4

4

Наша книга повествует о концептуальных метамор­фозах, которые произошли в науке от «золотого века» классической науки до современности. К описанию этих метаморфоз ведут многие пути. Мы могли бы проанали­зировать проблемы физики элементарных частиц или проследить за увлекательным развитием событий, разыг­равшихся недавно в астрофизике. И физика элементар­ных частиц, и современная астрофизика существенно расширили границы науки. Но, как уже упоминалось в предисловии, за последние годы было обнаружено так много новых свойств и особенностей явлений природы, протекающих на промежуточном уровне, что мы реши­ли сосредоточить все внимание на этом уровне — на про­блемах, относящихся главным образом к макроскопиче­скому миру, состоящему из огромного числа атомов и молекул, в том числе и биомолекул. Вместе с тем нель­зя не подчеркнуть, что на любом уровне, будь то теория элементарных частиц, химия, биология или космология, развитие науки происходит более или менее параллель­но. В любом масштабе самоорганизация, сложность и время играют неожиданно новую роль.

Наша цель состоит в том, чтобы с определенной точ­ки зрения рассмотреть, как развивалась наука за по­следние триста лет. Произведенный нами отбор мате­риала заведомо субъективен. Дело в том, что проблема времени всегда находилась в центре научных интересов одного из нас и ее исследованием он занимался всю свою жизнь. Еще в бытность свою студентом Брюссель­ского университета, где ему довелось впервые соприкос­нуться с физикой и химией, он был поражен, как мало могут сказать естественные науки о времени (скудость естественнонаучных представлений о времени была тем более очевидна для него, что еще до поступления в уни­верситет он изучал цикл гуманитарных дисциплин, из которых ведущими были история и археология). Испы­танное им чувство удивления могло привести его к одной из двух позиций относительно проблемы вре­мени, многочисленные примеры которых неоднократно встречались в прошлом: к полному пренебрежению проб­лемой времени, поскольку в классической науке нет мес­та времени, и к поиску какого-нибудь другого способа постижения природы, в котором бы времени отводилась иная, более существенная по своему значению роль. Именно второй путь избрали Бергсон и Уайтхед, если ограничиться именами лишь двух философов XX в. Пер­вую позицию можно было бы назвать позитивистской, вторую — метафизической.

Существует, однако, и третий путь: можно было за­дать вопрос, не объясняется ли простота временной эво­люции, традиционно рассматриваемой в физике и химии, тем, что в этих науках основное внимание уделяется чрезмерно упрощенным ситуациям — грудам кирпича вместо храма, о котором мы уже упоминали.

Наша книга состоит из трех частей. В первой части мы расскажем о триумфе классической науки и куль­турных последствиях этого триумфа. (Первоначально науку встречали с энтузиазмом.) Затем мы опишем по­ляризацию культуры, к которой привела классическая наука и ее поразительный успех. Воспринимать ли нам этот успех как таковой, быть может ограничивая проис­текающие из него последствия, или сам научный метод должен быть отвергнут как неполный или иллюзорный? Какой бы ответ мы ни избрали, результат окажется од­ним и тем же: столкновение между тем, что часто при­нято называть «двумя культурами», — между естествен­ными науками и гуманитарным знанием.

С самого зарождения классической науки западно­европейская мысль придавала этим вопросам первосте­пенное значение. К проблеме выбора мы возвращаемся неоднократно. Именно в вопросе «Чему отдать предпоч­тение?» Исайя Берлин справедливо усматривает начало раскола между естественными и гуманитарными нау­ками:

«Специальное и уникальное или повторяющееся и общее, универсальное, конкретное или абстрактное, веч­ное движение или покой, внутреннее или внешнее, ка­чество или количество, зависимость от культуры или вневременные принципы, борение духа и самоизменение как постоянное состояние человека или возможность (и желательность) покоя, порядка, окончательной гар­монии и удовлетворение всех разумных человеческих желаний — таковы некоторые аспекты этой противопо­ложности».

Немало страниц нашей книги посвящено классиче­ской механике. Мы считаем, что она представляет собой «наблюдательный пункт», из которого особенно удобно следить за трансформацией, переживаемой современной наукой. В классической динамике особенно ярко и четко запечатлен статический взгляд на природу. Время низ­ведено до роли параметра, будущее и прошлое эквива­лентны. Квантовая механика подняла много новых проблем, не затронутых классической динамикой, но со­хранила целый ряд концептуальных позиций классиче­ской динамики, в частности по кругу вопросов, относя­щихся ко времени и процессу.

Первые признаки угрозы грандиозному ньютоновско­му построению появились еще в начале XIX в. — в пе­риод торжества классической науки, когда ньютонов­ская программа занимала господствующее положение во французской науке, а та в свою очередь доминиро­вала в Европе. Во второй части нашей книги мы просле­дим за развитием науки о теплоте — сопернице ньюто­новской теории тяготения, начиная с первой «перчатки», брошенной классической динамике, когда Фурье сфор­мулировал закон теплопроводности. Теория Фурье была первым количественным описанием явления, немысли­мого в классической динамике, — необратимого про­цесса.

Два потомка теории теплоты по прямой линии — нау­ка о превращении энергии из одной формы в другую и теория тепловых машин — совместными усилиями при­вели к созданию первой «неклассической» науки — тер­модинамики. Ни один из вкладов в сокровищницу науки, внесенных термодинамикой, не может сравниться по но­визне со знаменитым вторым началом термодинамики, с появлением которого в физику впервые вошла «стрела времени». Введение односторонне направленного време­ни было составной частью более широкого движения за­падноевропейской мысли. XIX век по праву может быть назван веком эволюции: биология, геология и социоло­гия стали уделять в XIX в. все большее внимание изуче­нию процессов возникновения новых структурных эле­ментов, увеличения сложности. Что же касается термо­динамики, то в основе ее лежит различие между двумя типами процессов: обратимыми процессами, не завися­щими от направления времени, и необратимыми про­цессами, зависящими от направления времени. С при­мерами обратимых и необратимых процессов мы позна­комимся в дальнейшем. Понятие энтропии для того и было введено, чтобы отличать обратимые процессы от необратимых: энтропия возрастает только в результате необратимых процессов.

На протяжении XIX в. в центре внимания находилось исследование конечного состояния термодинамической эволюции. Термодинамика XIX в, была равновесной термодинамикой. На неравновесные процессы смотрели как на второстепенные детали, возмущения, мелкие несу­щественные подробности, не заслуживающие специаль­ного изучения. В настоящее время ситуация полностью изменилась. Ныне мы знаем, что вдали от равновесия могут спонтанно возникать новые типы структур. В силь­но неравновесных условиях может совершаться переход от беспорядка, теплового хаоса, к порядку. Могут воз­никать новые динамические состояния материи, отра­жающие взаимодействие данной системы с окружающей средой. Эти новые структуры мы назвали диссипативными структурами, стремясь подчеркнуть констру­ктивную роль диссипативных процессов в их об­разовании.

В нашей книге приведены некоторые из методов, раз­работанных в последние годы для описания того, как возникают и эволюционируют диссипативные структуры. При изложении их мы впервые встретимся с такими ключевыми словами, как «нелинейность», «неустойчи­вость», «флуктуация», проходящими через всю книгу, как лейтмотив. Эта триада начала проникать в наши взгляды на мир и за пределами физики и химии.

При обсуждении противоположности между естест­венными и гуманитарными науками мы процитировали слова Исайи Берлина. Специфичное и уникальное Бер­лин противопоставлял повторяющемуся и общему. За­мечательная особенность рассматриваемых нами процес­сов заключается в том, что при переходе от равновес­ных условий к сильно неравновесным мы переходим от повторяющегося и общего к уникальному и специфич­ному. Действительно, законы равновесия обладают вы­сокой общностью: они универсальны. Что же касается поведения материи вблизи состояния равновесия, то ему свойственна «повторяемость». В то же время вдали от равновесия начинают действовать различные механиз­мы, соответствующие возможности возникновения дис­сипативных структур различных типов. Например, вдали от равновесия мы можем наблюдать возникновение хи­мических часов — химических реакций с характерным когерентным (согласованным) периодическим измене­нием концентрации реагентов. Вдали от равновесия на­блюдаются также процессы самоорганизации, приводя­щие к образованию неоднородных структур — неравно­весных кристаллов.

Следует особо подчеркнуть, что такое поведение сильно неравновесных систем довольно неожиданно. Действительно, каждый из нас интуитивно представляет себе, что химическая реакция протекает примерно сле­дующим образом: молекулы «плавают» в пространстве, сталкиваются и, перестраиваясь в результате столкнове­ния, превращаются в новые молекулы. Хаотическое по­ведение молекул можно уподобить картине, которую ри­суют атомисты, описывая движение пляшущих в возду­хе пылинок. Но в случае химических часов мы сталки­ваемся с химической реакцией, протекающей совсем не так, как нам подсказывает интуиция. Несколько упро­щая ситуацию, можно утверждать, что в случае химиче­ских часов все молекулы изменяют свое химическое тождество одновременно, через правильные промежутки времени. Если представить себе, что молекулы исход­ного вещества и продукта реакции окрашены соответст­венно в синий и красный цвета, то мы увидели бы, как изменяется их цвет в ритме химических часов.

Ясно, что такую периодическую реакцию невозмож­но описать исходя из интуитивных представлений о хао­тическом поведении молекул. Возник порядок нового, ранее не известного типа. В данном случае уместно го­ворить о новой когерентности, о механизме «коммуника­ции» между молекулами. Но связь такого типа может возникать только в сильно неравновесных условиях. Ин­тересно отметить, что подобная связь широко распрост­ранена в мире живого. Существование ее можно при­нять за самую основу определения биологической си­стемы.

Необходимо также добавить, что тип диссипативной структуры в значительной степени зависит от условий ее образования. Существенную роль в отборе механизма самоорганизации могут играть внешние поля, например гравитационное поле Земли или магнитное поле.

Мы начинаем понимать, каким образом, исходя из химии, можно построить сложные структуры, слож­ные формы, в том числе и такие, которые спо­собны стать предшественниками живого. В сильно не­равновесных явлениях достоверно установлено весьма важное и неожиданное свойство материи: впредь физика с полным основанием может описывать структуры как формы адаптации системы к внешним условиям. Со своего рода механизмом предбиологической адаптации мы встречаемся в простейших химических системах. На несколько антропоморфном языке можно сказать, что в состоянии равновесия материя «слепа», тогда как в сильно неравновесных условиях она обретает способ­ность воспринимать различия во внешнем мире (напри­мер, слабые гравитационные и электрические поля) и «учитывать» их в своем функционировании.

            Разумеется, проблема происхождения жизни по-прежнему остается весьма трудной, и мы не ожидаем в ближайшем будущем сколько-нибудь простого ее реше­ния. Тем не менее при нашем подходе жизнь перестает противостоять «обычным» законам физики, бороться против них, чтобы избежать предуготованной ей судь­бы — гибели. Наоборот, жизнь предстает перед нами как своеобразное проявление тех самых условий, в которых находится наша биосфера, в том числе нелинейности хи­мических реакций и сильно неравновесных условий, на­лагаемых на биосферу солнечной радиацией.

Мы подробно обсуждаем понятия, позволяющие опи­сывать образование диссипативных структур, например понятия теории бифуркаций. Следует подчеркнуть, что вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются зна­чительные флуктуации. Такие системы как бы «колеблются» перед выбором одного из нескольких путей эво­люции, и знаменитый закон больших чисел, если пони­мать его как обычно, перестает действовать. Небольшая флуктуация может послужить началом эволюции в со­вершенно новом направлении, которое резко изменит все поведение макроскопической системы. Неизбежно на­прашивается аналогия с социальными явлениями и да­же с историей. Далекие от мысли противопоставлять случайность и необходимость, мы считаем, что оба ас­пекта играют существенную роль в описании нелиней­ных сильно неравновесных систем.

Резюмируя, можно сказать, что в двух первых частях нашей книги мы рассматриваем два противоборствую­щих взгляда на физический мир: статический подход классической динамики и эволюционный взгляд, осно­ванный на использовании понятия энтропии. Конфронта­ция между столь противоположными подходами неиз­бежна. Ее долго сдерживал традиционный взгляд на не­обратимость как на иллюзию, приближение. Время в ли­шенную времени Вселенную ввел человек. Для нас не­приемлемо такое решение проблемы необратимости, при котором необратимость низводится до иллюзии или яв­ляется следствием тех или иных приближений, посколь­ку, как мы теперь знаем, необратимость может быть ис­точником порядка, когерентности, организации.

Конфронтация вневременного подхода классической механики и эволюционного подхода стала неизбежной. Острому столкновению этих двух противоположных под­ходов к описанию мира посвящена третья часть нашей книги. В ней мы подробно рассматриваем традиционные попытки решения проблемы необратимости, предприня­тые сначала в классической, а затем и квантовой меха­нике. Особую роль при этом сыграли пионерские рабо­ты Больцмана и Гиббса. Тем не менее мы можем с пол­ным основанием утверждать, что проблема необрати­мости во многом осталась нерешенной. По словам Карла Поппера, история была драматической: сначала Больцман считал, что ему удалось дать объективную формулировку нового понятия времени, вытекающего из второго начала термодинамики, но в результате поле­мики с Цермело и другими противниками был вынужден отступить:

«В свете (или во тьме) истории Больцман по всем принятым стандартам потерпел поражение, хотя все признают, что он был выдающимся физиком. Ему так и не удалось рассеять все сомнения относительно стату­са предложенной им H-теоремы или объяснить возраста­ние энтропии... Оказываемое на него давление было столь велико, что он утратил веру в себя...».

Проблема необратимости и поныне остается предме­том оживленных споров. Как такое возможно через сто пятьдесят лет после открытия второго начала термоди­намики? У этого вопроса имеется много аспектов, как культурных, так и технических. Неверие в существова­ние времени неизбежно таит в себе культурную компо­ненту. Мы неоднократно будем цитировать высказыва­ния Эйнштейна. Его окончательное суждение гласит: «Время (как необратимость) — не более чем иллюзия». По существу, Эйнштейн лишь повторил то, о чем еще в XVI в. писал Джордано Бруно и что на протяжении ве­ков было символом веры естествознания:

«Итак, Вселенная едина, бесконечна, неподвижна... Она не движется в пространстве... Она не рождается... Она не уничтожается... Она не может уменьшаться или увеличиваться...»

Долгое время взгляды Бруно господствовали в есте­ственнонаучном мышлении западного мира. Нужно ли удивляться, что после такой предыстории вторжение необратимости, обязанной своим происхождением инже­нерным наукам и физической химии, было воспринято с недоверием. Но помимо культурных причин, существо­вали и технические. Любая попытка «вывести» необра­тимость из динамики неминуемо обречена на провал, по­скольку необратимость — явление не универсальное. Мы легко можем представить себе строго (а не приближен­но) обратимые ситуации, например маятник без трения или движение планет. Неудачи, постигшие все предпри­нимавшиеся в прошлом попытки «вывести» необрати­мость из динамики, привели к разочарованию и создали впечатление, что понятие необратимости по своему про­исхождению субъективно. Все эти проблемы в дальней­шем мы обсудим более подробно, а пока ограничимся следующим замечанием. Проблему необратимости мож­но рассматривать сегодня с другой точки зрения, по­скольку, как теперь известно, существуют различные классы динамических систем. Мир далеко не однороден. Следовательно, интересующий нас вопрос также может быть поставлен иначе: имеется ли в структуре динамиче­ских систем нечто специфическое, позволяющее им «от­личать» прошлое от будущего? Какова необходимая для этого минимальная сложность?

Такая постановка вопроса позволила нам продви­нуться вперед. Ныне мы можем с большей точностью судить об истоках понятия времени в природе, и это об­стоятельство приводит к далеко идущим последствиям. Необратимость вводится в макроскопический мир вто­рым началом термодинамики — законом неубывания энтропии. Теперь мы понимаем второе начало термоди­намики и на микроскопическом уровне. Как будет пока­зано в дальнейшем, второе начало термодинамики вы­полняет функции правила отбора — ограничения началь­ных условий, распространяющиеся в последующие мо­менты времени по законам динамики. Тем самым вто­рое начало вводит в наше описание природы новый, не­сводимый к чему-либо элемент. Второе начало термоди­намики не противоречит динамике, но не может быть выведено из нее.

Уже Больцман понимал, что между вероятностью и необратимостью должна существовать тесная связь. Различие между прошлым и будущим и, следовательно, не­обратимость могут входить в описание системы только в том случае, если система ведет себя достаточно слу­чайным образом. Наш анализ подтверждает эту точку зрения. Действительно, что такое стрела времени в де­терминистическом описании природы? В чем ее смысл? Если будущее каким-то образом содержится в настоя­щем, в котором заключено и прошлое, то что, собствен­но, означает стрела времени? Стрела времени является проявлением того факта, что будущее не задано, т. е. того, что, по словам французского поэта Поля Валери, «время есть конструкция».

Наш повседневный жизненный опыт показывает, что между временем и пространством существует коренное различие. Мы можем передвигаться из одной точки про­странства в другую, но не в силах повернуть время вспять. Мы не можем переставить прошлое и будущее. Как мы увидим в дальнейшем, это ощущение невоз­можности обратить время приобретает теперь точный научный смысл. Допустимые («разрешенные») состояния отделены от состояний, запрещенных вторым началом тер­модинамики, бесконечно высоким энтропийным барье­ром. В физике имеется немало других барьеров. Одним из них является скорость света. По современным пред­ставлениям, сигналы не могут распространяться быстрее скорости света. Существование этого барьера весьма важно: не будь его, причинность рассыпалась бы в прах. Аналогичным образом энтропийный барьер является предпосылкой, позволяющей придать точный физический смысл связи. Представьте себе, что бы случилось, если бы наше будущее стало бы прошлым каких-то других людей! К обсуждению этой проблемы мы еще вернемся.

Новейшие достижения физики еще раз подчеркнули реальность времени. Открытия последних лет обнаружи­ли новые аспекты времени. На протяжении всего XX в. проблема времени занимала умы наиболее выдающихся мыслителей современности. Вспомним хотя бы А. Эйнш­тейна, М. Пруста, 3. Фрейда, Тейяра де Шардена, Ч. Пирса или А. Уайтхеда.

Одним из наиболее удивительных результатов специ­альной теории относительности Эйнштейна, опублико­ванной в 1905 г., было введение локального времени, связанного с каждым наблюдателем. Однако эйнштей­новское локальное время оставалось обратимым временем. И в специальной, и в общей теории относительно­сти Эйнштейн видел проблему в установлении «связи» между наблюдателями — в указании способа, который позволил бы наблюдателям сравнивать временные интер­валы. Теперь мы получаем возможность исследовать проблему времени в других концептуальных контекстах.

            В классической механике время было числом, харак­теризующим положение точки на ее траектории. Но на глобальном уровне время может иметь и другое значе­ние. При виде ребенка мы можем более или менее точ­но угадать его возраст, хотя возраст не локализован в какой-либо части тела ребенка. Возраст — глобальное суждение. Часто утверждалось, что наука «опространствует время», придает времени пространственный харак­тер. Мы же открываем возможность иного подхода. Рас­смотрим какой-нибудь ландшафт и его эволюцию: рас­тут населенные пункты, мосты, и дороги связывают раз­личные районы и преобразуют их. Пространство приоб­ретает временное измерение. По словам географа Б. Берри, мы приходим к «овремениванию пространства».

            Но, возможно, наиболее важный прогресс заключается в том, что проблема структуры, порядка предстает теперь перед нами в иной перспективе. Как будет пока­зано в гл. 8, с точки зрения механики, классической или квантовой, не может быть эволюции с однонаправ­ленным временем. «Информация» в том виде, в каком она поддается определению в терминах динамики, оста­ется постоянной по времени. Это звучит парадоксально. Если мы смешаем две жидкости, то никакой «эволю­ции» при этом не произойдет, хотя разделить их, не при­бегая к помощи какого-нибудь внешнего устройства, не представляется возможным. Наоборот, закон неубыва­ния энтропии описывает перемешивание двух жидкостей как эволюцию к «хаосу», или «беспорядку», — к наибо­лее вероятному состоянию. Теперь мы уже располага­ем всем необходимым для того, чтобы доказать взаим­ную непротиворечивость обоих описаний: говоря об информации или порядке, необходимо всякий раз переоп­ределять рассматриваемые нами единицы. Важный новый факт состоит в том, что теперь мы можем устано­вить точные правила перехода от единиц одного типа к единицам другого типа. Иначе говоря, нам удалось получить микроскопическую формулировку эволюцион­ной парадигмы, выражаемой вторым началом термодинамики. Этот вывод представляется нам важным, по­скольку эволюционная парадигма охватывает всю хи­мию, а также существенные части биологии и социаль­ных наук. Истина открылась нам недавно. Процесс пе­ресмотра основных понятий, происходящий в настоящее время в физике, еще далек от завершения. Наша цель состоит вовсе не в том, чтобы осветить признанные достижения науки, ее стабильные и достоверно установ­ленные результаты. Мы хотим привлечь внимание чита­теля к новым понятиям, рожденным в ходе научной дея­тельности, ее перспективам и новым проблемам. Мы от­четливо сознаем, что находимся лишь в самом начале нового этапа научных исследований. Перед нами — до­рога, таящая в себе немало трудностей и опасностей. В нашей книге мы лишь излагаем все проблемы такими, какими они представляются нам сейчас, отчетливо соз­давая несовершенство и неполноту наших ответов на многие вопросы.