Паровая машина поглощает теплоту и энтропию от горящего топлива и высвобождает теплоту и энтропию в более прохладную окружающую среду. Здесь принципиально важна температурная разница между топливом и средой. Чтобы понять, почему это так, представьте себе два включенных бытовых обогревателя, совершенно одинаковых, один из которых находится в промерзшей комнате, а второй — в жаркой. В промерзшей комнате холодные молекулы воздуха получают от обогревателя встряску, которая заставляет их двигаться быстрее и распределяться по всему пространству, так что их энтропия возрастает значительно. В жаркой комнате молекулы воздуха и без того двигаются быстро и разлетаются широко, так что обогреватель лишь слегка увеличивает их энтропию. (Это примерно как ускорить ритм на дикой новогодней вечеринке и почти не заметить, что участники стали танцевать чуть быстрее; но ускорьте ритм в буддистском монастыре Тикси и заставьте монахов прервать медитативные практики и начать танцевать крамп, и вы сразу заметите изменения.) Следовательно, несмотря на то что обогреватели идентичны, количество энтропии, которую они передают окружающим объектам, различно: хотя каждый из них генерирует одинаковое количество теплоты, обогреватель в холодной комнате передает среде больше энтропии. Таким образом, более прохладная среда, получая заданное количество теплоты, превращает его в больший рост энтропии. С учетом этого мы понимаем, что паровая машина может сбрасывать всю энтропию, полученную ею с теплотой от горячего топлива, выпуская лишь часть этой теплоты в более прохладную окружающую среду. Тогда оставшаяся теплота может заставить пар расширяться, толкая поршень и выполняя при этом полезную работу.
Таково объяснение, но не позволяйте подробностям заслонять собой главный вывод: со временем физические системы с фантастически высокой вероятностью развиваются от конфигураций с более низкой энтропией к конфигурациям с более высокой энтропией. Если система, такая как паровая машина, пытается поддерживать свою структурную целостность, она должна сдерживать естественное стремление к повышению энтропии, периодически передавая накопленную энтропию окружающей среде. Для этого машина должна выбрасывать лишнюю теплоту в окружающую среду.
Энтропийный тустеп
Если вы тщательно продумаете сделанные нами шаги, то увидите, что, хотя паровую машину мы разобрали вдоль и поперек, выводы наши выходят за рамки этого исходного пункта XVIII в. Суть нашего анализа — аккуратный учет энтропии, и такой учет можно провести в любом контексте. Это ключевой вывод, поскольку переход энтропии от паровой машины в окружающую среду через выброс теплоты всего лишь один из вариантов абсолютно повсеместного процесса, который мы встретим, когда будем отслеживать эволюцию космоса. Я называю его энтропийным тустепом, подразумевая при этом любой процесс, в котором энтропия системы снижается, поскольку он порождает более чем компенсирующее увеличение энтропии среды. Тустеп гарантирует, что, хотя энтропия, возможно, снижается здесь, она непременно повысится там, обеспечивая суммарный энтропийный рост, который следует из второго начала.
Энтропийный тустеп — основа того, как Вселенная на пути ко все большему беспорядку может тем не менее рождать и поддерживать упорядоченные структуры, такие как звезды, планеты и люди. Дальше мы будем раз за разом встречать тему о том, что, когда энергия течет через систему — как энергия от горящего угля течет через пар, обеспечивая выполнение работы, а затем уходит в окружающую среду, — она уносит прочь энтропию, поддерживая, таким образом или даже порождая, порядок на своем пути.
Именно этот энтропийный танец координирует подъем жизни и разума, а также почти все остальное, что, по мнению разума, имеет значение.
Вы — паровая машина
Учитывая важность сброса энтропии каждый раз, когда паровая машина начинает рабочий цикл, вам, возможно, любопытно, что произойдет, если сброс энтропии прекратится. По существу, отсутствие сброса энтропии эквивалентно отсутствию адекватного сброса теплоты, так что с каждым циклом машина будет греться все сильнее и в конечном итоге перегреется и сломается. Если паровую машину постигнет такая судьба, это может причинить кому-то неудобства, но — при условии, что обошлось без пострадавших, — не станет, скорее всего, ни для кого экзистенциальным кризисом. Однако те же физические принципы задействованы в вопросе о том, могут ли жизнь и разум существовать в будущем до бесконечности. Все очень просто: то, что верно для паровой машины, верно и для вас.
Вы, скорее всего, не считаете себя ни паровой машиной, ни, возможно, вообще физическим устройством. Я тоже лишь изредка описываю себя подобными терминами. Но подумайте: ваша жизнь включает в себя процессы не менее цикличные, чем те, что происходят в паровой машине. День за днем ваш организм сжигает пищу, которую вы съедаете, и воздух, который вдыхаете, чтобы обеспечить энергией работу внутренних механизмов и внешнюю деятельность. Даже мыслительная деятельность — молекулярное движение, происходящее в вашем мозге, — питается за счет этих процессов превращения энергии. Так что вы, как и паровая машина, не могли бы жить без сброса накопившейся энтропии путем отдачи излишней теплоты в окружающую среду. И действительно, вы это делаете. Мы все это делаем. Все время. Именно поэтому, к примеру, военные инфракрасные очки, призванные видеть теплоту, которую мы все непрерывно испускаем, так хорошо помогают солдатам замечать ночью противника.
Мы теперь можем более полно оценить умонастроение Рассела в тот момент, когда он представлял себе далекое будущее. Мы все ведем бесконечное сражение, чтобы противостоять упрямому накоплению отходов, неостановимому росту энтропии. Чтобы мы могли выжить, окружающая среда должна вбирать в себя и уносить прочь все отходы, которые мы вырабатываем, всю накапливаемую энтропию. Встает вопрос: обеспечивает ли среда — под которой мы в данный момент подразумеваем наблюдаемую Вселенную — бездонную пропасть, способную вечно поглощать такие отходы? Может ли жизнь танцевать энтропийный тустеп до бесконечности? Или когда-нибудь наступит время, что Вселенная окажется набитой под завязку и неспособной больше принимать лишнюю теплоту, выделяемую теми самыми действиями, что определяют нас? Станет ли это концом жизни и разума? Правда ли, что — согласно печальной формулировке Рассела — «вся многовековая работа, все служение, все вдохновение, весь блеск человеческого гения обречены на то, чтобы исчезнуть вместе с гибелью Солнечной системы; что храм человеческих достижений будет погребен под останками Вселенной»?17
Именно эти вопросы станут центральными для нас в следующих главах. Но мы немного забежали вперед. Прежде чем обсуждать жизнь и разум, давайте разберемся, какую роль энтропия и второе начало играют в формировании среды, без которой жизнь и разум не смогут закрепиться.
Для этого нам придется вернуться к Большому взрыву.
3
Энтропия и начало мира От возникновения к структуре
Когда математика позволяет ученым заглядывать в моменты, лишь доли секунды отстоящие от того, что могло быть началом Вселенной, близость к традиционным сферам религии заставляет некоторых считать, что существует глубокое сродство, или глубокая связь, или глубокий конфликт, ожидающие своего раскрытия. Именно поэтому мне задают вопросы о моих взглядах по поводу Творца почти столь же часто, как и о науке. Мало того, вопросы часто объединяют и то и другое. У нас в дальнейшем будет достаточно времени, чтобы рассмотреть подобные темы, но здесь мы разберем точку соприкосновения, отмеченную в конце предыдущей главы и важную для общей панорамы нашего рассказа: если второе начало термодинамики предписывает Вселенной неумолимый рост беспорядка, как может природа с такой готовностью порождать изящно устроенные высокоорганизованные структуры — от атомов и молекул, звезд и галактик до жизни и разума? Если Вселенная началась с невообразимого взрыва, как мог такой яростный старт дать начало всему этому порядку — от спиральных рукавов Млечного Пути до захватывающих дух земных ландшафтов, хитроумных связей и морщинистых извилин человеческого мозга, музыки, поэзии, литературы и науки, которые этот мозг рождает?
