества, увеличиваются скорости частиц. В целом вероятность состояния (зависящая и от расположения частиц, и от их скорости) возрастает. Это выражается в возрастании энтропии... учет взаимодействия между частицами, в первую очередь гравитационного взаимодействия, снимает кажущееся противоречие между вторым началом термодинамики и наблюдаемой картиной мира... Конечно, реальная картина развития мира еще более сложна... при определенных условиях возникают и другие структурные формы (атомы, молекулы, клетки и т. п.). Аморфное состояние мировой системы, флуктуация от которого якобы связана с убыванием энтропии, никогда не устанавливается. Жупел „тепловой смерти" мира как неизбежного превращения всего сущего в аморфное, бесструктурное, серое образование является... ошибочным по вполне конкретным физическим причинам» [Суворов, 1967. С. 722].

Согласованием идеи об эволюционном усложнении под давлением взаимодействий с ростом энтропии успешно, хотя, на наш взгляд, и не вполне последовательно, занимается также И.Л. Генкин [Генкин, 1976, 1979, 1994, 1995; Генкин, Седов, 1988; Генкин, Цицин, 1988]. «Обычно вероятности появления тех или иных конфигураций, — пишет он, — подсчитываются на основе модели идеального газа. Но ясно, что такая модель имеет весьма далекое отношение к мегамиру, одна из основных черт которого — наличие дальнодействующих сил тяготения» [Генкин, 1979. С. 181].

«В обычном понимании, — пишет далее Генкин, — состоянию „тепловой смерти" соответствует равномерное распределение частиц по всему пространству с учетом или без учета присутствующих всегда в равновесной среде флуктуаций. Допустим, что этому состоянию соответствует определенное значение энтропии S_max (если угодно, на единицу объема или массы). Известно, что равномерное распределение вещества в пространстве не может быть стационарным, а должно либо расширяться, либо сжиматься в соответствии с фридмановскими космологическими решениями. Известно также, что эти решения неустойчивы, и состояние равномерного распределения должно смениться разбиением среды на отдельные области размером порядка критической волны Джинса... процесс разбиения сопровождается необратимыми потерями, которые приводят к росту энтропии за пределы величины S_max... Мы пришли к парадоксальному, на первый взгляд, выводу: состоянию „тепловой смерти" соответствует отнюдь не максимальное значение энтропии. Наоборот, это состояние может быть начальным для последующей эволюции гравити-рующего вещества, которая идет (в полном соответствии со вторым началом термодинамики) от менее вероятных („малоэнтропийных") к более вероятным („высокоэнтропийным") состояниям. Только вопреки распространенным представлениям более вероятно именно состояние вещества с развитой структурой, а отнюдь не первозданный хаос» [Там же].

«Представление, согласно которому появление предпочтительных структур маловероятно, основано на недоразумении, на применении комбинаторики там, где она неприменима... Нет сомнения в том, что учет и других взаимодействий не изменит этого вывода... роль гравитационных взаимодействий в образовании структурности не является каким-то исключением», взаимодействие между атомами приводит к тем же последствиям [Там же. С. 182]. «Усложнение можно проследить в средах или объектах любого типа... наиболее вероятное состояние не обязательно походит на... однородное простое распределение, а может обладать развитой структурой, определяемой конкретным видом взаимодействий между элементами системы» [Генкин, 1994. С. 8].

Выделим в рассуждениях Генкина три тезиса:

• состояние с развитой структурой более вероятно (имеет большую энтропию), чем состояние, описываемое равномерным распределением вещества в пространстве (хаос);

• это является следствием гравитационных и иных взаимодействий;

• распространенное представление о большей вероятности равномерного распределения является следствием неправомерного распространения больцмановской комбинаторики за пределы модели идеального газа.

Все эти тезисы встречаются и в других работах. Первые два из них присутствуют в приведенных выше в настоящем разделе высказываниях Суворова. Первый тезис содержится также в работе [Caves, 1993]. О том, что развитая структура характеризуется большей вероятностью макросостояния (энтропией), чем хаос, благодаря взаимодействиям, говорится, хотя и без должного обоснования, в публикациях [Матвеев, 1973; Ackerson, 1993; Пенроуз, 2003].

Мысль о том, что представления о большей вероятности равномерного распределения («хаоса») связаны с неправомерным распространением гипотезы о равновероятности микросостояний за пределы модели идеального газа, которая вообще сыграла в науке во многом негативную роль, затормозив развитие верных представлений о связи энтропии и беспорядка, встречается, например, в книгах И. Пригожина. Связь между энтропией и упорядоченностью, пишет он в соавторстве с Г. Николисом, «довольно прозрачна в идеальных системах (в отсутствие взаимодействия между частицами), а также в случае равновесия в системах более общего характера, когда характерный пространственный масштаб возможных упорядоченных структур сравним с масштабом межмолекулярных сил. С другой стороны, та упорядоченность, которая обусловлена возникновением диссипативных структур в неравновесных условиях, совсем не обязательно должна быть напрямую связана с убылью энтропии» [Николис, Пригожин, 1990. С. 80]. «В сильно неравновесных условиях, — говорит он совместно с И. Стенгерс, — понятие вероятности, лежащее в основе больцманов-ского принципа порядка, становится неприменимым: наблюдаемые структуры не соответствуют максимуму комплексов» [Пригожин, Стенгерс, 1986. С. 197].

Возвращаясь к Генкину, следует сказать, что, как это часто бывает с первопроходцами, его точка зрения несколько размыта и непоследовательна. В статьях, написанных им совместно с Ф.А. Цициным и Е.А. Седовым, читаем: «...бытующее представление о росте энтропии как об увеличении беспорядка является, вообще говоря, неверным. Оно относится, по существу, к идеальному газу... хотя реальный мир представляет... единую систему только благодаря существованию дальнодействующих сил, в первую очередь гравитации... Все такие процессы идут в открытых системах и не находятся в противоречии с термодинамикой... Взятая в отдельности энтропия усложняющейся системы или ее подсистемы уменьшается,, но при этом растет энтропия окружения и, следовательно, системы более высокого порядка» [Генкин, Цицин, 1988. С. 157]. «В целом дело обстоит так, что энтропия (возможно, удельная энтропия) развивающегося объекта уменьшается, хотя растет суммарная энтропия объекта и окружения» [Генкин, Седов, 1988. С. 58].

Здесь утверждается, во-первых, что рост сложности системы означает уменьшение ее энтропии и, во-вторых, что рост сложности эволюционирующей системы происходит за счет среды. Другими словами, в этих статьях Генкин возвращается к концепции Шрёдингера и др. (см. разд. 3.2.4). И поскольку в этой концепции, как мы видели, зависает без ответа вопрос о том, чту же служит средой для всей эволюционирующей Вселенной, Генкин вполне логично настаивает на неприменимости к ней закона возрастания энтропии: «Понятие энтропии и вероятности состояния для существенно неоднородной системы и, возможно, многосвязной Вселенной, не имеют смысла» [1994. С. 11]. «По нашему мнению, неприменимость второго закона термодинамики ко всей Вселенной имеет... глубокий смысл, связанный с ее бесконечным разнообразием» [Там же. С. 10].

Мы уверены в том, что «бесконечное разнообразие» Вселенной не служит препятствием для применения к ней локальной формулировки закона возрастания энтропии, согласно которой производство (скорость возникновения) энтропии положительно в каждом достаточно большом (в статистическом смысле) фрагменте Вселенной (см. гл. 2). Автогенетическая идея Декарта—Ньютона—Канта—Лапласа о том, что эволюционное усложнение происходит под давлением взаимодействий, допускает гораздо более конструктивное решение проблемы применимости закона возрастания энтропии, не требующее возвращения к концепции Шрёдингера и др. и отказа от применимости этого закона ко Вселенной.

М.И. Штеренберг [2003], пришедший, как мы видели в разд. 3.2.8, к выводу о том, что рост энтропии может сопровождаться ростом упорядоченности как в открытых, так и в изолированных системах, говорит и о роли в том взаимодействий, отсутствующих в идеальном газе. Более того, он пишет также об эволюционном усложнении с ростом энтропии. Позицию этого автора ослабляет, однако, то обстоятельство, что, как отмечалось, неправомерно отказывая энтропии в физическом смысле, он налагает запрет на применение этого понятия при обсуждении эволюционной проблематики. Кроме того, он упрощенно трактует энтропию как тепловую величину, тогда как сфера применения этого понятия значительно шире области тепловых процессов (см. гл. 1-2).