полная энергия = свободная энергия + + бесполезная (высокоэнтропийная) энергия.
Когда физический процесс создает энтропию в системе с фиксированной полной энергией, он расходует свободную энергию. Как только запасы свободной энергии заканчиваются, устанавливается равновесие.
Это один из способов, как можно представлять себе суть живых организмов: они поддерживают порядок в своем локальном окружении (включая собственные тела), пользуясь преимуществами свободной энергии, и своими действиями превращают свободную энергию в бесполезную. Если поместить золотую рыбку в контейнер с водой, где больше ничего нет, то она сохранит свою структуру (далекую от равновесия с окружающей средой) намного дольше, чем был бы способен кубик льда; однако в конечном итоге она умрет от голода. Однако если мы покормим рыбку, то она проживет еще дольше. С физической точки зрения еда — это банальный источник свободной энергии, которой живой организм может воспользоваться, чтобы поддержать свой метаболизм.
Получается, что демон Максвелла (вместе со своим контейнером с газом) являет собой превосходную парадигму того, как работает жизнь. Рассмотрим чуть более сложную версию истории демона. Возьмем контейнер с газом, разделенный перегородкой, и внедрим его в «среду», которую мы смоделируем в форме сколь угодно большого объема вещества, пребывающего при постоянной температуре, — физики называют это тепловой баней. (Смысл в том, что среда настолько велика, что взаимодействие с интересующей нас маленькой системой, в данном случае с контейнером газа, никак не повлияет на ее собственную температуру.) Несмотря на то что молекулы газа остаются внутри контейнера, тепловая энергия способна передаваться изнутри наружу и снаружи внутрь; следовательно, если демон примется эффективно разделять газ на «холодную половину» и «горячую половину», температура в контейнере немедленно начнет выравниваться из-за взаимодействия с окружающей средой.
Мы считаем, что демон стремится к тому, чтобы в этом конкретном контейнере равновесие не наступило; он прилагает все усилия для сохранения высокой температуры в левой части сосуда и низкой температуры в его правой части (обратите внимание на то, что мы сделали демона главным героем, а не главным злодеем этой истории). Таким образом, он занимается привычной сортировкой молекул в зависимости от их скоростей, но теперь он вынужден заниматься этим постоянно, ведь в противном случае каждая из половин контейнера придет в равновесие с окружающей средой. Мы уже знаем из предыдущего обсуждения, что демон не может выполнять сортировку, не оказывая воздействия на внешний мир; процесс стирания записей в конечном итоге создает энтропию. Следовательно, демону требуется бесконечный источник свободной энергии. Он берет свободную энергию («еду») и использует ее для стирания записей, производя, таким образом, энтропию и превращая свободную энергию в бесполезную. Бесполезная энергия затем выбрасывается в форме тепла (или чего-то еще). Стерев все записи в блокноте, демон снова готов поддерживать в своем контейнере состояние, далекое от равновесного, — по крайней мере, до тех пор, пока блокнот снова не наполнится записями, и тогда цикл опять повторится.
Рис. 9.4. Демон Максвелла как парадигма жизни. Демон поддерживает порядок — разные температуры в разных половинах контейнера, несмотря на воздействие окружающей среды. С этой целью он обрабатывает информацию посредством преобразования свободной энергии в высокоэнтропийное тепло.
Эта прелестная зарисовка, разумеется, не дает полного описания того, что мы подразумеваем под идеей жизни, но все же позволяет уловить суть. Жизнь стремится к поддержанию порядка, несмотря на требования второго начала термодинамики, будь то фактическое тело живого организма, его психическое состояние или деяния Озимандии. Делает она это вполне конкретным образом: уменьшая свободную энергию во внешнем мире. И все это ради того, чтобы держаться как можно дальше от термодинамического равновесия. Как мы уже убедились, эта деятельность тесно связана с идеей обработки информации. Выполняя свою работу, демон преобразует свободную энергию в информацию о молекулах в контейнере, которую затем использует для предотвращения выравнивания температур в двух половинах сосуда. На самом базовом уровне назначение жизни заключается в том, чтобы выжить: организм стремится к обеспечению бесперебойной работы своей сложной структуры.
[168] Свободная энергия и информация — это ключи к достижению данной цели.
С точки зрения естественного отбора существует масса причин, почему сложные устойчивые структуры могут оказаться предпочтительны в процессе адаптации; например, глаз — сложная структура, несомненно, вносящая неоценимый вклад в здоровье организма. Однако чем сложнее структуры, тем большие объемы свободной энергии приходится превращать в тепло только для того, чтобы поддерживать их невредимыми и функциональными. Такая картина взаимосвязи энергии с информацией позволяет дать логичный прогноз: чем более сложным будет становиться организм, тем более неэффективно он будет использовать энергию для «рабочих» целей — простых механических операций, таких как бег и прыжки. В то же время он будет тратить много энергии на «профилактику», то есть поддержание механизмов в хорошем рабочем состоянии. Выясняется, что это на самом деле так; что касается реальных биологических организмов, то чем они сложнее, тем менее эффективно расходуют свою энергию.
[169]
Сложность и время
Взаимосвязь энтропии, информации, жизни и стрелы времени порождает массу интересных тем для исследования, которым, к сожалению, мы не сможем уделить внимание в этой книге: эволюция, смертность, мышление, сознание, социум и бесчисленное множество других. Для того чтобы обсудить все эти вопросы, потребовалась бы отдельная книга, а у нас сейчас иные цели. Однако прежде чем вернуться на относительно твердую почву традиционной статистической механики, давайте рассмотрим еще один гипотетический вопрос. Впрочем, не исключено, что новые исследования в ближайшем будущем смогут пролить на него свет.
