Юрий Артамонов - Ли Смолин. Возрожденное время: От кризиса в физике к будущему вселенной
Так что Аристотель был прав, когда утверждал, что земная сфера удерживается вдалеке от равновесия за счет потока энергии через нее. Недостаточное признание его идеи привело к тому, что некоторые ученые и философы усмотрели конфликт между вторым законом термодинамики и тем фактом, что естественный отбор производит все более маловероятные структуры. Тут нет противоречия, поскольку закон роста энтропии к биосфере не применим, она не является изолированной системой. Действительно, естественный отбор является механизмом самоорганизации, которая может спонтанно возрасти вследствие тенденции управляемых извне систем организовывать себя.
В контексте самоорганизующихся систем мы можем лучше понять, какие особенности делают систему сложной. Очень сложная система не может находиться в равновесии, поскольку порядок не хаотичен, так что высокая энтропия и высокая сложность не могут сосуществовать. Описание системы как сложной не только означает, что она имеет низкую энтропию. Цепочка атомов, сидящих на прямой, имеет низкую энтропию, но вряд ли является сложной. Лучшей характеристикой сложности, изобретенной Джулианом Барбуром и мной, является то, что мы называем разнообразием: система имеет высокое разнообразие, если каждую пару ее подсистем можно отличить друг от друга заданием минимального количества информации о том, как они связаны или соотносятся с целым [4]. Город имеет высокое разнообразие, поскольку вы легко опишете, что вы видите вокруг перекрестка, на котором стоите. Такие условия появляются в природе в системах, далеких от равновесия, в результате процессов самоорганизации.
Повсеместным свойством таких самоорганизующихся систем является то, что они стабилизируются за счет механизма обратной связи. Любое живое существо является сложной сетью процессов обратной связи, которые регулируют, канализируют и стабилизируют потоки энергии и вещества через него. Обратная связь может быть положительной, что означает, она ускоряет производство чего-нибудь (вроде
к оглавлению скрежета микрофона, когда он поднесен слишком близко к говорящему). Отрицательная обратная связь действует на подавление сигнала, как в термостате, который включает ваш обогрев, когда дом слишком холодный, и выключает его, когда дом слишком теплый.
Структуры в пространстве и времени формируются тогда, когда за контроль над системой соревнуются различные механизмы обратной связи. Когда механизм положительной обратной связи состязается с механизмом отрицательной обратной связи, но они действуют на разных масштабах, вы можете получить структуры в пространстве. Основной механизм биологической самоорганизации, открытый Аланом Тьюрингом [5], действует, чтобы произвести структуры в эмбрионе, которые выделяют части тела, которым эмбрион станет. Позднее он может действовать снова, чтобы произвести, например, полоски на шкуре кота или крылья бабочки.
Что мы видим, когда заглядываем за пределы масштаба звезд и солнечной системы? Звезды организованы в галактики, поскольку именно в галактиках звезды и делаются. Сами галактики далеки от термодинамического равновесия. Наш собственный Млечный Путь является типичной спиральной галактикой. Он содержит не только звезды, но и гигантские межзвездные облака газа и пыли, из которых формируются звезды. Газ медленно собирается извне в диск галактики; это один из двигателей изменений в галактике. Пыль производится звездами и впрыскивается в галактический диск, когда звезды взрываются в конце своей жизни в виде сверхновых. Газ и пыль существуют в различных фазах; некоторые очень горячие, а некоторые конденсированы в очень холодные облака. Процессы самоорганизации в галактике инициируются звездным светом - потоками энергии, происходящими от звезд. Время от времени массивные звезды взрываются в виде сверхновых, таким образом, также вливая огромное количество вещества и энергии в галактику. Мы также видим структуры на масштабах больше галактических, где галактики организуются в кластеры и сети, разделяемые пустотами (войдами). Эти структуры, как мы верим, сформированы темной материей и удерживаются вместе ее взаимодействиями.
Итак, наша сегодняшняя вселенная характеризуется структурой и сложностью в широком диапазоне масштабов, от организации молекул в живой клетке до организации галактик в кластеры. Имеется иерархия самоорганизующихся систем, управляемых потоками энергии и стабилизируемых и формируемых процессами обратной связи. Это вселенная, которая намного более Лейбницевская, чем Больцмановская.
к оглавлению Что мы видим, когда бросаем взгляд назад? Мы видим вселенную, эволюционирующую от меньшей к большей структуризации, от равновесия к сложности.
Есть хорошая причина для уверенности, что вещество и радиация в ранней вселенной находились вблизи теплового равновесия. Вещество и радиация были в горячем состоянии с удивительно однородной температурой, которая повышается, когда мы двигаемся дальше назад во времени. Перед эрой разделения (отделения фотонов от вещества через 400 000 лет после Большого Взрыва) материя была в равновесии с излучением - в равновесии, которое, насколько нам известно, нарушалось только случайными флуктуациями плотности. Вся структура и сложность, которую мы видим сегодня, сформировалась после разделения вещества и излучения. Начальные структуры были посеяны малыми хаотическими флуктуациями плотности, и эти структуры росли по мере расширения вселенной. Формировались галактики, затем звезды, затем жизнь.
Это определенно непохоже на картину, которую предложило бы наивное применение второго закона термодинамики. Второй закон говорит, что изолированные системы повышают свою хаотичность, становятся более разупорядоченными и менее сложными и структурированными по мере движения времени вперед. Это противоположно тому, что, как мы видим, происходило в истории нашей вселенной, в которой сложность возрастает, когда на всех масштабах формируются структуры, причем самыми сложными структурами являются самые недавние.
Эволюционирующая сложность означает время. Никогда не было статических сложных систем. Главный урок в том, что наша вселенная имеет историю, и это история возрастания сложности со временем. Вселенная не только не является Больцмановской, она с течением времени становится все менее и менее Больцмановской.
Это все не отменяет второй закон термодинамики. Второй закон применим к изолированным системам, и они со временем приходят к равновесию. Более того, формирование сложности на самом деле совместимо с ростом энтропии до тех пор, пока рост энтропии и увеличение сложности происходят в различных местах. Земная биосфера организовывалась примерно 4 миллиарда лет с момента возникновения жизни на нашей планете. Эта растущая организация управлялась потоком энергии от Солнца, поступающей в виде фотонов наиболее видимого света, которые захватываются при фотосинтезе в растениях. Фотосинтез захватывает энергию фотонов в химических связях. В этой форме
к оглавлению энергия может катализировать химические реакции, которые, например, формируют молекулы белка. Энергия в конце концов проходит через биосферу, улетучивается в виде тепла и окончательно излучается в виде инфракрасных фотонов в небо и за его пределы. Следующей остановкой фотонов может быть нагрев частичек пыли на орбите вокруг Солнца.
Отдельный квант энергии может катализировать формирование сложной молекулы и, следовательно, уменьшить энтропию биосферы, но, когда он излучен в пространство как инфракрасный свет, это повышает энтропию солнечной системы как целого. Пока рост энтропии, вызванный нагревом частиц пыли где-то в пространстве, больше, чем уменьшение энтропии, вызванное формированием молекулярных связей, долгосрочный результат находится в согласии со вторым законом.
Так что если мы рассматриваем солнечную систему как изолированную систему, тот факт, что ее части подвержены самоорганизации и усложнению, согласуется с общим ростом энтропии. Система как целое пытается прийти к равновесию, и будет наращивать свою энтропию, где сможет. Второй закон делает все возможное, чтобы привести солнечную систему в равновесие, но пока большая звезда излучает в холодное пространство горячие фотоны, равновесие откладывается. Пока оно откладывается, молекулы могут переправлять поток энергии в направлении все больших и больших состояний организации и сложности. А звезды горят миллиарды лет, так что есть очень много времени для распространения сложности. Существование звезд играет большую роль в том, почему вселенная почти через 14 миллиардов лет после ее формирования далека от равновесия.
