Шон Кэрролл - Вечность. В поисках окончательной теории времени

Не пытаясь пока давать точное определение понятию «жизнь», мы можем обсудить вопрос, который логично было бы сформулировать следующим образом: имеет ли смысл такое понятие, как «жизнь», с термодинамической точки зрения? Сразу скажу, что ответ: «да». Но в истории науки можно было услышать и противоположные заявления, хотя, конечно, звучали они из уст не признанных и уважаемых ученых, а креационистов, целью которых было сбросить дарвиновскую теорию естественного отбора с пьедестала единственно верного объяснения эволюции жизни на Земле. Один из их аргументов основывается на неправильном толковании второго начала термодинамики, который они читают как «энтропия всегда увеличивается», делая вывод об универсальной тенденции к увеличению беспорядка и общему угасанию всех естественных процессов. Чем бы ни была жизнь, совершенно очевидно, что это сложная и хорошо организованная штука. Как же в таком случае ее можно увязать с естественной тенденцией к росту беспорядка?

Разумеется, никакого противоречия здесь нет. Из доводов креационистов совершенно четко следует, что и существование холодильников невозможно; следовательно, эти доводы попросту неверны. Второе начало термодинамики не говорит нам, что энтропия всегда увеличивается. Согласно этому закону, энтропия всегда увеличивается (или остается постоянной) в замкнутой системе – системе, которая никак заметно не взаимодействует с внешним миром. Совершенно очевидно, что жизнь не может быть замкнутой системой; живые организмы находятся в непрерывном взаимодействии с внешним миром. Это эталоны открытых систем! Вот, собственно, и всё – на этом вопрос можно закрыть и продолжать жить своей жизнью.

Однако существует и другая, более замысловатая версия этого креационистского аргумента, которая звучит уже совсем не так глупо. Несмотря на то что она также абсолютно неверна, полезно рассмотреть ее, для того чтобы понять, где именно кроется ошибка. Этот изощренный довод базируется на количественных оценках: разумеется, живые существа представляют собой открытые системы, поэтому теоретически они могут где-то уменьшать свою энтропию при условии, что в другом месте она будет увеличиваться. Однако как узнать, что увеличения энтропии во внешнем мире достаточно, чтобы отчитаться за низкую энтропию живых существ?

Рис. 9.3.Мы получаем энергию от Солнца в концентрированной низкоэнтропийной форме, а излучаем обратно во Вселенную в рассеянном, высокоэнтропийном виде. На каждый получаемый Землей высокоэнергетичный фотон приходится 20 излучаемых обратно низкоэнергетичных фотонов

Как я уже упоминал во второй главе, Земля и ее биосфера – это системы, которые находятся очень далеко от термического равновесия. Условие термического равновесия означает, что температура одинакова повсюду, но если мы посмотрим вверх, то увидим очень горячее Солнце на, в целом, весьма холодном небе. Возможностей для увеличения энтропии предостаточно, и это очевидно. Но для наглядности давайте все же проверим реальные цифры. [160]

Энергетический баланс Земли, если рассматривать ее как единую систему, очень прост. Мы получаем энергию излучения Солнца, а затем теряем тот же самый объем энергии. Точно так же, посредством излучения, он уходит в открытый космос. (В действительности эти две величины не совсем равны; такие процессы, как ядерные распады, тоже нагревают Землю и приводят к утечке энергии в космос, а скорость излучения, строго говоря, не постоянна. И все же это весьма точное приближение.) Однако, несмотря на то что энергия остается постоянной, получаемый и отдаваемый потоки энергии кардинальным образом различаются по своим качественным характеристикам. Вспомните, что в добольцмановские времена энтропию понимали как меру полезности определенного объема энергии; низкоэнтропийные формы энергии можно использовать для совершения полезной работы, такой как приведение в действие двигателя или перемалывание зерна в муку, тогда как с высокоэнтропийными формами ничего особенного сделать не получится.

От Солнца мы получаем энергию в низкоэнтропийной, полезной форме, а энтропия энергии, которую мы излучаем обратно в космическое пространство, намного больше. Температура Солнца примерно в 20 раз выше средней температуры Земли. Что касается излучения, то температура – это всего лишь средняя энергия фотонов, из которых оно состоит, поэтому Земле приходится излучать 20 низкоэнергетичных фотонов (с большой длиной волны – инфракрасных) на каждый полученный высокоэнергетичный фотон (с малой длиной волны – в видимом диапазоне). Простые математические расчеты демонстрируют, что «в 20 раз больше фотонов» – это то же самое, что «энтропия в 20 раз больше». Земля излучает тот же объем энергии, что приходит к ней от Солнца, но энтропия этой энергии в 20 раз больше.

Самое сложное здесь – разобраться, что в действительности имеется в виду под «низкоэнтропийностью» жизненных форм здесь, на Земле. Как провести границу? Ответ на этот вопрос существует, и даже не один, но добраться до него совсем непросто. К счастью, можно срезать путь. Рассмотрим всю биомассу Земли – все молекулы, составляющие все существующие живые организмы, к какому бы типу они ни принадлежали. Несложно вычислить максимальную энтропию, которой мог бы обладать этот набор молекул при условии термического равновесия. Подставив реальные значения (биомасса 10 15килограммов; температура Земли 255 кельвинов), получаем ответ: максимальная энтропия равна 10 44. Сравним это значение с нулем – минимальной энтропией, которой могла бы обладать биомасса (если бы она находилась в каком-то одном исключительном состоянии).

Таким образом, самое большое потенциальное изменение энтропии, которое может потребоваться для приведения абсолютно беспорядочного набора молекул размером с нашу биомассу к любой другой конфигурации, включая нашу текущую экосистему, равно 10 44. Если эволюция жизни происходит в соответствии со вторым началом термодинамики, то за этот период Земля выработала больше энтропии (путем преобразования высокоэнергетичных фотонов в низкоэнергетичные), чем уменьшила в ходе создания жизни. Значение 10 44, несомненно, представляет собой более чем щедрую оценку – нам совершенно не нужно производить такой объем энтропии. Однако если мы можем создать столько энтропии, значит, со вторым началом термодинамики все в порядке.

Как много времени потребуется на создание такого объема энтропии путем преобразования полезной солнечной энергии в бесполезную излученную теплоту? Расчеты, принимающие во внимание температуру Солнца и т. п., позволяют дать следующий ответ: около одного года. Если ударно поработать, то за год мы могли бы из неопределенной массы размером со всю биосферу сформировать систему с такой низкой энтропией, какую только можно вообразить. В действительности же эволюция жизни продолжалась миллиарды лет, и общая энтропия системы «Солнце + Земля (включая жизнь) + ушедшее излучение» весьма заметно увеличилась. Таким образом, второе начало термодинамики идеально согласуется с жизнью как мы ее знаем, – хотя, уверен, вы в этом нисколько не сомневались.