Первая ключевая особенность современного понимания судьбы человечества – это концепция энтропии, или беспорядка, которая впервые возникла в физике XIX века, а в современном виде была сформулирована физиком Людвигом Больцманом[35]. Второе начало термодинамики гласит, что в изолированной системе (то есть в той, которая не взаимодействует с окружающей средой) энтропия никогда не уменьшается. (Первое начало гласит, что энергия сохраняется; третье – что температура абсолютного нуля недостижима.) Изолированные системы неуклонно становятся менее упорядоченными, менее организованными, менее способными к достижению интересных или полезных результатов – до тех пор, пока не скатываются в серое, безликое и однородное равновесие, в котором и остаются.
В своей первоначальной формулировке второе начало описывало процесс, в котором полезная энергия в виде разницы температур между двумя телами неизбежно рассеивается в ходе перетекания тепла от более нагретого к более холодному телу. (Как пели Майкл Фландерс и Дональд Сванн, «от холодного к горячему тепла не передать – ты можешь попытаться, но лучше сил не трать».) Чашка кофе, если только не поставить ее на электроплитку, со временем остынет. Когда в топке парового двигателя заканчивается уголь, остывший пар под поршнем больше не сдвинет его с места, потому что нагревшийся пар и воздух с противоположной стороны будут давить с равной силой.
Как только стало понятно, что тепло – это не невидимая жидкость, а энергия движущихся молекул и что разница между температурами двух тел – это разница между средними скоростями их молекул, возникла более общая, статистическая версия и концепции энтропии, и самого второго начала. Теперь макроскопический порядок можно было охарактеризовать как набор всех различных микросостояний системы (в изначальном примере с теплом это все возможные скорости и положения всех молекул обоих тел). Среди этих состояний те, что мы обычно считаем полезными (например, состояния, когда одно из тел теплее другого, то есть средняя скорость молекул в одном теле выше средней скорости молекул в другом), составляют лишь малую часть из всех возможных, тогда как беспорядочные или бесполезные состояния (при которых тела имеют одинаковую температуру, то есть средние скорости их молекул равны) составляют подавляющее большинство. Отсюда следует, что любая пертурбация в системе, будь то случайное колебание ее частей или пинок из внешней среды, по теории вероятности сдвинет систему в сторону беспорядка и бесполезности – не потому, что природа стремится к беспорядку, но потому, что беспорядочных состояний гораздо больше, чем упорядоченных. Если вы оставите без присмотра замок из песка, назавтра его уже не будет, потому что ветер, волны, чайки и дети непрестанно двигают песчинки, а количество непохожих на замок комбинаций песчинок несравнимо больше количества похожих. Я буду часто ссылаться на эту статистическую версию второго начала, которая относится не только к выравниванию температур, но и в целом к возрастанию неупорядоченности, называя ее законом энтропии.
Какое отношение энтропия имеет к человеческим делам? Жизнь и счастье зависят от бесконечно малого количества упорядоченных комбинаций материи среди астрономического числа прочих возможностей. Наши тела – крайне маловероятные сочетания молекул, которые поддерживают свою упорядоченность благодаря другим крайне маловероятным явлениям: нас может питать ограниченный ряд веществ, ограниченное число материалов в ограниченном количестве форм могут служить нам одеждой, жилищем или топливом для перемещения предметов по нашему желанию. Гораздо больше встречающихся на Земле комбинаций материи не имеют для нас никакой практической пользы, поэтому, когда вещи меняются не по воле человека, скорее всего, они меняются к худшему. В повседневной жизни закон энтропии часто проскальзывает в выражениях вроде «рассыпаться в прах», «время все перемелет», «дерьмо случается», «все, что может пойти не так, пойдет не так» и (как говорил знаменитый конгрессмен от штата Техас Сэм Рэйберн) «любой болван может развалить сарай, а новый построить под силу только плотнику».
В глазах ученых второе начало объясняет отнюдь не только неурядицы повседневной жизни. Оно составляет основу нашего понимания Вселенной и места человека в ней. В 1928 году физик Артур Эддингтон писал:
Закон о возрастании энтропии, на мой взгляд, занимает главенствующее место среди законов природы. Если кто-то скажет вам, что ваша любимая теория строения Вселенной не согласуется с уравнениями Максвелла, тем хуже для уравнений Максвелла. Если окажется, что ваша теория не подтверждается наблюдениями, – что ж, экспериментаторы иногда ошибаются. Но, если ваша теория противоречит второму началу термодинамики, надежды больше нет: остается только признать унизительное поражение[36].
В своей знаменитой кембриджской лекции 1959 года, опубликованной под названием «Две культуры и научная революция», ученый и писатель Чарльз Перси Сноу так отзывался о презрительном отношении к науке среди образованных британцев того времени:
Множество раз мне приходилось бывать в обществе людей, которые по нормам традиционной культуры считаются высокообразованными. Обычно они с большим пылом возмущаются литературной безграмотностью ученых. Как-то раз я не выдержал и спросил, кто из них может объяснить, что такое второе начало термодинамики. Ответом было молчание или отказ. А ведь задать этот вопрос ученому значит примерно то же самое, что спросить у писателя: «Читали ли вы Шекспира?»[37][38]
Химик Питер Эткинс в своей книге «Четыре закона, которые движут Вселенной» (Four Laws That Drive the Universe) под одним из вынесенных в заголовок законов имел в виду второе начало термодинамики. В более близкой мне области недавняя статья эволюционных психологов Джона Туби, Леды Космидес и Кларка Барретта об основах науки о разуме получила название «Второе начало термодинамики – это первое начало психологии»[39].
Откуда столько благоговения перед вторым началом? С точки зрения космического порядка оно определяет судьбу Вселенной и главную цель жизни, сознания и человеческих усилий: использовать энергию и знания, чтобы бороться с натиском энтропии и создавать островки благотворного порядка. С более приземленной точки зрения ответ может быть поконкретнее, но сначала мне необходимо ввести две другие фундаментальные идеи.
На первый взгляд, закон энтропии предполагает обескураживающую картину прошлого и мрачные перспективы в будущем. В момент своего зарождения в Большом взрыве Вселенная находилась в состоянии низкой энтропии при немыслимо высокой концентрации энергии. C тех пор дело шло под гору: Вселенная понемногу превращается в разреженную кашицу из равномерно распределенных в пространстве частиц и продолжит делать это и в будущем. В реальности, разумеется, Вселенная, какой мы ее застали, отнюдь не однородная масса. Ее монотонность оживляют галактики, планеты, горы, облака, снежинки и самые разные формы флоры и фауны, включая нас с вами.
Одна из причин, почему во Вселенной так много всего интересного, заключается в так называемых процессах самоорганизации, которые позволяют возникать ограниченным областям порядка[40]. Когда в систему поступает энергия и эта система начинает рассеивать энергию, наращивая энтропию, она может на время задержаться в упорядоченной и даже красивой конфигурации вроде сферы, спирали, звезды, вихря, волны, кристалла или фрактала. Тот факт, что мы находим эти конфигурации красивыми, кстати сказать, наводит на мысль, что красота все же существует не только в глазах смотрящего. Такая эстетическая реакция мозга может быть признаком заложенной в нас природой восприимчивости к противостоящим энтропии факторам.
Однако в природе присутствует и иная требующая объяснения упорядоченность: не изящная симметрия и ритмичность материального мира, но функциональное устройство живых организмов. Они состоят из органов с их разнородными частями, которые невероятными образом сформированы и соединены между собой так, чтобы обеспечивать процессы, поддерживающие в организме жизнь (то есть потребление энергии и противодействие нарастанию энтропии)[41].
Обычно сложность биологических систем иллюстрируют примером глаза, но я хочу продемонстрировать ее на примере моего второго самого любимого органа чувств. В человеческом ухе есть эластичная перепонка, которая вибрирует под действием малейшего колебания воздуха, костяной рычаг, который увеличивает силу вибрации, поршень, который передает вибрации в жидкость в длинном канале (удачно закрученном так, чтобы умещаться в стенке черепа), сужающаяся мембрана, которая тянется вдоль всего канала и физически раскладывает звуковые волны на гармонические составляющие, а также совокупность клеток с крошечными волосками, которые выгибаются вперед и назад под действием вибрации, посылая череду электрических импульсов в мозг. Невозможно объяснить, почему все эти мембраны, кости, жидкости и волоски расположены таким маловероятным образом, не приняв во внимание, что именно такое устройство позволяет мозгу воспринимать упорядоченные звуки. Даже мясистое внешнее ухо (асимметричное и по вертикали, и по горизонтали, со всеми его складками и желобками) имеет именно ту форму, благодаря которой направляет проходящий через него звук таким образом, что мозг способен распознать, где находится то, что шумит, – внизу или вверху, спереди или сзади.
Организмы изобилуют этими маловероятными конфигурациями плоти вроде глаз, ушей, сердец и желудков, каждая из которых прямо-таки требует объяснения. До 1859 года, когда Чарльз Дарвин и Альфред Рассел Уоллес нашли такое объяснение, разумно было полагать, что все это – дело умелых рук всевышнего проектировщика. Возможно, в том числе и по этой причине многие мыслители Просвещения были скорее деистами, нежели рьяными атеистами. Дарвин и Уоллес сделали проектировщика ненужным. Как только физические и химические процессы самоорганизации порождают конфигурацию материи, которая способна воспроизводить саму себя, ее копии начинают копироваться, что, в свою очередь, ведет к появлению копий копий, и так далее по экспоненте. Самовоспроизводящиеся системы должны конкурировать между собой за материю для создания копий и энергию для процесса копирования. А поскольку по закону энтропии никакое копирование не совершенно, в его ходе будут возникать ошибки, и, хотя большинство таких ошибок-мутаций пойдут системе во вред (вновь энтропия), иногда слепая удача породит ошибку, с которой система сможет воспроизводиться более эффективно и вытеснит всех конкурентов. Поскольку ошибки, которые идут на пользу стабильности и скорости копирования, накапливаются от поколения к поколению, такая самовоспроизводящаяся система – мы называем их организмами – в итоге будет оставлять впечатление, будто она изначально проектировалась с расчетом на выживание и размножение в будущем, хотя на самом деле она лишь сохраняла те ошибки копирования, которые способствовали выживанию и размножению в прошлом.
Креационисты зачастую искажают смысл второго начала термодинамики, утверждая, что биологическая эволюция как возрастание упорядоченности со временем физически невозможна. Они опускают важное уточнение: «в изолированной системе». Организмы – открытые системы: они получают энергию от солнца, из пищи или глубинных гидротермальных источников и используют ее, чтобы создать в своих телах и жилищах временные очаги упорядоченности, в свою очередь выбрасывая в окружающую среду тепло и отходы, увеличивающие неупорядоченность в мире в целом. Использование организмами энергии для поддержания своей целостности под натиском энтропии – это современное толкование принципа конатуса (импульса или усилия), который Спиноза формулировал как «стремление к тому, чтобы утвердиться и совершенствоваться в своем бытии» и который в эпоху Просвещения стал основой для нескольких теорий жизни и сознания[42].
Неотменяемая необходимость высасывать энергию из окружающей среды является причиной одной из трагедий живых существ. В то время как растения могут нежиться в лучах солнца, а некоторые морские существа – питаться химическим бульоном, который извергается из трещин в дне океана, животные рождены эксплуататорами: им приходится тяжким трудом добывать энергию из тел растений и других животных, поедая их. Тем же самым заняты вирусы, бактерии и прочие патогены и паразиты, терзающие тела изнутри. За исключением плодов, все, что мы называем «едой», является частями тела или запасами энергии других организмов, которые с радостью оставили бы эти сокровища себе. Природа – это война, и многое из того, что привлекает наше внимание в природном мире, – это гонка вооружений. Животные-жертвы защищаются посредством раковин, иголок, клешней, рогов, ядовитых желез, камуфляжа, способности летать и просто постоять за себя; растения вооружены шипами, кожурой, корой и тканями, пропитанными раздражающими и ядовитыми веществами. Животные вырабатывают приемы нападения, способные преодолеть эти защитные приспособления: у плотоядных есть скорость, когти и орлиная зоркость, а у травоядных – приспособленные для измельчения зубы и печень, расщепляющая натуральные яды.
Мы подходим к третьей ключевой особенности – информации[43]. Информацию можно понимать как снижение энтропии; это тот компонент, который отличает упорядоченную, структурированную систему от огромного числа систем беспорядочных и бесполезных[44]. Представьте себе страницы случайных символов, набранные на пишущей машинке обезьяной, или помехи в динамике радиоприемника, настроенного на частоту между станциями, или россыпь пикселей на экране компьютера при открытии поврежденного графического файла. Каждый из этих объектов может принять триллионы различных форм, и каждая из этих форм будет такой же скучной, как предыдущая. А теперь представьте, что эти приборы контролирует некий сигнал, выстраивающий символы, звуковые волны или пиксели в последовательность, которая соответствует какому-то явлению реального мира: Декларации независимости США, первым тактам песни Hey, Jude или коту в темных очках. В таком случае мы говорим, что сигнал передает информацию о декларации, песне или коте[45].
Объем информации, содержащейся в некой последовательности, зависит от того, насколько детально наше восприятие мира. Если бы нас волновала точная очередность символов, напечатанных обезьяной, или точная разница между двумя шумовыми всплесками, или точное расположение пикселей на конкретном дисплее с помехами, тогда мы бы сказали, что каждая из этих последовательностей несет столько же информации, сколько остальные. Интересные последовательности в таком случае несли бы даже меньше информации, потому что, когда смотришь на одну их часть (например, запятую), ты можешь угадать и другие (например, следующий за ней пробел) без помощи сигнала. Однако чаще всего мы сваливаем в одну кучу огромное большинство невнятных комбинаций, считая их одинаково скучными, и отделяем от них те немногие, которые соответствуют чему-то еще. С этой точки зрения фотография кота несет больше информации, чем россыпь пикселей, поскольку ее дурацкий смысл выделяет редкую упорядоченную комбинацию из огромного числа в равной степени неупорядоченных. Когда мы говорим, что Вселенная упорядочена, а не хаотична, мы имеем в виду, что она содержит информацию именно в таком понимании. Некоторые физики возводят информацию в ранг одной из базовых составляющих Вселенной наряду с материей и энергией[46].
Информация – это именно то, что накапливается в геноме в процессе эволюции. Последовательность оснований в молекуле ДНК соответствует последовательностям аминокислот в белках, из которых состоит тело организма, и эта последовательность сложилась в процессе уменьшения энтропии предков данного организма – формирования тех маловероятных конфигураций, которые позволяли им поглощать энергию, расти и размножаться.
Кроме того, информацию на протяжении всей жизни организма собирает его нервная система. Когда ухо преобразует звуки в нервные импульсы, два этих физических процесса – вибрация воздуха и диффузия ионов – не имеют между собой ничего общего. Но, благодаря корреляции между ними, определенная активность нейронов в мозге животного содержит информацию об определенном звуке во внешнем мире. Далее информация может переходить из электрической формы в химическую и обратно, пересекая синапсы между соседними нейронами, но при всех этих физических трансформациях сама она сохраняется неизменной.
Важнейшее открытие теоретической нейробиологии XX века заключалось в том, что нейронная сеть может не только хранить информацию, но и преобразовывать ее так, что это позволяет нам объяснить интеллектуальные способности мозга. Два входных нейрона могут быть соединены с выходным нейроном таким образом, что соотношения между их импульсами будут соответствовать логическому оператору, например И, ИЛИ и НЕ, или статистическому решению, принятому с учетом значимости входных данных. Это дает нейронной сети способность к обработке информации, то есть вычислениям. При достаточно большом размере сети, построенной из таких логических и статистических контуров (а в мозге с его миллиардами нейронов есть где развернуться), мозг может вычислять сложные функции, что является первым условием для умственной деятельности. Мозг может обрабатывать получаемую им от органов чувств информацию об окружающем мире, копируя действие законов, по которым живет реальный мир, что позволяет нам выводить полезные суждения и прогнозы[47]. Внутренние образы, которые надежно коррелируют с состояниями реального мира и участвуют в формировании суждений, чаще всего позволяющих перейти от верных предположений к верным выводам, можно назвать знанием[48]. Мы говорим, что человек знает, что такое дрозд, если мысль «дрозд» возникает в его сознании, когда он видит дрозда, и если он способен прийти к умозаключению, что это такая птица, которая появляется по весне и таскает червей из земли.
Возвращаясь к эволюции: мозг, который благодаря информации в своем геноме способен обрабатывать информацию, поступающую от органов чувств, может оптимизировать поведение животного для поглощения энергии и сопротивления энтропии. Например, он может установить правило: «Если оно пищит, гонись; если оно лает, спасайся бегством».
Погоня и побег, однако, представляют собой не просто последовательность сокращений мышц – это целенаправленные
О проекте
О подписке