Струны Вселенной
глава 7
Энтропия и эволюция
"Вселенная - это бесконечная симфония струнного оркестра".
(неизвестный автор из интернета)
После последней прогулки в парке, когда мы, если можно так сказать, рассуждали о понятии время, прошло четыре дня, и мне позвонила Наташа.
- Ты знаешь, я тут почитала про время, энтропию и, как в известном фильме, "что-то меня терзают смутные сомнения". Неужели по закону роста энтропии мир идёт к хаосу? Может, ты развеешь мои переживания? Как думаешь?
- Думаю, надо почитать. Потом встретимся и поговорим...
- О проблемах энтропии, - закончила фразу Наташа.
Через неделю, просветившись по глобальным вопросам мироздания, я позвонила подруге. Мы встретились как обычно под вечер и как всегда с нами были наши собачки - с Наташей Луша, а со мной Юлька-Юлечка.
- Посмотри, какое небо безоблачное. Значит, увидим звёзды, - Наташа с улыбкой взглянула на меня и произнесла ставшее традиционным в начале наших бесед слово. - Итак...
- Итак, - повторила я, - тема сегодняшней беседы "Энтропия и эволюция".
- Звучит громко.
- Соглашусь, но именно так - "Энтропия и эволюция". Поэтому вспомним Второе Начало термодинамики.
Второе Начало термодинамики: при протекании необратимых процессов в замкнутой системе энтропия возрастает. В незамкнутых системах энтропия может возрастать, убывать и оставаться без изменения.
Считается, что энтропия является мерой беспорядка и в закрытых системах возрастает, поэтому прошлые состояния более упорядочены, чем будущие. Второе начало термодинамики фактически утверждает непрерывный рост хаоса и беспорядка в мире. Значит Вселенная развивается в направлении глобального хаоса от «порядка» к «беспорядку»? Но всегда ли во всех системах так происходит?
- Вот именно, так ли это? Поясни на примерах, желательно простых.
- Тогда рассмотрим простой пример превращения воды в лёд.
Вода из вещества с менее упорядоченной структурой и соответственно с большей энтропией превратилась в лёд, имеющий более упорядоченную структуру и меньшую энтропию. Превращение воды в лёд сопровождалось выделением тепла и увеличением тепловой энтропии во всей системе, хотя локально энтропия уменьшилась - вода стала льдом.
Другой пример: при соединении железа и кислорода образуется ржавчина - оксид железа. Эта реакция необратима, и энтропия левой части (железо и кислород) больше правой (оксид железа), при этом в общей системе тепловая энергия увеличивается. При общем возрастании энтропии (по второму закону термодинамики) наблюдается её локальное уменьшение в виде образования более упорядоченной структуры оксида железа.
Эти примеры показывают, что при общем возрастании энтропии локально она может уменьшаться.
- Наверное, что-то похожее наблюдается во Вселенной? - спросила Наташа.
- Да, и многие современные учёные считают, что определение энтропии как меры хаоса нельзя применять для решения такой сложной проблемы как эволюция Вселенной и нельзя во всех случаях связывать возрастание энтропии с хаосом, дезорганизацией системы.
Вселенная — это космическое пространство с заполняющими его газом, пылью, разнообразными небесными телами: звёздами, планетами и их спутниками, астероидами, метеоритами, кометами, чёрными дырами. Вселенная включает в себя миллиарды галактик, в том числе нашу галактику Млечный путь, куда входит Земля.
Галактика — это гравитационно-связанная система из звёзд, звёздных скоплений, межзвёздного газа и пыли, тёмной материи, планет. Все объекты в составе галактики участвуют в движении относительно общего центра масс. В 2021 году по новым данным, полученных космическим аппаратом New Horizons, общее число галактик в наблюдаемой части Вселенной составило несколько сотен миллиардов, хотя точное число неизвестно.
Солнечная система — это планетная система, включающая в себя центральную звезду — Солнце и все естественные космические объекты, вращающиеся вокруг Солнца. Она сформировалась путём гравитационного сжатия газопылевого облака примерно 4,57 млрд лет назад.
Этот процесс развивался от первоначального хаотично устроенного раскалённого газового облака, обусловленного взрывом сверхновой, к строго упорядоченной системе с планетами, астероидами и кометами. Солнце – это жёлтый карлик и таких звёзд в нашей Галактике Млечный Путь миллиарды.
Во Вселенной сотни миллиардов галактик, в каждой из них миллиарды звёзд как наше Солнце. Все многочисленные объекты Вселенной существуют и взаимодействуют между собой по сложнейшим законам природы. В мега-масштабе Вселенной просматриваются гигантские упорядоченные структуры.
- Хорошо, что ты напомнила, как сложно устроена Вселенная, - одобрила меня Наташа.
- Сложность устройства Вселенной, - продолжила я, - показывает необходимость различать тепловую и гравитационную энтропию. Если возрастание общей тепловой энтропии сопровождается увеличением беспорядка, то в среде, окружающей локальные структуры, где действует гравитация, всё происходит наоборот – эволюция физико-химических систем приводит к образованию гигантских упорядоченных структур. О структурообразующей роли гравитации писали Ньютон, Кант, Лаплас.
Благодаря тяготению происходит превращение более или менее однородного газа в обособленные галактики, звёзды и т.д. Это возникновение структуры сопровождается увеличением энтропии и находится в согласии с термодинамикой.
Гравитационное взаимодействие снимает кажущееся противоречие между вторым началом термодинамики, говорящем о росте энтропии и наблюдаемой высокоорганизованной картиной Вселенной.
Вселенная не стремится к хаосу, что следует из определения энтропии как меры хаоса, а представляет собой развивающуюся, самоорганизующуюся сверхструктуру, в которой на разных иерархических уровнях существуют упорядоченные структуры.
- Согласно Второму Началу термодинамики необратимые процессы в замкнутой системе увеличивают энтропию. А что будет, если энтропия достигнет максимума? - спросила Наташа и повторила. - Что будет?
- Тепловая смерть Вселенной, - ответила я.
- Как?! - Наташа даже остановилась.
- Тепловая смерть Вселенной - теория, выдвинутая Р.Клаузиусом в 1865 году, согласно которой Вселенная рассматривается как замкнутая система, поэтому по Второму Началу термодинамики энтропия Вселенной стремится к максимуму, в результате чего со временем в ней должны прекратиться все процессы.
Однако до сих пор учёные не пришли к окончательному выводу: Вселенная - замкнутая или незамкнутая система.
По мнению Клаузиуса, Вселенная - замкнутая система, так как она не обменивается энергией с другими системами. Ведь другой Вселенной не существует? Вселенная, как замкнутая система, стремится к равновесному состоянию - состоянию с максимумом энтропии, поэтому все процессы, происходящие в ней, по мнению учёного, должны прекратиться.
- И все учёные согласны с Клаузиусом?
- Не все.
Другие учёные утверждают, что тепловая смерть Вселенной невозможна, потому что Второй Закон термодинамики неточен, так как не применим ко всей Вселенной в целом. Состояние с максимумом энтропии можно воспринимать лишь как идеал, потому что закон возрастания энтропии не носит абсолютный характер, а подчинён вероятностным законам. Другими словами, из-за случайных флуктуаций (колебаний) энтропия в системе будет всегда ниже максимума.
Ещё одним аргументом против теории Клаузиуса становится понимание, что Вселенная бесконечна, поэтому её нельзя назвать ни замкнутой, ни незамкнутой системой, так как эти критерии используются для конечных объектов. Поэтому можно предположить, что в условиях бесконечности Второй Закон термодинамики должен быть дополнен.
- Если так, то наверное сейчас появилось что-то новое в понятии энтропия?
- Да, - согласилась я. - Хотя многие учёные по-прежнему трактуют энтропию как меру беспорядка, дезорганизации, но другие считают, что эволюция наблюдаемого мира – неорганическая, органическая, социальная идёт не в сторону упрощения эволюционирующих систем, как предписывает прежняя трактовка в сочетании с законом возрастания энтропии, а идёт в противоположном направлении – в сторону их усложнения. Рост энтропии не препятствует росту сложности системы, то есть её эволюции.
С другой стороны, многие явления говорят, что более сложные системы обладают большей энтропией, чем менее простые.
С.Хайтун, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института истории естествознания и техники им.С.И.Вавилова РАН, показывает, что производство энтропии положительно как в системах, в которых хаос рождается из порядка, так и в системах, в которых, наоборот, порядок рождается из хаоса: "Производство энтропии положительно всегда и везде, в любой реальной системе и её окружении (среде), в каждом элементе их объёма. Это может означать только то, что применительно к реальным системам энтропия не является мерой беспорядка".
Энтропия является фундаментальной физической величиной, можно сказать одним из несущих элементов научного знания.
В неклассическом понимании энтропию представляют величиной, которая показывает, как много в данной системе различных состояний, но при этом она не отражает, насколько они устойчивы, то есть не связывается с понятием беспорядка. Другими словами, порядок и беспорядок показывают вероятность нахождения системы в том или ином состоянии, а неклассическое понятие энтропии – количество таких состояний.
Энтропия – это мера свободного состояния системы. Она тем полнее, чем меньше ограничений у этой системы.
- А в обществе, в социальной жизни есть энтропия? - спросила Наташа.
- Фундаментальные, основополагающие законы природы едины для всего окружающего нас мира. Недавно появилась новая общественная наука - социальная энтропия, в которой законы термодинамики применяются к обществу. Есть, например, удивительный, даже фантастический термин - социальная термодинамика.
- Значит, по Второму закону термодинамики энтропия общества растёт?
- Увеличение энтропии в обществе проявляется в росте деструктивных процессов - в преступности, коррупции, в кризисах, войнах, в разрушении института семьи, в размывании границ морали и нравственности. Где-то эти разрушительные процессы нарастают, где-то они остановлены, но в каких-то местах, возможно, преобладает созидание и уменьшение энтропии. Посмотри, что происходит в мире...
- Да-а... - Наташа вздохнула. - Но ты сказала, сегодня наша тема - энтропия и эволюция. При чём здесь эволюция?
- Эволюция неразрывно связана с энтропией и наоборот.
- Как? - удивилась подруга.
- Эволюция - это создание нового, более сложного и совершенного. Согласна? - спросила я.
- Конечно.
- Но учёные добавляют, что эволюция — это создание не просто нового, а нового, которое сопротивляется дальнейшим изменениям. И в этом понимании эволюция, как ни странно, направлена на прекращение эволюции, то есть на создание более устойчивых организмов.
- Вот это да! - воскликнула подруга.
- И правда удивительно, - согласилась я. - Эволюция сопротивляется энтропии, но происходит она именно благодаря энтропии.
Всем организмам присущи мутации - сбои в механизме передачи наследственной информации от родителей к потомкам. Некоторые мутации приводят к гибели организмов и вымиранию видов, этот разрушительный процесс является частным проявлением энтропии. Но при этом случайно создаются новшества, которые оказываются более устойчивыми к деградации. Именно они сохраняются отбором.
Так возник генетический код и механизм воссоздания организмами своих копий из материала окружающей среды. Так появился диплоидный набор хромосом и половое размножение, смысл которого - стабилизация вида.
Так возникла забота о потомстве и другие сложные формы поведения животных, и в итоге наша культура. Так сформировалось всё то, что позволяет организмам воспроизводить себя в потомках, не исчезая с Земли.
- Теперь я понимаю, почему об эволюции нельзя говорить без энтропии, - сказала Наташа.
- Слово «эволюция», придуманное Шарлем Бонне, означает развёртывание, - продолжила я. - Взгляд на мир как на гигантский организм, наделённый импульсом к прогрессивному развитию, высказывали Платон, Августин, Кант, Гёте.
Онтогенез — это индивидуальное развитие живого организма от зародыша до взрослой особи. Онтогенез сфокусирован на изменениях, происходящих с одной конкретной особью в течение ее жизни.
Филогенез — это эволюционный процесс, в котором изменяются виды и группы живых организмов в течение времени. Филогенез описывает, как эти живые существа меняли свои качества, чтобы адаптироваться к новым условиям жизни.
То, что мы видим в окружающей нас живой природе, — это ничтожная выборка удачных вариантов из мириад других, менее удачных. За нас, ныне живущих, заплачено очень дорого. Мы — редкая случайность, зафиксированная отбором.
Глобально, с учётом всей истории биосферы, Второй Закон термодинамики не нарушен, но локально идёт сотворение маловероятного мира.
- Как сложно устроен мир! - восхитилась Наташа.
- Я добавила бы - и как продуманно.
Палеонтологи часто говорят, что не могут найти переходных, промежуточных форм между разными группами организмов. Но с точки зрения эволюции это неудивительно.
Какие-то переходные формы не сохранились, т.к. были неустойчивы и поэтому претерпевали быструю эволюцию. И только ценой существенного изменения своего строения и/или физиологии они могли сохранять соответствие среде (которая сама менялась), могли выживать и оставлять жизнеспособных потомков.
На каком-то этапе в этом ряду форм, быстро меняющихся из поколения в поколение, появились организмы более совершенные, лучше приспособленные к среде, к тому чтобы жить в этой среде не меняясь. Такие более совершенные формы могли сохранить свою идентичность в длинном ряду поколений. А поскольку они долго пребывали на Земле, то их остатки (отпечатки, скелеты и т.п.) учёные могли находить достаточно часто.
- А что с хаосом? Что ждёт Вселенную? - спросила Наташа.
- Стремление к хаосу - фундаментальное свойство природы, энтропия Вселенной растёт. Но в процессе своей эволюции Вселенная развивается по-разному, где-то возможно "упрощаясь", а где-то создавая различные сложнейшие системы, создавая жизнь и человека, способного мыслить. Энтропия растёт всегда, но применительно к реальным системам она не везде является мерой беспорядка.
Французский математик Анри Пуанкаре открыл, что системы определённого типа в результате эволюции со временем возвращались в своё первоначальное состояние, хотя изначально казалось, что они стремятся к хаосу. Такой цикл называется цикл Пуанкаре.
Есть космологические теории, основанные на цикле Пуанкаре. Одна из них принадлежит известному математику Пенроузу, по мнению которого Вселенная сначала раздувается, затем схлопывается обратно, затем снова взрывается, раздувается и вновь схлопывается, повторяя предыдущий цикл. И так всегда?
Но почему это происходит? Какие сценарии эволюции Вселенной? Одни учёные говорят о разрыве Вселенной, другие о сжатии. Пока мы ещё слишком мало знаем о Вселенной. Известно, что Вселенная состоит на 22% из Тёмной материи и на 74% из Тёмной энергии, природа которых неизвестна.
Наши знания распространяются только на 4% Вселенной. Так что...
- Дальнейшие открытия впереди, - с воодушевлением закончила Наташа.
Наступил вечер, в парке зажглись фонари. Лёгкий ветерок колыхал кроны деревьев в золотом убранстве. Осенние листья шуршали под ногами. Мы остановились. Луша и Юлька подбежали и вопросительно смотрели на нас, не понимая, отчего мы не идём дальше.
А мы смотрели на небо, где появились звёзды среди миров...
Среди миров, в мерцании светил ***
Одной Звезды я повторяю имя,
Не потому, чтоб я Её любил,
А потому, что я томлюсь с другими.
И если мне сомненье тяжело,
Я у Неё одной ищу ответа,
Не потому, что от Неё светло,
А потому, что с Ней не надо света.
- Причём здесь стихи о любви?
- Трудно сказать...
Информация "Энтропия и эволюция" взята из лекций:
1. Энтропия. Большая наука.
А.М.Семихатов - доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ФИАН
С.Г.Рубин - доктор физико-математических наук, профессор Национального Исследовательского ядерного Университета «МИФИ»
В.Г. Буданов - доктор философских наук, кандидат физико-математических наук
2. Энтропия и эволюция Вселенной Авченко, Чудненко, 2020
3. Новые смыслы понятия энтропия
4. Эволюция как сопротивление энтропии В.П.Щербаков доктор биологических наук
5. Тепловая смерть Вселенной astrotime.ru Т.Сидорова, 2018
6. Что такое энтропия light-science.ru
*** Среди миров - Иннокентий Анненский