Новая наука о жизни

Картина усложняется тем, что имеются поля различных типов. Во-первых, гравитационное поле, которое в общей теории относительности Эйнштейна приравнивается к пространству-времени, и считается, что оно искривляется в присутствии вещества. Вовторых, электромагнитное поле, в котором локализованы электрические заряды и через которое электромагнитные излучения распространяются как вибрационные возмущения. Согласно квантовой теории, эти возмущения есть подобные частицам фотоны, связанные с дискретными квантами энергии. В-третьих, в квантовой теории поля вещества субатомные частицы рассматриваются как кванты возбуждения материальных полей. Каждый сорт частиц имеет свой особый вид поля: протон — это квант протон-антипротонного поля, электрон — квант электрон-позитронного поля и так далее.

В этих теориях физические явления объясняются с помощью комбинации концепций пространственных полей и энергии, а не только на языке энергий. Таким образом, хотя энергия может считаться причиной изменения, порядок изменения зависит от пространственной структуры полей. Эти структуры производят физические эффекты, но они сами по себе не являются видами энергии; они действуют как «геометрические», или пространственные, причины. Принципиальное различие между этой идеей и представлением об исключительно энергетической причинности иллюстрируется контрастом между теориями гравитации Ньютона и Эйнштейна: например, согласно первой теории, Луна движется вокруг Земли, потому что притягивается к ней силой притяжения; согласно второй — Луна делает это, поскольку искривлено само пространство, в котором она движется.

Рис. 6. Диаграмма, представляющая нестабильное (А), стабильное (В) и отчасти стабильное (С) состояния

Современное понимание структуры химических систем зависит от представлений квантовой механики и электромагнетизма; гравитационные эффекты незначительны, и ими можно пренебречь. Возможные способы соединения атомов друг с другом даются известным из квантовой механики уравнением Шредингера, которое позволяет рассчитывать орбитали электронов на языке вероятностей; в квантовой теории поля вещества эти орбитали могут рассматриваться как структуры в электрон-позитронном поле. Но поскольку электроны и ядра атомов несут электрический заряд, они также связаны с пространственными структурами электромагнитных полей и, следовательно, с потенциальными энергиями. Не все возможные пространственные сочетания данного числа атомов имеют одинаковую потенциальную энергию, и только сочетание с наименьшей потенциальной энергией будет стабильно по причинам, указанным на рис. 6. Если система находится в состоянии с энергией большей, чем в возможных альтернативных состояниях, любое малое смещение (например, из-за теплового возбуждения) приведет к ее переходу в другое состояние (А). Если, с другой стороны, она находится в состоянии с энергией меньшей, чем в возможных альтернативных состояниях, после небольшого смещения она вернется в это исходное состояние, которое будет стабильным (В). Система может также временно находиться в состоянии, которое не является наиболее стабильным до тех пор, пока она не сдвинута выше «порогового» уровня (С); когда это случается, она переходит в более стабильное состояние с меньшей энергией.

Эти энергетические соображения определяют, какое состояние химической структуры является наиболее стабильным, но они не объясняют пространственные характеристики этого состояния; эти характеристики представлены на рис. 6 как линии, по которым катится шарик и которые действуют как барьеры, ограничивающие его движение. Эти барьеры зависят от пространственных структур, образуемых полями вещества и электромагнетизма.

Согласно второму закону термодинамики, спонтанные процессы в закрытой системе стремятся к состоянию равновесия; когда это происходит, изначальные различия в температуре, давлении и т. д. между различными частями системы стремятся к нулю. На техническом языке энтропия изолированной макроскопической системы либо остается постоянной, либо возрастает.