Брайан Грин - До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной

С точки зрения второго начала термодинамики такая спонтанная упорядоченность совершенно неожиданна. Она возникает, потому что молекулы жидкости подвержены определенному влиянию среды: их постоянно нагревают. И такое непрерывное вливание энергии производит значительный эффект. В любой системе время от времени возникают спонтанные флуктуации, в результате которых на мгновение образуется маленький локальный участок с упорядоченной структурой. Обычно такие локальные флуктуации быстро рассеиваются в неупорядоченную форму. Но анализ Пригожина показал, что молекулы, выстроенные в определенные паттерны, начинают мастерски поглощать энергию и это предписывает им другое поведение. Если физическая система получает от среды стабильный поток концентрированной энергии, то особые молекулярные структуры могут использовать эту энергию на поддержание и даже усиление своей упорядоченной формы; при этом энергию они сбрасывают в вырожденном виде (менее доступном, более рассеянном) обратно в окружающую среду. Упорядоченные паттерны рассеивают энергию и поэтому называются диссипативными структурами. Полная энтропия, с учетом среды, возрастает, но, стабильно закачивая энергию в систему, мы можем создавать и поддерживать порядок при помощи устойчивого энтропийного тустепа.

Описание Пригожина идет рука об руку с физическим объяснением того, как организмы борются с энтропийной деградацией, восходящим еще к Шрёдингеру. Не то чтобы клетки Бернара были живыми, но живые существа тоже являются диссипативными структурами — получают энергию из окружающей среды, используют ее для поддержания или развития своей упорядоченной формы и выпускают эту энергию в вырожденном виде обратно в окружающую среду. Результаты Пригожина математически точно отражают его девиз «Порядок из хаоса»; в дальнейшем многие исследователи высказывали предположения, что, развивая математический аппарат, возможно, удастся разобраться в том, как необходимые для жизни упорядоченные молекулы родились из хаоса беспорядочного молекулярного движения, происходившего на ранней Земле.

Из многочисленных участников этой программы особенно интересна недавняя работа Джереми Ингленда (расширяющая более ранние результаты, полученные исследователями, в число которых входили Кристофер Яржински и Гэвин Крукс)43. При помощи остроумных математических манипуляций Ингленд сумел вычленить следствия, вытекающие из второго начала термодинамики при применении его к системам, питаемым внешним источником энергии. Чтобы получить некоторое представление о его результате, представьте себя на детских качелях. Каждый ребенок интуитивно знает: чтобы раскачать качели и поддерживать их ровное ритмичное движение, нужно вытягивать ноги (и наклоняться) с правильной частотой и в нужные моменты. Частота эта, согласно основам физики, зависит от расстояния между сиденьем качелей и осью или опорой, вокруг которой они поворачиваются. Если качать ногами с неверной частотой, несовпадение ритма помешает качелям эффективно поглощать поставляемую вами энергию, поэтому сильно раскачаться не удастся. Представьте, однако, что данные конкретные качели имеют необычное свойство: когда вы качаете ногами, длина качелей меняется, уравнивая период их движения с движением ваших ног. Такая «адаптация» позволяет качелям быстро войти в ритм, принять предлагаемую вами энергию и набрать хорошую высоту на каждом цикле. После этого энергия ваших действий (качания ногами) продолжает поглощаться качелями, но не заставляет их раскачиваться еще выше. Вместо этого энергия, которую вы подаете, помогает сохранять стабильность движения качелей, уравновешивая тормозящую силу трения и выделяя в процессе этого отходы (теплоту, звук и т. п.), которые уходят обратно в окружающую среду и рассеиваются там (при условии, что вы не сорвиголова, как моя дочь, которая, дождавшись высшей точки подъема качелей, спрыгивает с них и взлетает, а затем рассеивает энергию кувырканием по земле).

Математический анализ Ингленда показывает, что в молекулярном царстве частицы, которые «подталкиваются» внешней силой, могут переживать что-то подобное вашей эскападе с качелями. Первоначально беспорядочный набор частиц может адаптировать свою конфигурацию так, чтобы «попасть в колею» — образовать структуру, которая, более эффективно поглощая энергию из окружающей среды, использует ее для поддержания или усиления упорядоченного внутреннего движения или структуры, а затем рассеивают эту энергию в вырожденном виде обратно в окружающую среду.