Уильям Пейли, британский священник, писавший на рубеже XVIII–XIX веков, предлагал читателю совершить воображаемую прогулку по одной из живописных английских вересковых пустошей. Идете, размечтались и вдруг случайно ударились пальцем о камень. Пейли полагал, что вы немного расстроитесь, но не станете задумываться о том, откуда мог взяться этот камень. Камни — такая штука, которая вполне может попасться на пути, когда гуляешь по пустошам.

А теперь давайте предположим, что во время такой прогулки вы заметили прямо под ногами карманные часы. Вот вам уже и загадка: как они здесь оказались? Признаться, загадка не слишком сложная: вероятно, кто-то гулял здесь до вас и обронил их. Однако вам наверняка не пришло бы в голову, что часы лежат здесь с незапамятных времен. Камень — просто кусок вещества, а часы — тонкий и полезный механизм. Ясно, что кто-то должен был их изготовить: если есть часы, значит, есть и часовщик.

То же, по мнению Пейли, относится и ко многим другим вещам в природе. Он утверждает, что любое живое существо, встречающееся в естественном мире, — это «очередное подтверждение замысла». Дело здесь не только в сложности, но и в структурности, которая явно служит какой-то конкретной цели: природа требует своего «часовщика» — Конструктора, которого Пейли идентифицировал как Бога.

Давайте обсудим этот аргумент. Если вы нашли на земле часы, то, естественно, предположите, что кто-то их сделал. У нас в теле есть особые «механизмы», которые позволяют нам ощущать время. (Среди них есть белок, удачно названный CLOCK, синтез которого играет ключевую роль в регуляции наших суточных циркадных ритмов.) Человеческое тело гораздо сложнее механических часов. Поэтому предположение о том, что живые организмы были «спроектированы», не кажется натянутым.

Однако необходимо внимательно следить за тем, какая «натяжка» допустима. Дэвид Юм в своих «Диалогах о естественной религии» весьма обоснованно утверждал (еще до того, как Пейли ввел в оборот «аналогию с часовщиком»), что представление о Конструкторе и наше традиционное понимание Бога существенно различаются. Тем не менее аргумент Пейли оказался очень убедительным и не теряет популярности по сей день.

В 1784 году Иммануил Кант размышлял: «Для людей было бы нелепо даже... надеяться, что когда-нибудь появится новый Ньютон, который сумеет сделать понятным возникновение хотя бы травинки». Разумеется, можно сформулировать непреложные механистические законы, описывающие движения планет и маятников, но при описании живого мира простыми шаблонами не обойтись. Должно быть нечто, что учитывало бы целенаправленную сущность живых организмов.

Сегодня мы разбираемся в вопросе лучше — мы знаем, кто оказался тем Ньютоном, объяснившим возникновение травинки: его звали Чарльз Дарвин. В 1859 году Дарвин опубликовал книгу «О происхождении видов путем естественного отбора», где изложил основы современной теории эволюции. Великий триумф Дарвина позволял объяснить не только историю жизни, зафиксированную в палеонтологической летописи, но и сделать это безотносительно какой-либо «цели» или внешнего вмешательства, то есть описать «конструкцию без Конструктора», как выразился биолог Франсиско Айала.

В сущности, любой практикующий профессиональный биолог в целом разделяет дарвиновское объяснение наличия сложных структур в живых организмах. Известно высказывание Феодосия Добжанского: «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции». Однако эволюция происходит в более широком контексте. Дарвин исходит из того, что живые существа могут выживать, размножаться и случайным образом эволюционировать, а затем показывает, как естественный отбор влияет на эти случайные изменения, создавая иллюзию замысла. Итак, начнем с того, откуда же взялись все эти живые существа?

***

В нескольких следующих главах мы поговорим о возникновении сложных структур — в том числе живых существ, но не только — в контексте общей картины. Вселенная — это совокупность квантовых полей, подчиняющихся таким уравнениям, в которых даже не различаются прошлое и будущее, а тем более не заложено никаких долгосрочных целей. Как в мире могло возникнуть нечто столь организованное, как человек?

Кратко ответить на этот вопрос можно двумя словами: энтропия и эмерджентность. Энтропия порождает стрелу времени; эмерджентность позволяет говорить о сложных структурах, способных жить, развиваться, иметь цели и желания. Сначала обратим внимание на энтропию.

На первый взгляд роль энтропии в развитии сложности представляется парадоксальной. Согласно второму закону термодинамики, энтропия изолированной системы со временем возрастает. Людвиг Больцман объяснил нам, что такое энтропия: это способ подсчета, сколько вариантов расположения материи в системе на микроуровне будут неразличимы на макроуровне. Если существует много возможностей перераспределить частицы в системе так, что при этом ее внешний вид не изменится, то система характеризуется высокой энтропией; если таких вариантов относительно немного, то энтропия системы низкая. Согласно Гипотезе прошлого, наша Вселенная зародилась в состоянии с очень низкой энтропией. С тех пор легко прослеживается второй закон термодинамики: с течением времени энтропия во Вселенной увеличивается просто потому, что энтропия возрастает легче, чем уменьшается.

Возрастание энтропии не исключает возрастания сложности, но может показаться, что два этих явления несовместимы, — все дело в том, как мы иногда переводим технические термины на обычный язык. Мы говорим, что энтропия — это мера «неупорядоченности» или «случайности» и что она всегда возрастает в изолированных системах (таких, как Вселенная). Если общая тенденция такова, что материя тяготеет ко все более случайным и дезорганизованным состояниям, то может показаться странным, что в природе возникают высокоорганизованные подсистемы, причем это происходит без всякой закулисной «направляющей».

Существует распространенный ответ на подобное возражение, который совершенно верен, однако не снимает основополагающую проблему. Он таков: «Второй закон характеризует рост энтропии в закрытых системах, таких, которые не взаимодействуют с окружающей средой. В открытых системах, обменивающихся энергией и информацией с внешним миром, энтропия, разумеется, может уменьшаться. Когда вы ставите бутылку вина в холодильник, энтропия в ней уменьшается, так как понижается температура. Энтропия в вашей комнате уменьшится, если вы провели уборку. Ничто из этого не нарушает законов физики, поскольку общая энтропия все равно возрастает: решетка за холодильником нагревается, а человек потеет, кряхтит и излучает тепло, когда прибирается в комнате».

Пусть этот ответ и устраняет проблему «по букве», но он огибает ее «по духу». Возникновение сложных структур в таком месте, как поверхность Земли, полностью согласуется со вторым законом термодинамики — глупо было бы утверждать обратное. Земля — исключительно открытая система, она постоянно излучает энергию во Вселенную, и общая энтропия Земли все время возрастает. Проблема в том, что, хотя это и объясняет, почему сложно организованные системы могли возникнуть здесь, на Земле, мы не получаем ответа, почему это действительно происходит. Холодильник уменьшает энтропию своего содержимого, но только остужая все, что в нем лежит; холодильник не делает продукты более затейливыми или сложными. Комнаты тоже можно прибрать, но опыт подсказывает нам именно то, о чем говорил Пейли: такая работа требует вмешательства интеллекта. Комната никогда не приберется спонтанно сама собой, даже если мы позволим ей взаимодействовать с окружающей средой.

Нам все еще приходится разбираться, как и почему законы физики допускают появление сложных, адаптивных, разумных, реагирующих на обстановку, развивающихся и заботливых существ — таких, как мы с вами.

***

Какой смысл мы вкладываем в понятия «простое» и «сложное» и как они связаны с энтропией? Интуитивно мы ассоциируем сложность с низкой энтропией, а простоту — с высокой. В конце концов, если энтропия тождественна «случайности» или «дезорганизованности», то нам кажется, что именно эти свойства отсутствуют у таких сложных систем, как наручные часы или броненосец.

Здесь интуиция немного нас подводит. Допустим, вы смешиваете сливки с кофе в стеклянной кружке. Поскольку мы ставим физический эксперимент, а не отправляем утренний ритуал, давайте сначала аккуратно нальем сливки поверх кофе, а только потом размешаем их ложечкой (помешивание ложечкой — внешнее вмешательство, которое, однако, не является ни интеллектуальным, ни направленным).

Сначала система обладает низкой энтропией. Существует не так много вариантов перераспределения атомов в сливках и кофе, при которых внешний вид этих жидкостей не изменился бы. Можно менять местами отдельные молекулы сливок или отдельные молекулы кофе, но как только мы начнем перемешивать сливки и кофе, наша стеклянная кружка станет выглядеть иначе. В конце концов все перемешается и энтропия станет сравнительно высокой. Мы могли бы поменять любую часть полученной смеси на другую ее часть, и при этом система внешне бы не изменилась. В течение всего описанного процесса энтропия возрастала, как и позволяет ожидать второй закон термодинамики.

Смешивание сливок с кофе. Исходное состояние простое, с низкой энтропией. Конечное состояние простое, с высокой энтропией. В промежуточном состоянии наблюдается интересная сложность

Однако оказывается, что сложность не уменьшалась по мере возрастания энтропии. Рассмотрим первую конфигурацию, где сливки и кофе существуют абсолютно раздельно; это состояние очень простое, но обладает низкой энтропией. Сливки сверху, кофе снизу, больше ничего не происходит. Конечная конфигурация, в которой все перемешано, тоже очень проста. Она полностью характеризуется фразой: «Все перемешано». Лишь промежуточная стадия между низкой и высокой энтропией кажется сложной. Язычки сливок змеятся в кофе необычными и красивыми завитками.

Кофейно-сливочная система демонстрирует свойства, которые весьма отличаются от упрощенного отождествления «возрастающей энтропии» и «уменьшающейся сложности». Энтропия возрастает в полном соответствии со вторым законом термодинамики; но сложность сначала возрастает, а затем уменьшается.

По крайней мере, именно так все выглядит. Однако мы пока не дали четкого определения понятию «сложность», тогда как определение энтропии у нас есть. Отчасти дело в том, что нет такого определения, которое было бы справедливо в любых обстоятельствах: сложность в различных системах проявляется по-разному. Так и должно быть: сложность многообразна. Можно задаться вопросом о сложности конкретного алгоритма, разработанного для решения задачи, либо судить о сложности машины, реагирующей на ответные действия, о сложности статического изображения или проекта.

Пока давайте воспринимать сложность по принципу «увидим — не ошибемся», а строгие определения будем формулировать, когда до этого дойдет дело.

***

Не только в чашке кофе сложность по мере увеличения энтропии сначала возрастает, а затем уменьшается. Согласно современной астрофизической теории, во Вселенной происходит ровно то же самое. В самом начале, сразу после Большого взрыва, энтропия была очень низкой. Состояние Вселенной также отличалось крайней простотой: она была горячей, густой, равномерной и стремительно расширялась. Вот и все, что тогда происходило; во всех точках Вселенной условия, в сущности, не различались. В далеком будущем энтропия станет очень высокой, но условия опять станут простыми. Если подождать достаточно долго, Вселенная станет холодной и пустой и вновь приобретет равномерность. Вся материя и излучение, которые мы сейчас наблюдаем, скроются за горизонтом наблюдения, их унесет в стороны из-за расширения пространства.

Именно сейчас, между далеким прошлым и далеким будущим, Вселенная обладает средней энтропией, но исключительной сложностью. Изначально ровная конфигурация в течение нескольких последних миллиардов лет становилась все более комковатой; на месте крошечных возмущений, где изменялась плотность материи, сформировались планеты, звезды и галактики. Они не вечны; как мы убедились в главе 6, в конечном итоге все звезды сгорят, их поглотят черные дыры, а затем испарятся даже сами черные дыры. Эпоха сложных явлений, в которой сейчас пребывает наша Вселенная, увы, временная.

Эволюция энтропии и сложности в закрытой системе с течением времени

Столь схожее развитие сложности в кофейной чашке и во Вселенной, даже с учетом постоянного возрастания энтропии, провокационно. Возможно ли, что существует какой-то еще не открытый закон природы, аналогичный второму закону термодинамики, согласно которому происходит развитие сложности с течением времени?

Краткий ответ: «Мы не знаем». Чуть более развернутый: «Мы не знаем, но, это возможно; а коли так, то есть серьезные основания полагать, что этот закон окажется сложным».

Источник http://elementy.ru/bookclub/chapters/434264/Vselennaya_Glava_iz_knigi