Джозеф Нидэм об эволюции и термодинамике

49 минут назад Прокомментировать Просмотры: 0

В 1942 году Джозеф Нидэм опубликовал статью ‘Эволюция и термодинамика: Парадокс с социальным значением‘. В ней рассмотрены три подхода к обсуждению роли энтропии в биологической эволюции, которые в различных вариациях используются и сегодня. Отправной точкой служит представление об энтропии как мере беспорядка, основанное на статистической интерпретации Больцмана. Если же рост беспорядка понимать как разрушение биологической организации, возникает вопрос о совместимости второго закона термодинамики с эволюцией жизни.

Первый подход предполагает наличие у живых организмов антиэнтропийных механизмов; Нидэм решительно его отвергает. Второй связан с идеями Артура Эддингтона и Эрвина Шрёдингера и опирается на принцип компенсации: возникновение биологической организации, или порядка, в одном месте сопровождается еще большим ростом беспорядка в другом. Нидэм критикует и это объяснение, предлагая собственное: биологическая организация не связана с мерой беспорядка, фигурирующей во втором законе, хотя сам закон при этом остается в силе.

Введение
Позиция Артура Эддингтона
Позиция Эрвина Шрёдингера
Позиция Джозефа Нидэма
Обсуждение
Список литературы

Введение

Джозеф Нидэм (1900–1995) — известный английский ученый с широким кругом интересов. На первом этапе научной карьеры он занимался биохимией, а затем обратился к изучению китайской цивилизации, пытаясь ответить на вопрос: «Почему современная наука впервые появилась в Европе, а не в Китае?». На русском языке с его биографией можно познакомиться во введении к книге Киктенко ‘Историко-философская концепция Джозефа Нидэма’. Хотя книга посвящена преимущественно второму периоду его работы, в начале первой главы рассказывается и о биохимических исследованиях ученого.

Статья ‘Эволюция и термодинамика: Парадокс с социальным значением‘ появилась в 1942 году, ближе к завершению первого этапа исследований Нидэма. Она сохраняет актуальность: вопрос о том, совместим ли второй закон термодинамики с биологической эволюцией, в той или иной форме обсуждается до сих пор. Исходную проблему Нидэм формулирует следующим образом:

‘Развитие современной науки привело к любопытному расхождению в картинах мира. Для астрономов и физиков космос, выражаясь популярными словами, постоянно «скатывается» к состоянию мертвой инертности, когда тепло равномерно распределяется по всей вселенной. Для биологов и социологов в части мира (и для нас это очень важная часть) в любом случае наблюдается прогрессивное развитие с тенденцией к росту, когда более низкие уровни организации сменяются более высокими. Для обычного человека противоречие, если таковое имеется, является нешуточным, потому что многие физики, объясняя свой взгляд на основе второго закона термодинамики, используют слово «организация» и говорят, что происходит ее разрушение. Есть ли здесь реальное противоречие? Если да, то как это можно его устранить?’

Нидэм рассматривает взгляды физиков Артура Эддингтона и Эрвина Шрёдингера. В их изложении биологическая организация отождествляется с порядком, а энтропия понимается как мера беспорядка. В результате второй закон оказывается связан с разрушением биологической организации. Нидэм выделяет и анализирует три возможных способа разрешить это противоречие:

Живые организмы используют антиэнтропийные механизмы.
Второй закон термодинамики соблюдается благодаря компенсации: создание порядка в одном месте сопровождается еще большим ростом беспорядка в другом.
Термодинамическая мера беспорядка не связана с биологической организацией, поэтому противоречия со вторым законом не возникает.

Первый вариант иллюстрирует высказывание физикохимика Гильберта Льюиса, считавшего, что живые организмы ‘жульничают в игре энтропии’:

‘Только они, по-видимому, способны противостоять мощному потоку необратимых процессов. Эти процессы разрушают, а живые существа созидают. В то время как остальной мир, по-видимому, движется к состоянию полной однородности, живой организм создает новые вещества и всё более сложные формы.’

Нидэм категорически отвергает такое объяснение. Замечу, что и сегодня его можно встретить в работах некоторых биологов и философов, неверно трактующих неудачный термин «отрицательная энтропия», введенный Шрёдингером. Второму подходу Нидэм уделяет значительно больше внимания: подробно разбирает и критикует его, а затем предлагает третий вариант решения.

В начале статьи Нидэм справедливо отмечает, что представления о порядке и беспорядке в физике связаны с методом ячеек Больцмана. При объяснении энтропии через число возможных перестановок, подобное перестановкам карт в колоде, более вероятные состояния считаются менее упорядоченными. Так возникает трактовка энтропии как меры беспорядка. Далее рассмотрены позиции Эддингтона и Шрёдингера, а затем — решение, предложенное Нидэмом. В заключительной части его подход сопоставляется со взглядами космолога Лайнвивера, изложенными в статье 2025 года.

Позиция Артура Эддингтона

Чтобы показать, как физики связывают энтропию с организацией, Нидэм обращается к книге Эддингтона ‘Природа физического мира‘ (The Nature of the Physical World, 1928):

‘Для того, чтобы придать миру хоть какой-то смысл, мы должны обратиться к одному выдающемуся закону, второму закону термодинамики. Это открывает новую область знания, а именно изучение организации; именно в связи с организацией впервые появляется направление течения времени и отличие между формированием и разрушением.’

‘Когда камень падает, он приобретает кинетическую энергию, количество которой достаточно, чтобы поднять камень обратно на его первоначальную высоту. С помощью соответствующих приспособлений можно использовать кинетическую энергию для выполнения этой задачи; например, если камень привязать к пружине, он может попеременно падать и подниматься, как маятник. Но если камень ударяется о препятствие, его кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Остается то же количество энергии, но даже если бы мы смогли собрать ее воедино и запустить в двигатель, мы не смогли бы таким образом поднять камень обратно. Что же произошло, что сделало энергию недоступной для использования? Рассматривая падающий камень в микроскоп, мы видим огромное множество молекул, движущихся вниз с равными и параллельными скоростями — организованное движение, подобное маршу полка. Мы должны обратить внимание на две вещи: энергию и организацию энергии. Чтобы камень вернулся к своей первоначальной высоте, он должен сохранить и то, и другое.’

Напомню, что именно Эддингтон связал второй закон со стрелой времени. В приведенном отрывке направление времени соотносится с организацией энергии: превращение организованной энергии в неорганизованную не позволяет обратить процесс вспять. Таким образом, необратимость реальных процессов объясняется утратой организации энергии. Нидэм цитирует и другую книгу Эддингтона — ‘Новые пути в науке‘ (New Pathways in Science, 1935). Этот фрагмент показывает, что физик связывал организацию энергии с биологической организацией:

‘В ходе роста по мере движения от прошлого к будущему человек становится все более и более высокоорганизованным — по крайней мере, он так себе это представляет. На первый взгляд это противоречит закону одностороннего движения, согласно которому более поздний момент соответствует большей дезорганизации. Но для применения закона мы должны поместить человека в изолированную систему. Если мы помешаем ему получать организованность из внешних источников, если мы ограничим его потребление пищи, питья и воздуха, он очень скоро придет в состояние, которое каждый назовет состоянием крайней «дезорганизации».’

У Эддингтона уже заметна идея компенсации, которую Шрёдингер сформулирует более отчетливо. Живой организм выступает как открытая система, получающая организованность извне; изоляция же ведет к разрушению биологической организации. Эддингтон исходит из различия между работой и теплотой на молекулярном уровне: работе соответствует упорядоченное движение молекул, теплоте — неупорядоченное. Однако при этом он смешивает организацию движения молекул при совершении работы с организацией организма в биологическом смысле. Это одна из трудностей научно-популярного изложения: одно значение слова незаметно подменяется другим. Далее я предлагаю собственный анализ позиции Эддингтона.

Сравним состояние камня до и после падения, предположив, что он не разбился. Такое допущение вполне согласуется с примером Эддингтона. При ударе камень немного нагреется, а затем его температура вновь сравняется с температурой окружающей среды. Однако нельзя сказать, что за это время изменилась организация самого камня. Термодинамика изучает процессы установления равновесия, в ходе которых энергия рассеивается. Хотя ее общее количество сохраняется, часть становится недоступной для дальнейшего использования. Это утверждение верно, но употребление Эддингтоном слова «организация» ведет к неверному толкованию при переходе к биологии.

Организм рождается и в конечном счете умирает. Для этого его не требуется помещать в изолированную систему, как в примере Эддингтона. Он развивается, а затем умирает, оставаясь открытой системой и существуя в целом в неизменных внешних условиях. Поэтому подхода Эддингтона недостаточно, чтобы объяснить возникновение и исчезновение биологической организации в данном случае.

Позиция Эрвина Шрёдингера

Статья Нидэма появилась раньше книги ‘Что такое жизнь?’ (1944), поэтому он обращается к другой работе Шрёдингера — ‘Наука и человеческий темперамент‘ (Science and the Human Temperament, 1935). В ней уже прослеживается мысль о том, что живые организмы получают порядок из окружающей среды:

‘Мы убеждены, что второй закон управляет всеми физическими и химическими процессами, даже если они приводят к самым сложным и запутанным явлениям, таким как органическая жизнь, зарождение сложного мира организмов с самого начала, а также возникновение и развитие человеческих культур. В этой связи вера физика в постоянно растущий беспорядок кажется несколько парадоксальной и может легко привести к очень пессимистичному непониманию тезиса, который на самом деле подразумевает не что иное, как конкретный смысл, придаваемый ему физиком. Поэтому необходимо небольшое пояснение.

Не утверждается ничего другого, кроме того, что общий баланс беспорядка в природе неуклонно возрастает. В отдельных частях вселенной или в определенных материальных системах движение вполне может быть направлено к более высокой степени упорядоченности, что становится возможным благодаря тому, что в некоторых других системах происходит адекватная компенсация. Итак, в соответствии с тем, что физики называют «порядком», тепло, накопленное Солнцем, представляет собой невероятное обеспечение порядка, поскольку это тепло еще не распределено равномерно по всей Вселенной (хотя оно определенно имеет тенденцию к такому рассеянию), а пока сосредоточено в пределах относительно небольшой части пространства.’

Шрёдингер формулирует принцип компенсации прямо. Организация у него связана с порядком, второй закон соблюдается, а беспорядок возрастает. При этом возникновение биологической организации на Земле объясняется увеличением беспорядка во Вселенной.

Как отмечалось выше, сопоставление энтропии с порядком и беспорядком возникает при интерпретации уравнения Больцмана для статистической энтропии изолированной системы. Менее вероятные состояния такой системы самопроизвольно сменяются более вероятными. Первые при этом считаются упорядоченными, вторые — неупорядоченными. Из этого вырастает метафора энтропии как меры беспорядка, а вместе с ней и необходимость объяснять биологическую организацию притоком порядка извне.

Подробную критику позиции Шрёдингера я привел в предыдущей статье ‘Эрвин Шредингер и отрицательная энтропия‘. Здесь отмечу лишь, что неудачный термин «отрицательная энтропия» побудил некоторых биологов и философов приписать живым организмам антиэнтропийные механизмы. Однако к такому выводу можно прийти лишь при невнимательном чтении Шрёдингера: как видно из приведенной цитаты, его позиция опирается на принцип компенсации.

Позиция Джозефа Нидэма

Нидэм предлагает разграничить термодинамический порядок и биологическую организацию:

‘мы подошли к соображениям, которые, по-видимому, довольно убедительно свидетельствуют о том, что принцип порядка в термодинамике в действительности фундаментально отличается от принципа организации в биологии.’

При этом он подчеркивает, что такое различие не отменяет действия второго закона в биологии. По мнению Нидэма, физики говорят не о биологической организации как таковой, а смешивают разные значения используемых слов. Следовательно, предполагаемого противоречия нет.

Эта позиция связана с философскими взглядами Нидэма. Киктенко характеризует их как неортодоксальный марксизм: ученый был верующим и разделял идеалы англиканской церкви. В биологии Нидэм принадлежал к сторонникам органицизма. Они решительно отвергали витализм, но полагали, что биологию нельзя свести к физике. Киктенко описывает этот подход следующим образом:

‘Он рассматривал существование как ряд уровней организмических отношений, а различные научные подходы понимал как поиск разных уровней объяснения. Согласно таким подходам, организм, конечно, состоит из физических и химических процессов, но уровень его организации требует биологической формулировки, отличной от знания физиков и химиков.’

Иными словами, Нидэм стремился к целостной картине мира, включающей и развитие общества. С этим связана и перемена направления его научной работы: от биохимии он перешел к исследованию китайской цивилизации.

Тем не менее в самой статье Нидэм аргументирует преимущественно с позиций естественных наук. Общество появляется в рассуждении лишь при обсуждении использования энергии. Первый закон выполняется, однако из второго закона не следует, что этот процесс непременно сопровождается распадом и деградацией общества.

Начинает Нидэм с примера самопроизвольного роста кристалла из перенасыщенного раствора в изолированной системе:

‘Когда кристаллы образуются самопроизвольно, это происходит в результате процессов, связанных с уменьшением свободной энергии. Поэтому физик должен говорить о росте беспорядка, но биолог, как специалист по структуре, не может не отметить, что в хорошо сформированном кристалле больше порядка и организованности, чем в однородном маточном растворе или в соответствующем газе.’

По мысли Нидэма, этот пример показывает, что рост беспорядка в изолированной системе не исключает повышения организованности. Он обращается к названию ненаписанной статьи, обнаруженному в архиве Гиббса: ‘On entropy as mixed-up-ness‘. Выражение mixed-up-ness Нидэм понимает как перемешиваемость и противопоставляет его обособленности.

Затем Нидэм рассматривает образование атомов. Можно сказать, что элементарные частицы перемешиваются и с точки зрения второго закона беспорядок растет. Однако одновременно возникают новые структуры и организация атомов. Нидэм полагает, что термин Гиббса позволяет разграничить обсуждение энтропии как меры беспорядка и вопрос о возникновении организации. Главный вывод его статьи состоит в том, что эти процессы не противоречат друг другу.

Обсуждение

Первый раздел статьи космолога Лайнвивера ‘За пределами второго закона: дарвиновская эволюция как тенденция к росту производства энтропии‘ (2025) озаглавлен ‘Биологи об энтропии‘. В нем показано, что подходы, рассмотренные Нидэмом, по-прежнему применяются в дискуссиях о биологической эволюции. При этом Лайнвивер отмечает, что некоторые биологи предпочитают вовсе не учитывать энтропию при изучении эволюции.

Сегодня физики понимают, что рассмотрение Больцмана ограничено идеальным газом; подробнее об этом см. мою предыдущую статью ‘Эволюция взглядов Людвига Больцмана‘. В этом смысле Нидэм ошибается: обсуждая рост кристалла из перенасыщенного раствора, физик не станет говорить об увеличении беспорядка. Он укажет, что это иной пример, который не следует смешивать со свободным расширением газа, лежащим в основе интерпретации Больцмана.

Лайнвивер справедливо подчеркивает необходимость перейти к рассмотрению производства энтропии. Кроме того, обсуждение биологической эволюции у Нидэма можно перевести на язык роста сложности. Благодаря физику Шону Кэрроллу для этого сегодня часто используется метафора смешивания сливок с кофе. Обратимся к фрагменту рисунка 2 из статьи Лайнвивера.

Джозеф Нидэм об эволюции и термодинамике — Рисунок из статьи Лайнвивера: три стадии смешивания сливок с кофе. Энтропия непрерывно растет, тогда как сложность достигает максимума в середине процесса.

Первую половину показанного процесса можно сопоставить с тем, как Нидэм использует концепцию Гиббса: обособленные компоненты перемешиваются, образуя структуры, в которых сохраняются определенные закономерности и организация. Однако в рассуждении Кэрролла дальнейшее развитие процесса ведет к тепловой смерти. В любом случае на ранних этапах развития Вселенной рост энтропии совпадает с увеличением сложности. Современные физики, таким образом, отходят от противопоставления порядка и беспорядка в пользу более точного рассмотрения самих процессов. В этом смысле критика Нидэмом упрощенных представлений Эддингтона и Шрёдингера сохраняет силу и согласуется с современным обсуждением вопроса.