Рис. 7.1
Чтобы скорее добраться до тонущего купальщика, спасательнице надо двигаться не по прямой (изображенной пунктиром), а по ломаной линии, выигрывая время за счет того, что по берегу она может двигаться быстрее, чем плыть в воде. Луч света в воде подчиняется тому же правилу: преломившись, он достигает дна или стенки сосуда за кратчайшее время.
Известна физическая величина, которую природа старается максимизировать, — это энтропия, или, грубо говоря, мера беспорядка в описываемых предметах. Второй закон термодинамики утверждает, что энтропии свойственно увеличиваться до тех пор, пока она не достигнет максимально возможного значения. Если забыть на время о наличии сил тяжести, то конечная стадия, когда максимальный беспорядок повсеместно достигнут, называется тепловой смертью — это означает, что все обретает скучное безупречное однообразие, без сложности, без жизни и без изменений. Когда вы, например, наливаете холодное молоко в горячий кофе, ваш напиток начинает безудержно стремиться к своей собственной тепловой смерти и вскоре превращается в однородную тепловатую жидкость. При смерти живого организма энтропия в нем также возрастает, и вскоре организованность его частиц существенно снижается.
Стремление природы увеличить энтропию объясняет, почему время имеет определенное направление, заставляя фильмы выглядеть нереалистично, если просматривать их задом наперед: если вы уроните бокал вина, вы ожидаете, что он разлетится вдребезги, ударившись об пол, и тем самым увеличит глобальный хаос (энтропию). Если же вы увидите, как он собирается и летит назад в руку (энтропия при этом явно уменьшается), то, скорее всего, вы решите больше из него не пить, посчитав, что вам на сегодня хватит.
Когда я впервые узнал о нашем неумолимом движении по направлению к тепловой смерти, я очень расстроился — и был в этом не одинок: один из основателей термодинамики, лорд Кельвин, писал в 1841 году, что «в результате [все] неизбежно придет в состояние всеобъемлющего покоя и смерти», и сложно утешать себя тем, что такова, видно, долгосрочная цель природы — торжество смерти и разрушения. Однако последующие исследования показали, что все не так плохо. Во-первых, гравитация ведет себя не так, как все другие силы, и старается сделать нашу Вселенную не однообразной и скучной, а все более разнообразной и интересной. Благодаря этому гравитация превратила нашу скучную раннюю Вселенную, которая была абсолютно однообразна, в сегодняшний прекрасный и сложный космос, наполненный галактиками, звездами и планетами. Благодаря гравитации во Вселенной сегодня колоссальный разброс температур, который позволяет жизни процветать, лавируя между горячим и холодным: мы живем на теплой комфортной планете, которая сначала поглощает солнечную энергию, пришедшую с поверхности нагретого до 6 000 °C светила, а потом излучает ее, отдавая холодному космическому пространству, температура которого всего на три градуса отличается от абсолютного нуля.
Во-вторых, недавняя работа моего коллеги по MIT Джереми Ингланда с соавторами принесла нам хорошие новости: термодинамика находит в природе и более вдохновляющую цель, чем тепловая смерть
. Эта цель называется диковатым словосочетанием диссипативно-направленная адаптация, подразумевающим, что случайно сформировавшиеся группы частиц стремятся самоорганизоваться таким образом, чтобы получать энергию из окружающей среды наиболее эффективным способом (слово «диссипация» здесь означает, что энергия распределяется между степенями свободы с увеличением энтропии, то есть превращается в тепло, зачастую производя попутно какую-то полезную работу). Например, в группе молекул, выставленных на солнце, со временем проявится тенденция так расположиться по отношению друг к другу, чтобы лучше поглощать солнечный свет. Другими словами, природа, похоже, сама собой нацелена на производство самоорганизующихся систем, которые, все усложняясь и усложняясь, все больше походят на жизнь, и эта цель зашита в «хард» самих физических законов.
Как мы можем увязать это космическое стремление к жизни с космическим стремлением к тепловой смерти? Ответ можно найти в известной книге 1944 года What’s Life? Эрвина Шрёдингера
[51], одного из основателей квантовой механики. Шрёдингер указал на то, что живая система поддерживает свою энтропию на постоянном уровне или даже сокращает ее за счет увеличения энтропии вокруг себя, — и в этом отличительная черта живых систем. Другими словами, второй закон термодинамики имеет лазейку: хотя всеобщая энтропия должна увеличиваться, в некоторых местах разрешается сокращать энтропию, — при условии, что она еще больше увеличивается где-то еще. Так жизнь поддерживает или увеличивает свою сложность за счет создания хаоса вокруг себя.
Биология: эволюция целей
Мы только что увидели, как происхождение целенаправленного поведения можно отследить в законах физики, из-за которых, кажется, даже у элементарных частиц есть цель вести себя таким образом, чтобы выжимать энергию из окружающей среды наиболее эффективно. Отличный способ для этого — делать копии самих себя, производя побольше поглотителей энергии. Существует много известных примеров такой эмергентной саморепликации: например, вихри в турбулентном потоке порождают копии самих себя, и кластер микросфер может спровоцировать формирование таких же кластеров в соседних сферах. В какой-то момент частицы приноравливаются настолько хорошо копировать себя, что процесс может продолжаться практически бесконечно, добывая энергию и вещество из окружающей среды. Такой способ упорядочения частиц мы называем жизнью. Мы все еще очень мало знаем о происхождении жизни на Земле, но мы знаем, что примитивные формы жизни существовали уже 4 миллиарда лет назад.
Если жизнь создает копии самой себя и эти копии снова поступают так же, тогда общее количество их будет продолжать удваиваться с равными временными интервалами, пока популяция не разрастется до такой степени, что столкнется с нехваткой ресурсов или какой-то другой проблемой. Повторяющееся удвоение быстро доходит до больших чисел: если начать с одного и удваивать его всего лишь триста раз, вы получите число, превосходящее количество частиц в нашей Вселенной. Это означает, что вскоре после появления первой примитивной формы жизни колоссальное количество вещества стало живым. Не всегда копирование происходило успешно, так что вскоре появилось много разных видов жизни, старающихся скопировать себя, борющихся за один и тот же ограниченный ресурс. Началась дарвиновская эволюция.
Если бы вы наблюдали за Землей в период появления на ней жизни, вы бы заметили существенные изменения в целенаправленном поведении частиц. Так, например, раньше частицы как будто старались увеличить хаос всеми возможными средствами, теперь же эти вездесущие, копирующие себя частицы преследовали иную цель: не диссипация, а репликация. Чарльз Дарвин элегантно объяснил причину: раз именно то, что удачнее всего другого скопировалось, обгоняет всех прочих и доминирует над ними, пройдет немного времени, и любая случайно возникшая форма жизни будет выглядеть так, словно ее оптимизация и была целью всех предшествующих репликаций.
