Никола Кайтез
Философия энтропии. Негэнтропийная перспектива
Энтропия и неорганическая природа
Если ваша теория обнаруживает противоречия со вторым принципом термодинамики, я не оставляю вам никакой надежды. Ей не остается ничего другого, как рассыпаться в глубочайшем уничижении.
Артур Эдингтон
Существует реальность, строящаяся благодаря разрушающейся реальности.
Анри Бергсон
Размышляя о движущей силе огня, молодой инженер Николя Леонар Сади Карно, в честь которого был назван один из кратеров на обратной стороне Луны, попытался определить максимальный коэффициент полезного действия паровых машин. Он пришел к следующему заключению: чтобы получить тепловую машину, производящую механическую работу по циклическому принципу, нам необходимо иметь два тела с разной температурой. Разница энергетических потенциалов трансформирует теплоту в работу. В одном цикле (вследствие действия силы трения и других сил, противопоставленных движению) только часть абсорбированного тепла превращается в полезную работу, а другая часть передается холодному телу или окружающей среде, которые таким образом разогреваются, поскольку их температура ниже температуры рабочего тела. Совершенная работа равна разнице между принятой и переданной теплотой[11].
Это практическое наблюдение двадцатых годов XIX века разовьет, углубяя и укрепляя, целая генерация физиков. Квалифицируя связь механической работы и теплоты, они сформулируют закон сохранения и трансформации энергии. Таким образом будут очерчены принципы термодинамики. Аккумулированные знания из этой области систематизировали Вильям Томсон (известный как Кельвин), Герман фон Гельмгольц, Джозайя Гиббс и Рудольф Клаузиус.
Кельвин пришел к заключению, что в природе существует тенденция рассеивания энергии, и что невозможен циклический процесс, единственным результатом которого стало бы совершение работы за счет охлаждения теплового резервуара.
Согласно Гельмгольцу, в закрытой термодинамической системе, в состоянии равновесия, при постоянном объеме и постоянной температуре для получения работы необходимо уменьшение свободной энергии. Поскольку в закрытой системе количество свободной энергии конечно, она в какой-то момент будет полностью потрачена, все процессы остановятся и наступит состояние вечного покоя[12].
Гиббс исследовал общие условия термодинамического равновесия. Он пришел к выводу, что спонтанные реакции освобождают энергию, равную максимальному количеству работы, произведенной благодаря химической реакции. Этой энергии также ограниченное количество, поэтому в масштабах всего универсума, при условии, что речь идет о закрытой системе, все спонтанные возможности в какой-то момент будут исчерпаны.
Клаузиус в 1865 г. утверждал приблизительно следующее: всякая физическая система стремится к равновесию. В той степени, в которой она способна к обмену материей, энергией и информацией с другими системами целесообразным образом, она может отсрочить, замедлить состояние равновесия. Но при условии, что совокупность всех физических систем закрыта, т. е. нет других систем, с которыми мог бы состояться обмен, в какой-то момент вся вселенная придет в состояние термодинамического равновесия или тепловой смерти. В этом состоянии все энергетические различия будут нивелированы, завершатся все процессы, а всеобщая энергия будет навсегда потеряна для любой работы[13].
Согласно термодинамике, энергия, обладая способностью переходить из одного видав другой, не может быть ни создана, ни уничтожена. Теплота более теплых тел постоянно стремится путем теплопроводности и излучения перейти на менее теплые тела и достичь температурного равновесия. Если между всеми возможными силами, действующими в природе, нет ни одной, посредством которой теплота могла бы быть перенесена с более холодного тела на более теплое тело, тогда перед нами самый скрытый универсальный закон вселенной, подчиняющий себе всю природу[14].
Проблема в том, что теплота является самой неупорядоченной проявляемой формой энергии, в которую раньше или позже переходят все другие виды энергии. Если процессы во вселенной продолжат идти тем же путем – а тому свидетельствуют физика, формальная логика, да и здравый разум – в конце концов вся энергия перейдет в равномерную теплоту, и тогда наступит полное температурное равновесие; с того момента любая дальнейшая трансформация энергии станет невозможной и все процессы должны будут остановиться. Останется только пустота статического бытия и сингулярности, наступит состояние не только энергетического, но и всеобщего равновесия.
Итак, переход различных видов энергии в тепловую является доказательством роста энтропии. Организованное механическое движение направлено к хаотическому тепловому движению, так как работа легко, полностью и постоянно превращается в тепло, а тепло с трудом, не полностью и временно превращается в работу. Если бы температура во всем мире была бы равной, течение энергии, а тем самым и любое событие, были бы невозможны[15].
С философской точки зрения, все эти радикальные, конечные и, как утверждает термодинамика, необратимые процессы особенно важны и интересны, поскольку они касаются универсальных свойств макроскопических систем (способности передачи и преображения в них энергии). В естественно-научном смысле слова, термодинамика является феноменологической наукой, т. е. опирается на самые общие эмпирические факты и связана с суммарным знанием.
В термодинамике изучаются физические системы, состоящие из огромного числа частиц и находящиеся в состоянии термодинамического равновесия или в состоянии, близком к такому равновесию. Начала термодинамики претендуют на общность или хотя бы на автономию по отношению к деталям структуры материи на атомном уровне[16].
Начиная с Клода Шеннона, понятие об энтропийных тенденциях распространяется с физического на информационный мир. Вычисляется ожидаемая ценность информации, содержащейся в сообщении, а энтропия становится мерой среднего пропускаемого информационного содержания, когда неизвестна ценность случайной переменной.
Информация является отклонением от неупорядоченности, позволяя прийти к адекватному действию и решению. Невозможно, утверждает этот математик, совершить компрессию информации таким образом, чтобы энтропия символов была бы меньшей, чем энтропия их источника.
Иными словами, невозможно, чтобы процесс шел вопреки энтропии. Но возможна такая компрессия, при которой энтропия была бы приближена энтропии источника, чтобы вероятность потери информации была минимальной. А именно, при кодировке последовательности из источника с помощью кода с определенным алфавитом, возможно почти точное декодирование, то есть получение исходных символов. Количество информации математически обратно пропорционально энтропии. Любой вызов создает в сознании имплицитную информационную энтропию, так как в процессе мышления тратятся энергетические мощности, но ответы могут дать относительно негэнтропийный эффект.
При высокой упорядоченности системы требуется меньше информации для ее описания, тогда как при низкой упорядоченности отдельный знак системы переносит более неспецифическую, недифференцированную информацию (ее разрешение, а тем самым ценность, действенность, эффективность, полезность, пояснительная и творческая мощь и т. д. становятся все меньше). С одной стороны, чем больше разрешение картины мира, тем меньше объем познания. С другой, чем события глобальнее и удаленнее, тем меньше мы способны описать их последствия; но глобальная картина мира одновременно является негэнтропийной в смысле объема познания.
Являясь иерархией формальных структур, может пригодиться математика как наука о квантитативных отношениях и необходимых выводах. Этот образ универсальной грамматики, в какой-то степени язык, на котором написана книга Природы, не что иное, как наука о порядке – в смысле закономерности и абстрактных правильностей, структуры и логических связей. Ее цель – распознать и описать источники и виды порядка, а также связи между ними. Все это кажется негэнтропийным, т. е. выполняет функцию духа и творчества. Но, когда Курт Гёдель доказал, что любая формальная система в какой-то момент может расшириться с помощью дополнительных произвольных предпосылок, а любая формальная теория основывается на некой другой теории и недоказуема внутри собственной системы аксиом, потерпели крах стремления и надежды Давида Гильберта (и многих других) на то, что в математике возможно достижение абсолютной истины[17]. Любая произвольная предпосылка снова дестабилизирует систему (хотя иногда тем самым развивает и продвигает. Доказательство в более пространной теории требует еще более пространной теории и так без конца. Согласно Гёделю и Алану Тьюрингу всякая формальная аксиоматическая система является либо противоречивой (т. е. доказывает как истинные, так и ложные теоремы) или неполной (т. е. не доказывает все точные теоремы). В этой туманной системе, без твердых гарантий, информационная энтропия подстерегает на каждом углу.
Итак, даже математическое сознание, зеркало совершенного мира в представлении Пифагора, Платона, Лейбница, Канта и многих других, остается, по сути, не полностью аксиоматизированным. Все это ограничивает мощь математического рассуждения и мощь аксиоматического метода. Математика усугубила кризис, с которым пыталась справиться, т. к. стало ясно, что всякая формальная аксиоматическая система обладает ограниченными возможностями.
Но давайте абстрагируемся на минуту от этой критики совершенства дедуктивного мира. Предположим, что вероятность потери информации равна нулю, т. е. возможна абсолютная переводимость, полная аксиоматизация логико-математико-информационного мира. Исходя из этого мы утверждаем, что при трансформации формальных символов в физические (содержательные) объекты, вещи настолько усложняются, что энтропия не только бесконечно повышается (поскольку первоначально была равной нулю), но повышается до такой степени, что человеческий разум, по крайней мере на нынешнем этапе развития, не в состоянии понять принципы ее действия, а тем самым не может с ней справиться. Каждый очередной известный нам уровень будет лишь все дополнительно усложнять: неорганический, органический, инструментально-общественный, культурно-функциональный и духовно-творческий.
Такой ход вещей не удивителен: логико-математический мир является видом рая. Как и всякий другой рай, он одновременно и нулевая и абсолютная энтропия: нулевая, поскольку в нем все упорядочено, дифференцировано, точно, сформировано, полно, статично, определенно, эстетически и в любом другом смысле безупречно, равномерно, пропорционально, единообразно, вечно, идеально и совершенно распределено; а абсолютная, поскольку в нем не происходит ничего, нет вызовов, требующих ответа, нет отрицания и неравновесия, как мотора развития, нет дисгармонии и противоречий, даже нет материи и других границ для (новых) событий[18].
Если энтропия низкая, существует послание, а если высокая – существует шум. С формальной позиции о внутреннем порядке послания можем знать все, а о внутреннем беспорядке шума – ничего[19].
Первые противоречия
В термодинамике утверждается, что в живых организмах энергия одного вида превращается в энергию другого вида, из-за чего, несмотря на локальное уменьшение энтропии путем упорядочения процесса, повышается общая энтропия системы. В изоляции от окружения любой биологический организм быстро превратится в неупорядоченную смесь простых органических молекул. С этой точки зрения, хотя на микроуровне они противопоставлены энтропии, продолжение и существование жизни не могут препятствовать глобальной тенденции к увеличению беспорядка. Упорядочение, усложнение и дифференциация, которые достигаются абсорбцией энергии с помощью фотосинтеза, имеют свои границы. Если перейти эти границы, под угрозой окажется равновесие наиважнейших ресурсов жизненного цикла[20].
Увеличение энтропии присуще структуре универсума, но процесс стремления к равновесию пока слабее противостоящих ему сил. Многообразие бытия, т. е. циркуляция материи, все еще ускользает от равновесия, пока еще действует инерция Большого взрыва, как первоначального негэнтропийного события. Во Вселенной нет уже концентрации и упорядоченности энергии, свойственной ей в былые времена (звезды сегодня рождаются в несколько раз реже, чем несколько миллиардов лет назад; они тратят свою энергию, повышая энергию своего окружения, новые звезды образуются из оставшейся общей космической энергии, что не является бесконечным процессом), и Второй принцип термодинамики действует все быстрее и мощнее.
С другой стороны, расширение Вселенной сделало возможным процесс, противоположный энтропии: модусы существования стали богаче и разнообразнее, а существование жизни указало на непредвиденные возможности творчества. Однако стремлением к равновесию универсум стирает различия, уменьшая число оставшихся событий и производя некий вид космической глобализации.
Многообразие – способ борьбы с энтропией. Материальное многообразие противостоит всеобщему равновесию (точно так же, как биологическое разнообразие противостоит редукции жизненных модусов, а культурное многообразие нивелированию культуры). Разнообразие существования – это негэнтропийный процесс (т. к. вещи усложняются), но вместе с тем и энтропийный процесс (т. к. ускоряется приближение конца). Почему дом тяжелее построить, чем сломать? Потому, что дом – более высокий уровень организации, чем развалины. Почему тяжелее заработать деньги, чем их потратить? Потому, что нужно вложить больше энергии в заработок, чем в расходы. Почему лед имеет тенденцию таять? Потому, что молекулы H2О в ледяных кристаллах более упорядочены, чем в воде. Почему вода испаряется? Потому, что молекулы H2О в жидком состоянии более упорядочены, чем в газообразном.
Об опасности всеобщей энтропии нас предупреждают результаты научных, а не философских исследований. Но именно научные наблюдения – значительно больше, чем философские – дают множество оснований для более осторожного отношения к тому, чтобы рассматривать закон энтропии как всеобщий и необходимый.
Второе начало имеет только гипотетический характер, т. к. к нему пришли на основе ограниченного ежедневного опыта, являющегося лишь сомнительной аппроксимацией действительности. Эта аппроксимация слишком ненадежна, особенно имея в виду масштабы ее онтологических последствий. При этом в мире распространены системы, где происходит интенсивный обмен материей, энергией и информацией с внешней средой, а в таких высоко неравновесных системах возможны процессы, противостоящие второму закону термодинамики.
Скорость эволюции органического мира выше скорости эволюции неорганического мира, а скорость эволюции цивилизации превосходит скорость эволюции органического мира. С одной стороны, ускоряется расход энергии, что ускоряет энтропию; с другой – становится интенсивней изобретательская способность, что значительно увеличивает шансы разгадать тайну энтропии.
Ньютон, Кант и Пьер Симон Лаплас считали появление сложных структур во Вселенной результатом действия гравитации. Без этой космической силы, материя была бы рассеяна по бесконечному пространству и никогда бы не складывалась в массы звезд и других небесных тел. Под влиянием гравитации материальные системы усложняются. Гравитация ответственна за упорядоченную сложность Вселенной. Это хорошо понимал Константин Эдуардович Циолковский, развивший концепцию своего рода монистического панпсихизма: весь универсум является живым организмом, а всякая частица вселенной бессмертна и способна регенерироваться после всех вызовов бытия. Он предполагал, что во вселенной творческие антиэнтропийные силы жизни и разума имеют превосходство над бессмысленными, на первый взгляд неукротимыми, всеуничтожающими силами. Вместо деградации, широко распространяются процессы установления новых космических объектов (космические исследовательские станции, сателлиты, телескопы и другие сложные исследовательские артефакты являются началом инструментальных границ расширения ноосферы).
Циолковский был уверен в том, что материя изначально задумана для высших целей. Небесные огни, а тем самым и жизнь, не могут исчезнуть. Вечные атомы, блуждающие по вселенной, объединяются в молекулы и притягиваются к центрам планет, звезд и т. д., усиливая тем самым компрессию материи. Сложная материя силой гравитации организуется в группы, из которых образуются небесные тела. Собственно, современные физики в основном согласны с тем, что после Большого взрыва прежде гомогенный универсум под действием сил гравитации эволюционировал до известного нам состояния развитых галактических и звездных структур. В эволюции Вселенной число изменений постоянно росло, появлялись все новые формы энергии, новые взаимодействия, новые явления, новые события[21]. Организованные сложные системы (а универсум является наисложнейшей доступной нашему сознанию системой) имеют большую вероятность существования, чем отдельные. Без существенной причины атомы не распадаются на субатомные частицы, молекулы не распадаются на атомы.
Энтропия в закрытой системе необратима, это правило; но физики со временем осознали, что эта правильность основана не на движении атомов, а на статистических законах, что делает ее в некоторой мере относительной. У природных законов свои тенденции, но их действие не является необходимым в логико-математическом, дедуктивном смысле. Кроме того, знания, которыми мы располагаем, не предоставляют достаточно доказательств того, что Вселенная каузально и пространственно-временно изолированная, а тем более абсолютно закрытая система.
Людвиг Больцман связал энтропию с пониманием вероятности состояния, и указывал на неразрывность субатомной и макроскопической физики. Постоянная Больцмана говорит о стандартной девиации, об абсолютной степени дисперсии. Следовательно, энтропия связана с вероятностью. Все это имеет большое практическое значение. По мнению Больцмана, закон роста энтропии, т. е. рассеяния энергии, применим только к статистическим системам, состоящим из большого числа частиц в движении. Повторение событий подчиняется законам теории вероятности. Осознание того, что некий природный закон является не безусловным, а только статистическим, может иметь далеко идущие последствия для человеческого понимания природы[22]. Согласно великому физику, энтропия является вероятностью, а спонтанное проявление порядка и самоорганизации является случайностью. Однако, если любая отдельная частица в состоянии изменить направление движения, почему бы всей системе частиц не вернуться в исходное состояние?[23]
Итак, состояние системы – это статистическая функция состояния ее элементов. Энтропия – это статистическое свойство большого количества частиц, но не исключено, что оно может измениться, т. е., например, частицы возвратятся из неупорядоченности к порядку. Если в (макроскопической) вселенной Ньютона не допускаются подобные исключения, то в мире Больцмана рост энтропии является вероятным течением событий, но не исключается – даже предполагается – возможность маловероятных событий/флуктуаций, при которых энтропия уменьшается.
Неизвестно, всякий ли универсум должен обладать свойствами, обеспечивающими развитие в нем жизни, неизвестно достоверно, является ли жизнь необходимостью или случайностью, но известно, что существует как минимум один универсум, производящий своих наблюдателей. Вслед за Кантом, Джон Уилер (автор синтагмы черная дыра), утверждает, что наблюдатели необходимы для существования универсума. Универсум репродуцируется с помощью жизни интеллекта, являющегося его интегральной частью, т. о. речь идет о саморепродукции. Но, если учесть результаты исследований Гёделя и Тарского, напрашивается следующий вывод: абсолютную реконструкцию универсума не может осуществить сам универсум. Следовательно, приходится признать, что нам необходима другая система координат (например, мультиверсум), что, опять же, лишь отдаляет решение проблемы. При всей (безусловно, гипотетической) каузальной и пространственно-временной изолированности универсума трудно говорить о его абсолютной закрытости, а тем самым и об абсолютном действии закона энтропии.
Согласно новейшим исследованиям, так называемая квантовая запутанность дает наблюдателю более чем полное знание, так как квантовые корреляции мощнее классических. Путем извлечения из системы тепла в виде годной к употреблению энергии квантовая запутанность уничтожается, т. е. нельзя говорить о реальной возможности создания perpetuum mobile, но упомянутые исследования находятся на рубеже второго начала термодинамики. Одинаковый вид формул термодинамической и информационной энтропии предполагает существование между ними связи. Эта связь рассматривается как недостаток знания – недостаток, который невозможно преодолеть и объективировать адекватным технологическим скачком. Однако информация – фундаментальное свойство природы, определяющее внутрисистемное и межсистемное управление (организацию) во всех возможных взаимодействиях. Она определяет природные законы, а природа говорит шифрами.
Иначе говоря, все внутренние структуры мира, даже на молекулярном уровне, обладают памятью, где сохранены сведения об их возникновении. Информация имеет ничтожную массу по сравнению с процессами, которых она касается, что обеспечивает исключительную скорость передачи сигналов. При этом она относительно независима от данных процессов и обеспечивает информационные модели действительности. Человек в состоянии дешифровать закодированную информацию спроектированной функциональной структуры. Можно выразить эту мысль по-другому: информационная мощность является совокупностью знаний и умений, обеспечивающих стабильный процесс обмена отрицательной энтропией в соответствии с заданной целью системы[24].
Руководствуясь результатами исследований Жозефа Фурье, Клаузиус утверждал, что тепло не может само по себе (без компенсации) перейти с более холодного тела на более теплое. Но, возможно, это осуществимо каким-то особым, нам сегодня неизвестным образом? Может быть, благодаря силе и изобретательности человеческого или чьего-либо разума (который бы непосредственно использовал дополнительную энергию из трансцендентности) или благодаря какой-либо еще дополнительной работе? Может быть, возможна компенсация потерь, к которым приводит рассеяние энергии?
Но не следует быть несправедливым ко Второму началу термодинамики: оно не говорит о состояниях и процессах вне границ нашего универсума, поскольку рассматривает его как гипотетически закрытую систему.