Что такое жизнь?

Что такое энтропия? В первую очередь нужно заметить, что это не туманная концепция или идея, а измеряемая физическая величина, как длина прутка, температура в любой точке тела, теплота плавления кристалла или тепловая энергия вещества. При абсолютном нуле (приблизительно –273 °C) энтропия любого вещества равна нулю. Если небольшими, обратимыми «шажками» перевести вещество в любое другое состояние, даже при условии, что изменится его физическая или химическая природа либо оно разделится на две или более частей различной физической или химической природы, энтропия вырастет на величину, которую можно вычислить, разделив каждую небольшую порцию теплоты, что необходимо приложить в ходе данной процедуры, на абсолютную температуру ее приложения и сложив все эти небольшие вклады. Например, когда вы плавите твердое вещество, его энтропия возрастает на величину теплоты плавления, поделенную на температуру в точке плавления. Из этого следует, что энтропия измеряется в единицах кал/°C (так же, как калория есть единица теплоты, а сантиметр – единица длины).

Статистическое значение энтропии

Я упомянул это техническое определение исключительно ради того, чтобы развеять туманную завесу тайны, которая часто окутывает энтропию. Намного большее значение для нас имеет ее отношение к статистической концепции порядка и беспорядка – связь, которую выявили исследования Больцмана и Гиббса по статистической физике. Эта связь также имеет точное количественное выражение:

энтропия = k logD,

где k есть так называемая константа Больцмана (3,2983×10^–24 кал/°C), а D – количественная мера атомной неупорядоченности рассматриваемого тела. Дать точное краткое определение количества D, не прибегая к технической терминологии, не представляется возможным. Подразумеваемый ею беспорядок частично объясняется тепловым движением, частично – существованием произвольной, а не четко разделенной смеси различных атомов или молекул, как, например, молекул сахара и воды в приведенном выше примере. Данный пример хорошо иллюстрирует уравнение Больцмана. Постепенное «распространение» сахара по всему объему воды повышает неупорядоченность D, а следовательно (поскольку логарифм D возрастает вместе с D), энтропию. Также очевидно, что любой приток теплоты усиливает тепловое движение, то есть повышает D – и энтропию. Особенно наглядно это демонстрирует плавление кристалла: вы разрушаете аккуратную и стабильную организацию атомов или молекул и превращаете кристаллическую решетку в непрерывно изменяющееся случайное распределение.

Изолированная система или система в однородной среде, которую мы пока будем считать частью рассматриваемой системы, повышает свою энтропию и относительно быстро приближается к инертному состоянию максимума энтропии. Теперь мы видим, что этот фундаментальный закон физики лишь отражает естественное стремление вещей к хаосу, какую проявляют библиотечные книги или стопки бумаг и рукописей на столе, если этому не противостоять. В данном случае аналогом беспорядочного теплового движения являются наши руки. Они трогают эти предметы, не заботясь вернуть их на прежнее место.

Организация, поддерживаемая путем извлечения «порядка» из окружающей среды

Как выразить в терминах статистической теории удивительную способность организма замедлять стремление к термодинамическому равновесию (смерти)? Прежде мы говорили: «Организм питается отрицательной энтропией», – будто он привлекает к себе ее поток, чтобы скомпенсировать рост энтропии, обусловленный жизнедеятельностью, и тем самым сохранить постоянный, достаточно низкий уровень энтропии.

Если D – мера беспорядка, то обратная ей величина, 1/D, может считаться прямой мерой порядка. Поскольку логарифм 1/D равен отрицательному логарифму D, можно записать уравнение Больцмана следующим образом:

– (энтропия) = k log (1/D).

Теперь неуклюжее выражение «отрицательная энтропия» можно перефразировать более удачно: энтропия с отрицательным знаком есть мера порядка. Поэтому способ, которым организм постоянно поддерживает весьма высокий уровень упорядоченности (= весьма низкий уровень энтропии), в действительности заключается в непрерывном потреблении упорядоченности из окружающей среды. Этот вывод не столь парадоксален, сколь кажется на первый взгляд. Скорее его можно упрекнуть в тривиальности. На самом деле, в случае высших животных мы прекрасно знаем, какую упорядоченность они потребляют. Речь идет о высокоупорядоченном состоянии вещества в относительно сложных органических соединениях, которые служат им пищей. После использования животные возвращают вещество в деградированном виде – однако не в полностью деградированном, поскольку растения могут употребить его. Естественно, растения получают мощную дозу отрицательной энтропии в виде солнечного света.

Примечание к главе 6