Пять мифов о развитии и энтропии. Миф пятый.
Где больше энтропии: в джунглях смутных, за солнца луч идёт там вечный бой?
Нет, в солнцем залитых краях верблюдных, сверкающих от счастья быть собой.
Прохлада лесов, сохраняясь в любую жару, свидетельствует о полноте переработки солнечной энергии в зёрнах хлорофилла – лишь часть её деградирует до теплового уровня, тогда как в пустыне на нагрев уходит почти всё. М. Никитин пишет: «Биосфера в целом эксплуатирует энергию Солнца, т. е. градиент температуры между Солнцем и холодным космосом; этот градиент используется путем поглощения солнечного света в ходе фотосинтеза и излучения тепла в космос с поверхности планеты. На космических снимках хорошо видно, что богатые жизнью области планеты – леса и прибрежные воды – темнее, чем остальная суша или океан». (Михаил Никитин. Происхождение жизни. От туманности до клетки. // М. 2018 // ours-nature.ru/lib/b/book/2929307426/45). То есть при равном притоке энергии излучение тепла в космос жизнью меньше, чем безжизненными областями.
Следует, правда, оговориться, что лес диссипирует (рассеивает) энергию не только в виде тепла. Она выбрасывается в окружающую среду также с парами воды, кислородом, увядшими листьями, отмершей древесиной и т.д. Но, не достигнув предельного, теплового уровня дезорганизации, энергия, выброшенная лесом, как ненужная, пригодна для использования другими формами жизни. Почти вся энергия, используемая биосферой и человечеством, рождается в зёрнах хлорофилла и постепенно деградирует в организмах простейших, травоядных, хищников, на каждом этапе частично превращаясь в тепло. Неутилизированные отходы накапливались сотни миллионов лет в виде углеводородов и сжигаются сегодня людьми. То есть самоорганизация, достигшая высокого уровня сложности – жизнь, существовала и развивалась до появления деятельного человечества, производя меньше энтропии, чем безжизненная планета.
Это прямо противоречит часто звучащему утверждению, якобы следующему из теории диссипативных структур И. Пригожина, что возникшая в некоторой среде самоорганизация непременно увеличивает производство в ней энтропии. Но пока самоорганизация не возникла, вся энергия, попавшая в систему, превращается в энтропию. Для увеличения её производства нужна дополнительная энергия. Самоорганизация может изменять только скорость производства энтропии, и необязательно в строну увеличения.
Действительно, согласно теореме Пригожина, в стационарном состоянии энергия входящего в систему упорядоченного потока должна быть равна энергии исходящего неупорядоченного (энтропии). Возмущения нарушают условие стационарности, но увеличивают входящий поток энергии. Поэтому самоорганизация, стремясь восстановить стационарность, должна увеличивать производство энтропии. Но, во-первых, это не отменяет вывода предыдущего абзаца: без дополнительной энергии производство энтропии не увеличится. А, во-вторых, достаточно сложные самоорганизации умеют аккумулировать избыточную энергию или защищаться, экранироваться от неё, то есть справляться с избытком энергии, не производя лишней энтропии.
Акоп Погосович Назаретян пишет: «…платой за поддержание неравновесных процессов служит ускоренный рост энтропии среды. Монотонное наращивание антиэнтропийной активности (агрессии) со временем оборачивается своей противоположностью - опасностью катастрофического роста энтропии среды, а с ней и самой системы-агента. Такое превращение продуктивных механизмов сохранения неравновесной системы в контрпродуктивные столь регулярно обнаруживается на различных стадиях биологической и социальной эволюции, что обобщение эмпирических свидетельств позволяет выделить универсальный закон эволюционной дисфункционализации» «Антропология насилия и культура самоорганизации…» (2008).
Но что такое "антиэнтропийная активность"? По-видимому, это деятельность системы, замедляющая деградацию энергии, то есть повышение энергетической ценности отходов. Самоорганизация не может произвести энтропии больше или меньше, она перерабатывает и выбрасывает всё (вещество и энергию), что получает из среды. Но: - раньше или позже; - в том или ином виде. Дисфункционализация, о которой пишет Назаретян, происходит не потому, что энтропии производится больше, а потому, что она приобретает вид отходов, утилизировать которые среда не может. Например, кислород, погубивший анаэробную жизнь 2 млрд лет назад, или пластик, которым мы заваливаем Землю сегодня.
Хотя второе начало термодинамики запрещает самопроизвольное убывание энтропии, скорость её роста определяется только законом Пригожина, утверждающим, что она быстро достигает некоторого предельного значения, после чего, в зависимости от условий, либо перестаёт расти, либо растёт медленно. Река может образовать водопад, срывающийся с обрыва, быстро превращая потенциальную энергию в тепловую форму. А может спускаться плавно, орошая землю и поддерживая жизнь на ней. Или вырабатывать электрическую энергию в турбинах ГЭС. В этих случаях этап быстрого роста сокращён, а медленного – увеличен. Такое экономное расходование энергии, как правило, выгоднее системам, часто неспособным быстро её переварить.
Самоорганизация может вовлекать в свою орбиту дополнительную энергию, что, действительно, увеличивает рост энтропии. Но лишь на этапе образования неизбежен её выброс в среду в большом объёме. Возникающая при этом система, то есть некоторое единство связанных между собой элементов, уменьшает число доступных для этих элементов состояний, а это ограничивает рост энтропии. Часть энергии сохраняется в самих связях или аккумулируется для использования по мере необходимости. Можно говорить об инфраструктуре развития, включающей стабильные элементы, соединяющие их связи, а также границы, отделяющие системы от среды и друг от друга. (В заметках об общей теории эволюции систем http://proza.ru/2020/06/17/58 и др. границы я отношу к пассивным связям в отличие от активных – взаимодействий элементов). Инфраструктура не только замедляет рост энтропии, но и ускоряет восходящее развитие систем.
Особенно явно замедляется рост энтропии при возникновении границ. Если демон Максвелла, сортирующий частицы, производит энтропии больше, чем уничтожает, то простая перегородка после постройки почти не требует никаких затрат, то есть не увеличивает энтропию. Однако, сокращая количество возможных состояний для каждого элемента, она фиксирует число микросостояний всей системы, т.е. снижает предел роста энтропии. "Обмануть" второе начало термодинамики нельзя, но дальнейший рост энтропии будет уменьшен: границы "сдвигают влево" точку окончания быстрого роста энтропии. Небольшая система, отгородившись от большой, слабо влияет на общую энтропию, но предел роста своей внутренней может снизить на порядки.
Для неживой среды перегородки не характерны. Элементарные частицы отделяются от среды энергетическим барьером, охраняющим их как от экспорта, так и от импорта энергии. Космические тела гравитация защищает лишь от экспорта. Некоторые вещества, например, вода, образуют поверхностные плёнки, также снижающие переток энергии, а следовательно и рост энтропии. Но в большинстве случаев энергия сравнительно свободно растекается по среде.
Там же, где появляется жизнь, перегородки видны повсеместно: не только организмы защищены кожей, панцирями, корой, но и клетки, и органеллы в них окружены защитными мембранами. Всё живое при этом старается использовать внешнюю защиту: дупла, норы, пещеры и т.п. А те, кто умеет, и человек больше всех, строят сами. Стены и заборы разделяют хозяйства, пограничные сооружения защищают государства.
В сознании границы образуются понятиями. Объекты внешнего мира, порой даже особо не разделённые между собой (как, например, цвета радуги), человек разделяет, классифицирует и изучает, строя в личном и общественном сознании более или менее адекватные модели. Переход от образов к понятиям снижает расход энергии на мышление и позволяет достигать большей глубины понимания.
Вывод: самоорганизация может вовлекать в процесс своего развития дополнительный объём энергии, однако, благодаря меньшей скорости её деградации производство энтропии может не только не увеличиваться, но даже уменьшаться. Человечество существенно нарушает сложившийся в биосфере баланс. Особенно после начала индустриальной эры производство энтропии недопустимо увеличивается. Остаётся надеяться, что уже в ближайшее время эта тенденция будет сломлена, но усилия для этого должны приложить все.
Ред.28.01.2126
Читайте также:
Миф 1. Творец или случай
Логикой существование (или отсутствие) Творца доказать нельзя. В Него можно верить или не верить, но, независимо от этого, совершенствование и усложнение Вселенной не может являться делом случая. (http://www.proza.ru/2018/09/30/1965)
Миф 2. Энтропия - только для физики и математики?
Существует мнение, что энтропия – сугубо естественнонаучное понятие и неприменимо в гуманитарных науках. Думаю, это вызвано непониманием связи его со всеобщим явлением диссипации (рассеяния). (http://www.proza.ru/2018/09/30/1974)
Миф 3.Энтропия растёт в изолированных системах?
В формулировке второго начала термодинамики фигурируют термины «изолированная» и «система». Насколько они необходимы? ( http://www.proza.ru/2018/09/30/1977)
Миф 4.Энтропия – мера беспорядка?
Не споря с Больцманом, называвшим энтропию мерой беспорядка, разберёмся, что следует считать порядком, а что – хаосом? (http://www.proza.ru/2018/09/30/1982).