Текст книги "Паутина жизни. Новое научное понимание живых систем"

Автор книги: Фритьоф Капра

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 22 страниц)

Новая концепция разума была разработана, независимо друг от друга, Грегори Бэйтсоном и Умберто Матураной в 60-е годы. Бэйтсон, постоянный участник конференций Мэйси в ранние годы кибернетики, стал пионером в применении системного мышления и кибернетических принципов в нескольких новых областях15. В частности, он разработал системный подход к душевным заболеваниям и кибернетическую модель алкоголизма, а в результате пришел к определению ментального процесса как системного феномена, характерного для живых организмов.

Бэйтсон сформулировал ряд критериев, которым удовлетворяет система, обладающая разумом16. Любая система, отвечающая этим критериям, способна развивать процессы, которые мы ассоциируем с разумом, – обучение, память, принятие решений и т. п. По Бэйтсону, разум – это необходимое и неизбежное следствие определенной сложности, возникающей задолго до того, как в организме формируется мозг и центральная нервная система. Он также подчеркивал, что разум свойствен не только индивидуальным организмам, но также социальным и экологическим системам.

Впервые Бэйтсон представил свою новую концепцию ментального процесса в 1969 году в докладе на конференции по душевному здоровью, проходившей на Гавайях17. В том же году Матурана представил другую формулировку той же основной идеи на конференции по обучению, организованной Хайнцом фон Форстером в Чикаго18. Так два ученых, находившихся под сильным влиянием кибернетики, одновременно пришли к одной революционной концепции разума. Тем не менее их методы радикально различались, как и их язык, на котором они описывали свое новаторское изобретение.

Бэйтсон мыслил преимущественно категориями паттернов и отношений. Его основная цель, как и цель Матураны, состояла в том, чтобы найти паттерн организации, общий для всех живых существ. «Какой паттерн, – спрашивал он, – связывает краба с омаром, орхидею с примулой и всех их со мной? И меня с тобой?»19

Бэйтсон считал, что для точного описания природы нужно попытаться говорить на языке природы, а это и есть, как он подчеркивал, язык взаимоотношений. Взаимоотношения, по Бэйтсону, это самая сущность живого мира. Биологическая форма складывается из отношений, а не из частей; Бейтсон настаивал, что это же относится и к способу человеческого мышления. Поэтому он назвал книгу, в которой изложил свою концепцию ментального процесса, «Разум и природа: необходимое единство».

Бэйтсон обладал уникальной способностью улавливать тончайшие природные феномены в состоянии сосредоточенного наблюдения. Это не было обычное научное наблюдение. Каким-то образом он умел наблюдать растение или животное всем своим существом, с симпатией и страстью. И когда он говорил о растении, он описывал его с любовью и с мельчайшими деталями, используя язык, которым, по его убеждению, сама природа говорит об общих принципах – а он извлекает их из своего непосредственного контакта с растением. Его трогала красота, проявляемая в сложности паттернов природных взаимоотношений, и описание этих паттернов доставляло ему настоящее эстетическое наслаждение.

Бэйтсон разработал критерии ментального процесса интуитивно, лишь на основе своего пристального наблюдения над живым миром. Ему было очевидно, что феномен разума неразрывно связан с феноменом жизни. Всматриваясь в живой мир, он видел, что организационная деятельность этого мира по своему существу ментальна. По его собственным словам, «разум – это суть живого бытия»20.

Несмотря на ясное понимание единства разума и жизни – или разума и природы, как он выражался, – Бэйтсон никогда не спрашивал, «что есть жизнь». Он никогда не ощущал потребности в разработке теорий или моделей живой системы, которые составили бы концептуальную основу для его критериев ментального процесса. Разработка именно такой основы была научной целью Матураны.

По совпадению – или по интуиции? – Матурана одновременно бился над двумя вопросами, которые, как ему казалось, толкают его в противоположных направлениях: «Какова природа жизни?» и «В чем суть обучения?»21. В конце концов он обнаружил, что ответ на первый вопрос – автопоэз – обеспечивает ему теоретическую основу для ответа на второй. Результатом явилась системная теория обучения, разработанная Матураной и Варелой; иногда ее называют теорией Сантьяго.

Главное положение теории Сантьяго, как и теории Бэйтсона, – тождество обучения (процесса познания) с процессом жизни22. Это положение радикально расширяет традиционную концепцию разума. По теории Сантьяго, для существования разума мозг отнюдь не необходим. У бактерии или растения нет мозга, но есть разум. Простейшие организмы способны к восприятию и, следовательно, к обучению. Они не видят, но тем не менее воспринимают перемены в окружающей среде – различие между светом и тенью, жарой и холодом, высокой и низкой концентрацией некоторых химических веществ и т. п.

Таким образом, новое понимание обучения, или процесса познания, гораздо шире, чем понятие мышления. В него входят восприятие, эмоции и деятельность – весь процесс Жизни. В мире людей обучение также включает язык, понятийное мышление и все другие атрибуты человеческого сознания. Общее понятие, однако, гораздо шире и может даже не включать мышление.

Теория Сантьяго, по моему мнению, обеспечивает первое последовательное научное мировоззрение, действительно преодолевающее картезианский раскол. Разум и материя более не представляются двумя изолированными категориями, но рассматриваются как различные аспекты, различные измерения единого феномена Жизни.

Чтобы проиллюстрировать концептуальный прогресс, выраженный этим единым взглядом на Разум, Материю и Жизнь, следует вернуться к вопросу, который более ста лет смущал ученых и философов. Как взаимоотносятся между собой Разум и мозг? Нейробиологи еще в XIX веке знали, что структуры мозга и ментальные функции тесно связаны между собой, однако подробности взаимоотношений между Разумом и мозгом всегда оставались тайной. Еще в 1994 году издатели антологии «Сознание в философии и когнитивная нейробиология» честно признавались в предисловии: «Хотя все и согласны с тем, что Разум имеет некоторое отношение к мозгу, все еще не существует общего согласия по поводу конкретной природы этой взаимосвязи»23.

В теории Сантьяго взаимоотношения между разумом и мозгом просты и ясны. Наконец-то отброшена декартовская характеристика разума как мыслящей вещи (res cogitans). Разум – не вещь, а процесс, процесс обучения, тождественный процессу Жизни. Мозг – специфическая структура, посредством которой разум осуществляет свою деятельность. Взаимосвязь между Разумом и мозгом, таким образом, представляет собой взаимосвязь между процессом и структурой.

Мозг, конечно, не единственная структура, с помощью которой осуществляется процесс обучения. Вся диссипативная структура организма участвует в процессе обучения, независимо от того, обладает ли организм мозгом и центральной нервной системой. Более того, недавние исследования убедительно показали, что в организме человека нервная, иммунная и эндокринная системы, которые традиционно рассматривались как три изолированные системы, фактически формируют единую когнитивную сеть24.

Новый синтез Разума, Материи и Жизни, который будет подробно рассмотрен в последующих главах книги, включает два концептуальных обобщения. Взаимозависимость паттерна и структуры позволяет объединить два подхода к пониманию Природы, которые были раздельными и конкурировали на протяжении всей истории западной науки и философии. Взаимозависимость процесса и структуры позволяет ликвидировать разрыв между Разумом и Материей, который тормозил науку со времен Декарта. Взятые вместе, эти два обобщения обеспечивают три взаимозависимых концептуальных измерения нового научного понимания Жизни.

ПРИМЕЧАНИЯ К ГЛАВЕ 7

Maturana and Varela (1987), p. 47. Вместо «паттерна организации» авторы просто используют термин «организация».

См. выше, с. 34– 35.

См. выше, с. 112 и далее.

См. выше, с. 103 и далее.

См. выше, с. 103– 106.

См. выше, с. 99– 100.

7.Maturana and Varela (1980), p. 49.

8.См.Сарга(1982),р. 119.

9.См. ниже, с. 263.

Чтобы осуществлять это, ферменты используют другую, дополнительную цепочку ДНК в качестве шаблона для заменяемой секции. Таким образом, двойная цепочка ДНК весьма существенна для этих восстановительных процессов.

Я благодарен Вильяму Холлоуэю за исследовательскую поддержку в работе над феноменом водоворота.

Говоря техническим языком, этот эффект является следствием сохранения углового момента.

См. выше, с. 154– 155.

См. ниже, с. 208– 209.

См. выше, с. 72– 73.

Бэйтсон сначала опубликовал обсуждение этих критериев, изначально названных «ментальными характеристиками»; его можно найти в двух эссе, «The Cybernetics of Self: A Theory of Alcoholism» и «Pathologies of Epistemology», оба напечатаны в Bateson (1972). Более детальное обсуждение см. в Bateson (1979), p. 89ff. Более подробное обсуждение бэйтсоновских критериев ментального процесса см. ниже, Приложение, с. #305 и далее.

См. Bateson (1972), р. 478.

См. выше, с. 113– 114.

Bateson (1979), р. 8.

Цитируется по Сарга (1988), р. 88.

См. выше, с. 112– 114.

См. ниже, с. 285 и далее.

Revonsuo and Kamppinen (1994), p. 5.

См. ниже, с.302 и далее.

Глава 8

ДИССИПАТИВНЫЕ СТРУКТУРЫ

Структура и изменение

С самых ранних дней становления биологии философы и ученые заметили, что живые формы самыми на первый взгляд загадочными способами сочетают устойчивость структуры с гибкостью изменений. Как вихри, они зависят от постоянного потока материи, проходящего сквозь них; как пламя, они преобразуют материалы, которыми питаются, чтобы поддерживать свою деятельность и расти; но, помимо всего этого и в отличие от вихря и пламени, живые структуры совершенствуются, размножаются и эволюционируют.

Еще в 40-е годы Людвиг фон Берталанфи назвал живые структуры открытыми системами, чтобы подчеркнуть их зависимость от непрерывных потоков энергии и ресурсов. Он ввел термин Fliessgleichgewicht («текучее равновесие»), чтобы отразить сосуществование равновесия и потока, структуры и изменения – во всех формах жизни1. Теперь экологи изображают экосистемы в виде схем потоков, отмечая пути прохождения энергии и материи в различных пищевых сетях. Такие исследования показывают, что круговая переработка является ключевым принципом экологии. Будучи открытыми системами, все организмы в экосистеме производят отходы, но то, что является отходами для одного вида, служит пищей для другого, поэтому все отходы непрерывно перерабатываются и экосистема в целом, в самом общем итоге, существует без отходов.

Зеленые растения играют жизненно важную роль в потоке энергии, пронизывающем все экологические циклы. Корни выбирают из земли воду и минеральные соли, которые в виде соков поднимаются к листьям и там соединяются с углекислым газом (СО2), поступающим из воздуха; так образуются сахара и другие органические соединения (в их число входит и целлюлоза – главный структурный элемент стенок клетки). В ходе этого чудесного процесса, известного как фотосинтез, солнечная энергия преобразуется в химическую и связывается в органических веществах, в то время как кислород освобождается и снова поступает в воздух, откуда его потребляют другие растения и животные в процессе дыхания.

Соединяя воду и минералы с солнечным светом и СО2, зеленые растения тем самым связывают землю и небо. Мы привыкли считать, что деревья и травы вырастают из земли, но на самом деле большая часть их вещества происходит из воздуха. Основной объем целлюлозы и других органических соединений, образующихся в процессе фотосинтеза, состоит из тяжелых атомов углерода и кислорода; именно эти элементы растения забирают прямо из воздуха в форме СО2. Таким образом, вес полена почти целиком «набран» из воздуха. Когда полено сгорает в камине, кислород и углерод опять соединяются в СО2 и мы получаем – в виде света и тепла – часть солнечной энергии, которая была затрачена на производство дерева.

На рис. 8-1 изображена схема типичного пищевого цикла. По мере того как растения поедаются животными, которых, в свою очередь, поедают другие животные, питательные вещества растений проходят по пищевым сетям, а энергия рассеивается в виде тепла через дыхание и выделения. Отходы, а также мертвые животные и растения перерабатываются так называемыми «разлагающими организмами» (насекомыми и бактериями): в ходе этой переработки из отходов освобождаются первоначальные (базовые) питательные вещества и их снова поглощают зеленые растения. Таким образом, питательные вещества и другие основные элементы непрерывно циркулируют по всей экосистеме, причем энергия рассеивается на каждой стадии. Так осуществляется афоризм Юджина Одума: «Материя циркулирует, энергия рассеивается»2. Единственным отходом экосистемы в целом оказывается тепловая энергия дыхания: она рассеивается в атмосфере и непрерывно пополняется через фотосинтез за счет солнечного излучения.

Наша иллюстрация, конечно, сильно упрощена. Реальные пищевые циклы могут быть поняты только в контексте гораздо более сложных пищевых паутин, в которых первоначальные, базовые питательные элементы представлены многими химическими соединениями. В последние годы наши знания в области пищевых паутин значительно расширились и усовершенствовались благодаря Гайя– теории, которая показывает сложное переплетение живых и неживых систем во всей биосфере – растений и камней, зверей и атмосферных газов, микроорганизмов и океанов.

Рис. 8-1. Типичный пищевой цикл

Более того, поток питательных веществ через организмы экосистемы не всегда однороден и гладок, но часто сопровождается импульсами, перепадами и разливами. По словам Пригожина и Стенгерс, «энергетический поток, который пересекает [организм], чем-то напоминает реку, которая большей частью течет спокойно, но время от времени устремляется вниз водопадом, высвобождая часть содержащейся в ней энергии»3.

Понимание живых структур как открытых систем было важным новым подходом, который, однако, не решил загадку сосуществования структуры и изменения, порядка и рассеяния, пока Илья Пригожий не сформулировал свою теорию диссипативных структур4. Как Берталанфи объединил понятия потока и равновесия для описания открытых систем, так и Пригожий объединил «диссипацию» (рассеяние) и «структуру», чтобы выразить две кажущиеся противоречивыми тенденции, которые сосуществуют во всех живых системах. Однако концепция диссипативных структур Пригожина идет гораздо дальше теории открытых систем, поскольку включает также представление о точках неустойчивости, в которых могут возникать новые структуры и новые формы порядка.

Теория Пригожина связывает главные характеристики живых форм в последовательную концептуальную и математическую модель, которая предполагает радикальный пересмотр многих фундаментальных идей, касающихся структуры, – переносит акцент от устойчивости к неустойчивости, от порядка к неупорядоченности, от равновесия к неравновесным состояниям, от бытия к становлению. В центре мировоззрения Пригожина лежит сосуществование структуры и изменения, «покоя и движения»; он изящно поясняет это ссылкой на древнюю скульптуру:

Каждый великий период науки предполагал некоторую модель природы. Для классической науки это были часы; для XIX века, периода Промышленной Революции, это был глохнущий мотор. Какой же символ изберем мы? Наше разумение может быть выражено ссылкой на скульптуру – от индейского, доколумбового искусства до наших времен. В самых прекрасных произведениях скульптуры, будь то танцующий Шива или миниатюрные храмы Герреро, отчетливо проявляется стремление соединить покой с движением, время остановленное с временем уходящим. Мы убеждены, что это противоречие подарит нашему времени свою неповторимость5.

Неравновесные состояния и нелинейность

Ключ к пониманию диссипативных структур лежит в осознании того, что они поддерживают себя в устойчивом состоянии, далеком от равновесия. Эта ситуация настолько отличается от феномена, описываемого классической наукой, что мы сталкиваемся с трудностями традиционного языка. Словарные определения понятия «устойчивый» включают «фиксированный», «не колеблющийся» и «неизменный» – все они неадекватно описывают диссипативные структуры. Живой организм характеризуется непрерывным потоком и изменениями в обмене веществ, включающем тысячи химических реакций. Химическое и тепловое равновесие наступает тогда, когда все эти процессы прекращаются. Другими словами, организм в состоянии равновесия – это мертвый организм. Живые организмы непрерывно поддерживают себя в далеком от равновесия состоянии, которое, по сути, есть состояние жизни. Сильно отличаясь от равновесия, это состояние, тем не менее, сохраняет устойчивость в течение продолжительных периодов времени, что означает, как и в случае вихря, что поддерживается одна общая структура, несмотря на непрекращающийся поток и изменение компонентов.

Пригожий понял, что классическая термодинамика – первая наука, трактующая сложные системы, – не подходит для описания далеких от равновесия систем из-за линейной природы ее математической структуры. Близко к состоянию равновесия – в диапазоне классической термодинамики – находятся процессы типа потока, однако они слабы. Система всегда развивается в сторону стационарного состояния, в котором генерация энтропии (или беспорядка) сведена к минимуму. Другими словами, система минимизирует свои потоки, функционируя предельно близко к состоянию равновесия. В этом диапазоне потоковые процессы могут быть описаны линейными уравнениями.

Чем дальше от равновесия, тем потоки становятся сильнее, увеличивается выработка энтропии, и тогда система больше не стремится к равновесию. Наоборот, здесь уже могут встретиться неустойчивости, ведущие к новым формам порядка, которые отодвигают систему все дальше и дальше от состояния равновесия. Другими словами, вдали от равновесия диссипативные структуры могут развиваться в формы все более возрастающей сложности.

Пригожин подчеркивает, что характеристики диссипативной структуры не могут быть выведены из свойств ее частей, но обусловлены «сверхмолекулярной организацией»6. Корреляции дальнего типа проявляются как раз в точке перехода от равновесия к неравновесному состоянию, и, начиная с этого момента, система ведет себя как единое целое.

Вдали от равновесия потоковые процессы в системе взаимосвязаны через многочисленные петли обратной связи, а соответствующие математические уравнения нелинейны. Чем дальше диссипативная структура от равновесия, тем выше степень сложности и нелинейности описывающих ее математических уравнений.

Учитывая критическую связь между неравновесным состоянием и нелинейностью, Пригожий и его коллеги разработали нелинейную термодинамику для далеких от равновесия систем, использовав для этого аппарат теории динамических систем – новую математику сложных систем, которая тогда только начинала развиваться7. Линейные уравнения классической термодинамики, как отмечал Пригожий, можно анализировать с помощью точечных аттракторов. Какими бы ни были начальные условия системы, она «увлекается» к стационарному состоянию с минимальной энтропией, предельно близко к равновесию, и ее поведение полностью предсказуемо. Как выражается Пригожий, системы в линейном диапазоне «склонны забывать свои начальные условия»8.

За пределами линейного диапазона ситуация совершенно другая. Нелинейные уравнения, как правило, имеют больше чем одно решение; чем выше степень нелинейности, тем больше решений. Это означает, что новые ситуации могут возникать в любой момент. Говоря математическим языком, система в этом случае попадает в точку бифуркации, где может отклониться в совершенно другое состояние. Далее мы увидим, что поведение системы в точке бифуркации (т. е. по какому из нескольких возможных направлений она пойдет) зависит от предыдущей истории системы. В нелинейном диапазоне начальные условия уже «не забываются».

Кроме того, теория Пригожина показывает, что поведение далекой от равновесия диссипативной структуры не подчиняется ни одному из универсальных законов: оно уникально для данной системы. Вблизи точки равновесия мы находим повторяющиеся феномены и универсальные законы. По мере удаления от равновесия, мы движемся от универсального к уникальному, в направлении богатства и разнообразия. Это, конечно, хорошо известная характеристика жизни.

Наличие точек бифуркации, в которых система может пойти по любому из нескольких различных направлений, предполагает, что неопределенность является еще одной характеристикой теории Пригожина. В точке бифуркации система может сделать «выбор» – этот термин здесь используется метафорически – между несколькими возможными направлениями, или состояниями. Какое направление она выберет, будет зависеть от истории системы и различных внешних условий и никогда не может быть предсказано. В каждой точке бифуркации существует неустранимый элемент случайности.

Неопределенность в точках бифуркации представляет собой один из двух типов непредсказуемости в теории диссипативных структур. Другой тип, характерный также для теории хаоса, обусловлен высокой степенью нелинейности уравнений и проявляется даже тогда, когда бифуркации отсутствуют. Из-за многократных петель обратной связи – или, математически, многократных итераций – мельчайшая погрешность в вычислениях, вызванная практической необходимостью определенного округления цифр, неизбежно значительно повышает степень неопределенности, делая предсказания невозможными9.

Как неопределенность в точках бифуркации, так и неопределенность «хаотического типа» из-за повторяющихся итераций предполагают, что поведение диссипативной структуры может быть предсказано лишь на короткий промежуток времени. После этого системная траектория ускользает от нас. Таким образом, теория Пригожина, как квантовая теория и теория хаоса, еще раз напоминает нам, что научное знание обеспечивает не более чем «ограниченное окно во вселенную»10.

Стрела времени

По Пригожину, признание неопределенности как ключевой характеристики естественных феноменов является частью серьезного пересмотра научной концептуальности. Тесно связан с этим концептуальный сдвиг и в научных представлениях о необратимости и времени.

В механистической парадигме ньютоновской науки мир рассматривался как полностью причинный и детерминированный. Все, что происходило, имело определенную причину и приводило к определенному следствию. Будущее любой части системы, равно как и ее прошлое, в принципе, могло быть рассчитано с абсолютной определенностью, если состояние этой системы в любой данный момент времени известно во всех подробностях. Этот строгий детерминизм нашел свое самое яркое выражение в знаменитых словах Пьера-Симона Лапласа:

Интеллект, который в данное мгновение знает все силы, действующие в природе, и положение всех вещей, из которых состоит мир, – буде сей интеллект достаточно обширен, дабы подвергнуть эти данные анализу, – единой формулой охватит движения громадных тел во вселенной и мельчайшие передвижения атомов; ничто не вызовет у него сомнения, и будущее, равно как и прошлое, предстанет его взору11.

В этом лапласианском детерминизме не делается различия между прошлым и будущим. И то и другое заложено в настоящем состоянии мира и в ньютоновых уравнениях движения. Все процессы здесь строго обратимы. Будущее и прошлое чередуются, здесь нет места истории, новаторству или творчеству.

Необратимые эффекты (например, трение) отмечались в классической ньютоновской физике, но ими всегда пренебрегали. В XIX столетии ситуация изменилась решительным образом. С изобретением тепловых двигателей необратимость рассеяния энергии при трении, вязкость (сопротивление жидкости течению) и тепловые потери оказались в центре внимания новой науки термодинамики, которая выдвинула идею стрелы времени. В это же время геологи, биологи, философы и поэты начали размышлять над изменением, ростом, развитием и эволюцией. Философия XIX столетия глубоко интересовалась природой становления.

В классической термодинамике необратимость, при всей своей важности как понятия, всегда ассоциировалась с рассеянием энергии и потерями. Пригожий фундаментально изменил такой подход в своей теории диссипативных структур, показав, что в живых системах, функционирующих вдали от равновесия, необратимые процессы играют конструктивную и важную роль.

Химические реакции – базовые процессы жизни – являются примером необратимых процессов. В ньютоновском мире не может быть ни химии, ни жизни. Теория Пригожина показывает, как каталитические петли – особого типа химические процессы, исключительно важные для живых организмов12, – приводят к состояниям неустойчивости через многократную усиливающую обратную связь и как в последовательных точках бифуркации возникают структуры постоянно нарастающей сложности. «Необратимость, – заключает Пригожий, – есть механизм извлечения порядка из хаоса»13.

Таким образом, концептуальный сдвиг в науке, предложенный Пригожиным, означает переход от детерминированных, обратимых процессов к неопределенным, необратимым. Поскольку необратимые процессы играют значительную роль в химии и жизни, при всем том что взаимозаменяемость будущего и прошлого является неотъемлемой частью физики, похоже, что пригожинский пересмотр концепций должен рассматриваться в более широком контексте – том самом, который обсуждался в начале этой книги в связи с глубокой экологией как часть сдвига научной парадигмы от физики к наукам о жизни14.

Порядок и беспорядок

Стрела времени, как она представляется в классической термодинамике, не указывает на возрастающий порядок, она направлена в противоположную сторону. Согласно второму закону термодинамики, физические феномены проявляют тенденцию к движению от порядка к беспорядку, в сторону непрерывно возрастающей энтропии15. Одно из величайших достижений Пригожина состоит в разрешении парадокса двух противоречивых взглядов на эволюцию – физического и биологического: один представляет идею глохнущего мотора, другой описывает мир, эволюционирующий в сторону возрастающего порядка и сложности. По словам самого Пригожина, «Вот вопрос, преследующий нас более ста лет: какое значение имеет эволюция живого существа в мире, описанном термодинамикой, т. е. в мире непрерывно нарастающего беспорядка?»16

По теории Пригожина, второй закон термодинамики все еще верен, но взаимосвязь между энтропией и беспорядком уже видится в новом свете. Чтобы усвоить это новое представление, нам следует рассмотреть классические определения энтропии и порядка. Концепция энтропии как меры рассеяния энергии на тепло и трение была представлена в XIX веке Рудольфом Клаузиусом, немецким физиком и математиком. Клаузиус определил энтропию, создаваемую в тепловом процессе, как рассеянную энергию, деленную на температуру, при которой происходит процесс. Согласно второму закону термодинамики, энтропия нарастает, по мере того как продолжается тепловой процесс; рассеянная энергия никогда не может быть восстановлена, а направление в сторону непрерывно нарастающей энтропии определяет стрелу времени.

Хотя рассеяние энергии на тепло и трение – общеизвестное и привычное явление, сразу же после формулировки второго закона возник интригующий вопрос: что конкретно вызывает эту необратимость? В ньютоновской физике эффектами трения, как правило, пренебрегали, считая их не слишком существенными. Тем не менее эти эффекты можно учитывать и в ньютоновской системе. В принципе, утверждали ученые, можно использовать ньютоновы законы движения для описания рассеяния энергии на молекулярном уровне в форме каскадов столкновений. Каждое из этих столкновений – обратимое событие, поэтому нет ничего невозможного в том, чтобы запустить этот процесс в обратном направлении. Тогда получается, что рассеяние энергии, необратимое на макроскопическом уровне и отвечающее второму закону и обычному опыту, состоит из полностью обратимых событий на микроскопическом уровне. Где же здесь, в таком случае, вкрадывается необратимость?

В начале века эта тайна была разгадана австрийским физиком Людвигом Больцманом, одним из великих теоретиков классической термодинамики. Больцман вложил новый смысл в понятие энтропии и установил связь между энтропией и порядком. Следуя рассуждениям основателя статистической механики Джеймса Кларка Максвелла17, Больцман предложил простой мысленный эксперимент, позволяющий исследовать энтропию на молекулярном уровне18.

Представьте, что у нас есть коробка, рассуждал Больцман, разделенная на два равных отсека воображаемой перегородкой в центре, и восемь различных молекул, пронумерованных от единицы до восьми подобно бильярдным шарам. Сколько существует способов такого распределения этих частиц в коробке, чтобы их определенное количество находилось по левую сторону перегородки, а остальные – по правую?

Для начала поместим все восемь частиц в левый отсек. Это можно сделать лишь одним способом. Если же мы решим поместить семь частиц налево, а одну – направо, то получим восемь способов, так как единственной частицей в правом отсеке может быть любая из восьми частиц. Поскольку молекулы различны, эти восемь способов представляют собой различные комбинации. Подобным же образом, существует 28 различных комбинаций для шести частиц слева и двух справа.

Для всех этих перестановок легко вывести общую формулу19. Из нее следует, что количество способов увеличивается по мере того, как уменьшается разность между числом частиц слева и справа, достигая максимума (70 различных комбинаций) при равном распределении молекул, по четыре на каждой половине (рис. 8-2).

Больцман называл различные комбинации комплексиями и связывал их с понятием порядка – чем меньше комплексий, тем выше порядок. Таким образом, в нашем примере первое состояние со всеми восемью частицами на одной стороне отражает самую высшую степень порядка, тогда как равное распределение с четырьмя частицами на каждой стороне представляет максимальный беспорядок.

Рис. 8-2. Мысленный эксперимент Больцмана

Важно подчеркнуть, что концепция порядка, представленная Больцманом, – это концепция термодинамическая: молекулы находятся в непрерывном движении. В нашем примере перегородка коробки чисто воображаемая, и молекулы в своем беспорядочном движении свободно проходят сквозь нее. В разные моменты времени газ находится в различных состояниях, т. е. количество молекул в отсеках коробки бывает различным; и для каждого из этих состояний число комплексий связано с его степенью порядка. Это термодинамическое определение порядка совершенно отлично от жестких представлений о порядке и равновесии в ньютоновской механике.