7. Карно и Дарвин

7. Карно и Дарвин

Равновесная термодинамика позволяет удовлетвори­тельно объяснить огромное число физико-химических явлений. Тем не менее уместно спросить, охватывает ли понятие равновесной структуры все те различные струк­туры, с которыми мы сталкиваемся в природе. Ясно, что ответ на подобный вопрос может быть только отри­цательным.

Равновесные структуры можно рассматривать как результат статистической компенсации активности мик­роскопических элементов (молекул, атомов). На гло­бальном уровне равновесные структуры, по определе­нию, инертны. По той же причине они «бессмертны»: коль скоро равновесная структура образовалась, ее мож­но изолировать и поддерживать бесконечно долго без дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Но при изучении биологической клетки или города мы стал­киваемся с совершенно другой ситуацией: эти системы не только открыты, но и существуют только потому, что они открыты. Их питают потоки вещества и энергии, которые поступают из внешнего мира. Мы можем изо­лировать кристалл, но если города и клетки отрезать от окружающей среды, они погибнут. Последние являются неотъемлемой составной частью того мира, из ко­торого они черпают необходимые для себя «питатель­ные вещества», и их невозможно изолировать от пото­ков, которые они безостановочно перерабатывают.

Но не только живая природа глубоко чужда моделям термодинамического равновесия. Обмен веществом и энергией с окружающей средой происходит также во многих гидродинамических явлениях и в химических реакциях.

Трудно понять, каким образом принцип порядка Больцмана может быть применен во всех таких случа­ях. То, что с течением времени система становится более однородной, в терминах комплексов интерпретируется вполне естественно: в состоянии однородности, когда забыты «различия», созданные начальными условиями, число комплексов максимально. Но решительно невоз­можно понять, оставаясь в рамках такого рода пред­ставлений, спонтанное возникновение конвекции. Конвективное течение требует когерентности, согласованного поведения огромного числа молекул. Это — противо­положность хаоса, привилегированное состояние, кото­рому может соответствовать лишь сравнительно неболь­шое число комплексов.  По терминологии Больцмана, конвективное течение — пример «невероятного» состоя­ния. Но если конвекцию надлежит считать «чудом», то что в таком случае говорить о жизни в ее многочислен­ных проявлениях и в высшей степеней специфических особенностях даже в случае простейших организмов?

Вопрос о том, в какой мере равновесные модели со­ответствуют действительности, допускает обращение. Чтобы возникло равновесие, систему необходимо «защи­тить», «заэкранировать» от потоков, образующих в сво­ей совокупности природу. Система должна быть «за­паяна» в консервную банку или помещена в стеклянный сосуд, как гомункулус в гётевском «Фаусте», обращаю­щийся к создавшему его алхимику со следующими сло­вами:

Прижми к груди свое дитя!

Но — бережно, чтоб не разбилась склянка.

Вот неизбежная вещей изнанка:

Природному Вселенная тесна,

Искусственному же замкнутость нужна!

В привычном нам мире равновесие — состояние редкое и весьма хрупкое. Даже эволюция к состоянию равно­весия возможна в мире, очень похожем на наш и нахо­дящемся на достаточном удалении от Солнца, чтобы имело смысл говорить по крайней мере о частичной изоляции системы (при температуре Солнца систему вряд ли разумно считать заключенной в «консервную банку»), но в то же время таком, в котором правилом является отсутствие равновесия, «тепличном» мире, где равновесие и неравновесие сосуществуют.

Однако на протяжении довольно длительного перио­да времени физики считали, что инертная структура кристаллов — единственный предсказуемый и воспроизво­димый физический порядок, а приближение к равнове­сию — единственный тип эволюции, выводимый из фун­даментальных законов физики. Любая попытка экстра­поляции за пределы термодинамического описания была направлена на то, чтобы определить редкий и непред­сказуемый тип эволюции, описанием которого занима­ются биология и социальные науки. Как, например, со­вместить дарвиновскую эволюцию (статистический отбор редких событий) со статистическим исчезновением всех индивидуальных особенностей, всех редких событий, о котором говорит Больцман? Роже Кэллуа поставил вопрос так: «Могут ли и Карно и Дарвин быть правы?»

Интересно отметить, насколько близок по существу дарвиновский подход к пути, избранному Болъцманом. Вполне возможно, что в данном случае речь идет не просто о внешнем сходстве. Известно, что Больцман с восхищением воспринял идеи Дарвина. По теории Дарвина, сначала происходят спонтанные флуктуации видов, после чего вступает в силу отбор и начинается необратимая биологическая эволюция. Как и у Больц­мана, случайность приводит к необратимости. Однако результат эволюции у Дарвина оказывается иным, чем у Больцмана. Интерпретация Больцмана влечет за со­бой забывание начальных условий, «разрушение» на­чальных структур, тогда как дарвиновская эволюция ассоциируется с самоорганизацией, с неуклонно возра­стающей сложностью.

Резюмируя сказанное, мы можем утверждать, что равновесная термодинамика была первым ответом фи­зики на проблему сложности природы. Этот ответ полу­чил свое выражение в терминах диссипации энергии, забывания начальных условий и эволюции к хаосу. Клас­сической динамике, науке о вечных, обратимых траек­ториях были чужды проблемы, стоявшие перед XIX в., в которых главная роль отводились понятию эволюции. Равновесная термодинамика оказались в состоянии про­тивопоставить свое представление о времени представ­лениям других наук: с точки зрения термодинамики время означает деградацию и смерть. Как мы знаем, еще Дидро задавал вопрос: где именно вписываемся в инертный мир, подчиняющийся законам динамики, мы, организованные существа, наделенные способностью воспринимать ощущения? Существует и другой вопрос, над которым человечество билось более ста лет: какое значение имеет эволюция живых существ в мире, опи­сываемом термодинамикой и все более беспорядочном? Какова связь между термодинамическим временем, обра­щенным к равновесию, и временем, в котором происхо­дит эволюция ко все возрастающей сложности?

            Был ли прав Бергсон? Верно ли, что время есть либо само по себе средство инновации, либо вообще ничто?