Знание-сила, 2008 № 09 (975)

где S — энтропия, k — коэффициент, известный как постоянная Больцмана, W — число степеней свободы. Возьмем, к примеру, автомобили на городских улицах. Предположим, каждая машина в любой момент времени может двигаться в любом направлении. Такая система обладает максимумом степеней свободы и одновременно, как мы понимаем, характеризуется полным беспорядком. Упорядочение движения требует введения ограничений, которые предусмотрены правилами уличного движения: двигаться по одной стороне улицы, останавливаться перед запрещающим сигналом светофора, поворачивать в соответствии со знаками и т.п.

Каждое ограничение, налагаемое на систему, увеличивает степень ее упорядочения. Упорядочение — это ограничение свободы. Это — уменьшение энтропии.

Но правила уличного движения устанавливаются людьми. А возможно ли упорядочение, возникающее и развивающееся само по себе?

Здесь я хочу остановиться на двух понятиях, которые совокупно и составляют суть моей концепции упорядочения, ее я кладу в основу возникновения и эволюции жизни.

Во-первых, следует детализировать понятие энтропии.

Энтропия самопроизвольно идущего процесса всегда возрастает. Но если некий процесс имеет две составляющие, то возможна такая ситуация, при которой одна из составляющих общего процесса характеризуется повышением энтропии, а другая — ее понижением. При этом процесс в целом должен идти обязательно с повышением энтропии.

Нужно подчеркнуть, что речь идет не о том, что в каком-то месте осуществляется процесс с повышением энтропии, а в другом — с понижением. Речь идет о тесно сопряженных процессах, являющихся, по существу, разными сторонами одного и того же процесса. В химии сопряжение осуществляется, если продукт одной реакции является реагентом другой. Например:

AB + R = A + B

M+N = R +MN

Эти процессы можно сложить в один.

Источником понижения энтропии в одной реакции является повышение его в другой. Это похоже на связанные между собой зубчатые колеса. Вращение одного из колес по часовой стрелке приводит к вращению другого колеса против часовой стрелки.

Но это говорит лишь о том, что отдельные акты, отдельные эпизоды упорядочения, возможны. Жизнь характеризуется устойчивым развивающимся упорядочением. Чтобы понять, как это может происходить, следует обратиться еще к одному понятию, которое называется аттрактором.

Мир устроен так, что всякая система стремится к минимуму свободной энергии и к максимуму энтропии. В этом состоянии достигается равновесие. Если систему из этого состояния вывести, она снова будет стремиться к нему вернуться. «Стремиться» — вот решающее слово.

Для того чтобы происходило последовательное нарастание упорядочения, должно существовать устойчивое стремление к упорядочению, такое же, каким является стремление к разупорядочению, обусловленное вторым законом термодинамики. Стремление возникает, если существует так называемый аттрактор. Существование аттрактора проявляется в том, что если система выведена из некого устойчивого состояния, то аттрактор стремится вернуть ее в прежнее состояние. В химической системе аттрактором является достижение равновесия, которое характеризуется минимумом свободной энергии для этой системы и максимумом энтропии. Если в равновесную химическую систему добавить один из реагентов и тем вывести ее из равновесия, то система вновь вернется в это состояние. При условии, правда, что система будет не слишком далеко выведена из равновесия — не настолько, чтобы произошли необратимые изменения, — например, выпал осадок и т.п. Иначе говоря, изменения должны осуществляться в линейной области взаимодействий. Точно так же, если растянуть пружину, к которой прикрепили груз, то пружина вернет его в прежнее устойчивое состояние, если только растяжение не превысит порог деформации и пружина не будет разорвана.

Возможен ли аттрактор у явления упорядочения?

Процесс разупорядочения делает возможным процесс упорядочения

Возьмем процесс, похожий на равновесие, но отнюдь не равновесный — это стационарный процесс.

В стационарном процессе, так же, как и в равновесном, концентрации реагентов и продуктов остаются неизменными, но происходит это по другой причине. В стационарную систему реагенты постоянно подаются извне, по мере того, как они расходуются на образование продуктов, а продукты с той же скоростью непрерывно удаляются вовне. В результате концентрации реагентов и продуктов в стационарной системе остаются неизменными.

В отличие от равновесной системы, где свободная энергия достигает минимума, в аналогичной по составу стационарной системе энергия поддерживается на некотором уровне выше минимума, характерного для этой системы. Это значит, что поддержание стационарного состояния требует непрерывного расхода энергии и, следовательно, существования источника такой энергии.

Стационарная система находится в непрерывном вещественном обмене со средой, т.е. стационарная система — всегда открытая система.