Трактовка энтропии как меры беспорядка - несущий (базисный) элемент неявного знания, лежащего в основании современного научного знания. В статье показывается, что эта трактовка ошибочна и что она оказывает большое негативное воздействие на современную научную картину мира, деформируя ее. Выясняется, какие изменения повлечет за собой отказ от обсуждаемой трактовки для таких важных составляющих научной картины мира, как синергетика, теория естественного отбора и запрет на вечные двигатели 2-го рода.

The treatment of entropy as a measure of disorder is the bearing (basic) element of tacit knowledge which is lying on the grounds of the modern scientific knowledge. This article shows that this treatment is mistaken, and that it has a large negative effect on the modern scientific worldview deforming it. The article clarifies the changes which the rejection of this treatment would cause for the following important parts of modern worldview as synergetics, the theory of natural selection, and the prohibition of perpetual motion engines of the second kind.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: энтропия, сложность/беспорядок, несущий (базисный) элемент, неявное знание, научное знание, картина мира, синергетика, теория естественного отбора, вечные двигатели 2-го рода, тепловая энтропия, полная энтропия,

KEY WORDS: entropy, complexity/disorder, bearing (basic) element, tacit knowledge, scientific knowledge, worldview, synergetics, the theory of natural selection, the perpetual motion engines of the second kind, thermal entropy, total entropy.

Как стало понятно в XX в., научная картина мира базируется на неявном (терминология М. Полани), или фоновом (К. Поппер), знании. Одним из его несущих (базисных) элементов, судя по всему, вот уже полтора века является трактовка энтропии как меры беспорядка, которая играет чрезвычайно большую роль во всей культуре, всесторонне обыгрываясь в рассказах, романах, пьесах, кинофильмах и пр. Отметим, однако, тот поразительный факт, что ее справедливость для реальных систем никогда и никем не была доказана. Никто даже не обсуждал сколько-нибудь серьезно связи энтропии с беспорядком. Классики физики только касались этой связи, считая ее, по всей видимости, очевидной.

Понятие энтропии было введено Р. Клаузиусом (1865), который трактовал рост энтропии как тенденцию к выравниванию температуры по объему. Эта же мысль присутствует в книге «Теория теплоты» Дж. Максвелла (1871). В статье Л. Больцмана 1877 г. говорится, что энтропия характеризует равномерность описывающего систему распределения, а в «Лекциях по теории газов» (1895-1898) он уже связывает вероятность состояния, а, следовательно, и энтропию, с неупорядоченностью. Больцман говорит об этой связи как бы вскользь, между делом. По-видимому, она стала уже к тому времени достаточно общим местом, не вызывающим особого интереса. Г. Гельмгольц в 1883 г., т.е. в промежутке двумя упомянутыми работами Больцмана, говорит об энтропии как мере дезорганизации. И, как и другие авторы, не фокусирует на этом внимания. Детально обсуждались только апокалиптические последствия этой столь бесспорной для всех связи - неизбежное прекращение всех процессов во Вселенной во всеобщем хаосе и грядущая гибель всего живого на Земле.

Все это тем более странно, что тождественность энтропии с беспорядком и не может доказана в принципе. Дело в том, что беспорядок/сложность - это, как говорят в теории измерения, латентная переменная, или латента, т.е. она непосредственно не наблюдаема, представляя собой не более чем представление субъекта измерения об измеряемом свойстве. Непосредственно наблюдаемы (измеряемы) индикаторы, значения которых связывают со значениями латент специальные конструкции - метрические модели, общепринятой теории которых до сих пор не существует [Хайтун 1989].

Проще говоря, сложность вводится «на глазок». Энтропия - тоже латента, существующие для нее количественные выражения не позволяют непосредственно определять (измерять) ее значения для реальных систем. Причем, в отличие от латенты «беспорядок/сложность», у нас нет путей оценки значения латенты «энтропия» для реальной системы даже «на глазок». Так что тождественность для реальных систем этих двух латент - энтропии и беспорядка/сложности - могла быть только постулирована. То, что энтропия реальных систем является мерой беспорядка, классиками физики и было постулировано, только без артикуляции самого факта постулирования. Постулировано втемную.

Впрочем, для неявного знания это нормально. Оно тем и отличается от научного, что никто не занимается обоснованием его положений. Зато нельзя и оспорить. Неявное знание построено на вере, что и делает его таким живучим. Трактовка энтропии как меры беспорядка тоже является элементом верований. Странно, конечно, что веру в истинность трактовки энтропии как меры беспорядка породили именно ученые, назначением которых, казалось бы, является не создание новых верований, а нечто прямо противоположное. Ученые, однако, тоже люди, ничто человеческое нам не чуждо.

Как ни живучи положения неявного знания, многие из них наукой со временем все же отвергаются.

Ошибочность трактовки энтропии как меры беспорядка

Тождественность энтропии с беспорядком не только никем никогда не была доказана и не только не может быть доказана в принципе, но и прямо противоречит реально наблюдаемым фактам, ибо эволюция наблюдаемого мира - неорганическая, органическая и социальная - идет не в сторону упрощения эволюционирующих систем, как предписывает эта трактовка в сочетании с законом возрастания энтропии, но в прямо противоположном направлении - в сторону их усложнения.

Противоречие обсуждаемой трактовки энтропии фактам побудило целый ряд исследователей подвергнуть в последней трети XX - начале XXI вв. эту трактовку сомнению, высказав аргументы в пользу того, что рост энтропии вовсе не препятствует росту сложности. Этих ученых можно условно разделить на две группы.

Ученые первой из них доказывают, что рост энтропии может сопровождаться ростом сложности даже в изолированных системах. Одни авторы винят в возникающих трудностях понятие беспорядка/сложности, предлагая его скорректировать (П. Райт, С. Бир, С.М. Стишов) или даже вовсе от него отказаться (Н. Георгеску-Роеген), другие покушаются на понятие энтропии, модернизируя (А.М. Хазен, А.П. Левич) или даже отвергая его (М.И. Штеренберг). Я.Б. Зельдович и И.Д. Новиков, а также А.Н. Панченков объясняют усложнение пространственных структур упрощением импульсных. Е.А. Седов компенсирует рассеяние тепловой энергии концентрацией массы под действием сил гравитации. В более поздних работах он связывает упорядочение материи на верхних уровнях структурной организации с ее разупорядочением на нижних. П.Т. Ландсберг полагает, что уменьшение энтропии распределения, вызванное усложнением его формы, может быть превзойдено увеличением энтропии, вызванным расширением распределения за счет роста числа возможных микросостояний. Свои версии этой идеи высказывают Д. Лэйзер, Д.С. Уикен, С. Фраучи. Ф.А. Цицин приходит к выводу о возможности уменьшения энтропии изолированной системы при одновременном росте вероятности ее состояния, объясняя возникновение этих противоречащих принципу Больцмана ножниц между энтропией и вероятностью состояния флуктуациями энтропии.

Ученые второй группы объясняют эволюционное усложнение давлением взаимодействий. Этой точки зрения придерживались, надо сказать, еще И. Ньютон, И. Кант и П. Лаплас, говоря конкретно о гравитации, однако они, естественно, не соотносили идею эволюционного усложнения с законом возрастания энтропии, который был сформулирован позже. Это делают за них С.Г. Суворов, И.Л. Генкин, К.М. Кавес, М.Н. Матвеев, Р. Пенроуз (что не мешает последнему традиционно объяснять усложнение органического мира на Земле потоком негэнтропии извне), Р. Дж. Акерсон, а также упомянутый выше М.И. Штеренберг.

По-хорошему, здесь следовало бы дать ссылки на все эти работы, однако это слишком удлинило бы список литературы. Более подробные сведения о них читатель найдет в наших работах, указанных в следующем абзаце.

При всей несомненной ценности работ, о которых только что шла речь и авторы которых в той или иной степени приближаются к пониманию того, что рост сложности не противоречит росту энтропии, ни один из них не заявил об отказе от трактовки энтропии как меры беспорядка из-за ее ошибочности. Это сделали, насколько мне известно, только три автора, работавшие независимо друг от друга: советский (российский) ученый Ю.П. Петров [Петров 1970], член Лондонского Королевского общества Кеннет Денбиг [Денбиг, Денбиг 1985; Денбиг 1989; Денбиг 1995] и пишущий эти строки [Хайтун 1991; Хайтун 1994; Хайтун 1996, гл. 9; Хайтун 2001; Хайтун 2005, гл. 3; Хайтун 2009, прил. 3]. Кратко воспроизведем здесь соображения, приводящие к выводу об ошибочности трактовки энтропии как меры беспорядка.

Начнем с того, что обсуждаемая трактовка энтропии подпирается мощным пластом эмпирических фактов. Температура вследствие переноса тепла выравнивается, газ расширяется в сторону меньшего давления до выравнивания давлений, компоненты смеси вследствие диффузии распределяются по объему всё более однородно, молекулы при высокой температуре распадаются на ионы, оборудование изнашивается, квартиры и дома приходится постоянно ремонтировать, все мы стареем. И т.д. и т.п. На основании этих и подобных фактов в физике закон возрастания энтропии и «формулируется как эволюционный закон непрерывной дезорганизации, или разрушения изначально заданной структуры» [Гленсдорф, Пригожин 1973. 259].

Однако наряду с этим пластом эмпирических фактов существует и другой, не менее мощный и обратный первому. Множество явлений демонстрирует нам, что более сложные системы в «собранном» виде зачастую обладают большей вероятностью состояния (энтропией), чем в «разобранном» на части. Атом при нормальных условиях не распадается на составляющие его элементарные частицы, молекулы сами собой не рассыпаются на атомы. Следовательно, в обоих этих случаях более сложная структура имеет бóльшую энтропию. Ионы при невысокой температуре сами собой объединяются в молекулы. Переохлажденная жидкость, даже будучи изолированной, если в нее до изоляции попала соринка, сама собой кристаллизуется с образованием более сложной структуры. В современной космологии наиболее распространенной является точка зрения, согласно которой после Большого взрыва ранняя однородная Вселенная под действием сил гравитации эволюционировала со временем к нынешнему состоянию с развитой галактической и звездной структурой.

О возрастании энтропии изолированной системы говорит так называемая глобальная формулировка закона возрастания энтропии. Действует, однако, как известно, еще и локальная формулировка, согласно которой развитие реальных систем идет с положительным производством (положительной скоростью возникновения) энтропии в каждом достаточно большом элементе их объема. «Достаточно большом» здесь означает - в статистическом смысле, чтобы можно было исключить случайные флуктуации, вероятность которых резко падает с их величиной.

Производство энтропии, делаем мы вывод, положительно как в системах, в которых хаос рождается из порядка, так и в системах, в которых, наоборот, порядок рождается из хаоса. Производство энтропии положительно всегда и везде, в любой реальной системе и ее окружении (среде), в каждом элементе их объема. Это может означать только то, что применительно к реальным системам энтропия не является мерой беспорядка.

Мы пришли к этому выводу феноменологически. Постараемся теперь обосновать его теоретически.

Известно, что трактовка энтропии как меры беспорядка приближенно справедлива для отдельно взятого математического распределения, имеющего, как это принято, фиксированную (единичную) площадь под кривой. Говоря точнее, энтропия такого распределения тем больше, чем распределение шире. С другой стороны, распределение тем шире, чем менее оно изрезано, т.е. чем оно проще (менее упорядочено) по форме ¹.

Представим себе теперь, что данная материальная система характеризуется фиксированным числом переменных. На множестве значений этих переменных введем функцию распределения, которая будет характеризовать вероятность того, что система пребывает в том или ином состоянии, характеризуемом тем или иным набором значений переменных. Сложность формы этого распределения отражает сложность нашей материальной системы: чем сложнее распределение, т.е. чем оно более изрезано, тем сложнее и наша система. Но энтропия этого распределения, т.е. энтропия системы, будет тем больше, чем менее упорядочено описывающее ее распределение, чем оно проще по форме. Получается, что для нашей материальной системы трактовка энтропии как меры беспорядка справедлива. Что, как мы теперь знаем, определенно не так. Что-то не так, стало быть, в этих наших рассуждениях.

И нетрудно понять, чтó. Мы опирались на предположение, что в ходе происходящих с нашей системой изменений набор описывающих ее переменных остается неизменным, изменяется же только действующее на этих переменных распределение. К реальным системам, однако, это предположение имеет весьма косвенное отношение. Особенно это наглядно применительно к эволюции всего наблюдаемого мира. В ходе эволюции Вселенной множество переменных постоянно росло, появлялись все новые формы энергии, взаимодействий, явлений. Вначале происходила только неорганическая эволюция, в ходе которой разнообразие форм энергии и взаимодействий также росло. Наращивал свое разнообразие, т.е. и разнообразие множества переменных, в ходе своей эволюции и органический мир. Далее возник социальный мир, породивший новое множество переменных и распределений по ним. Энтропия же реальной системы - это интегральная характеристика «ширины» всего множества распределений системы, и как там в том или ином случае сыграет все это множество распределений значений постоянного изменяющегося множества переменных, просчитать абсолютно невозможно.

Понятно, что в ходе эволюции суммарно разнообразие Вселенной растет, а, следовательно, растет и общая ширина характеризующего ее интегрального распределения - за счет наращивания числа переменных и множества их значений, но что происходит в отдельных фрагментах Вселенной, с отдельными составляющими ее материальными системами - туман полный. Бывает по-разному. Вот почему в ходе роста энтропии Вселенной общая ее (Вселенной) сложность растет, однако для составляющих Вселенную реальных (под)систем энтропия мерой беспорядка/сложности не является.

Здесь необходимо рассеять одно заблуждение. Как упоминалось, Ньютон, Кант и Лаплас и названные выше их современные последователи объясняют возникновение сложных структур во Вселенной действием гравитации. Вот как, например, писал об этом Ньютон 10 декабря 1692 г. в письме к Р. Бентли: «Что касается Вашего первого вопроса, мне кажется, что если бы вещество нашего Солнца и планет и всё вещество Вселенной было равномерно рассеяно [scattered] по всему небу, и каждая частица обладала врожденным [innate] тяготением ко всему остальному, и всё пространство, по которому это вещество рассеяно, было бы, тем не менее, конечным, то вещество с наружной стороны этого пространства направлялось бы в середину всего пространства и образовало бы там одну, большую сферическую массу. Но если бы вещество было равномерно распределено [diffused] по бесконечному пространству, оно никогда бы не собралось в одну массу, но некоторое количество его собралось бы в одну массу, и некоторое количество в другую, так чтобы создать [so as to make] бесконечное количество больших масс, рассеянных на больших расстояниях друг от друга по всему бесконечному пространству. И так могли быть образованы Солнце и Неподвижные [Fixt] Звёзды, если считать, что вещество имеет постижимую [lucid] природу» [Турнбол (ред.) 1961, 234].

Вроде бы получается, вопреки сказанному нами выше, что материальная система под действием одних только гравитационных взаимодействий усложняется, так что для таких систем энтропия является мерой сложности. Необходимо, однако, принять во внимание, что система масс, в которой на протяжении длительного времени действует только гравитация, - это идеализация, весьма далекая от действительности. В реальности все происходит именно так, как это было описано нами выше: в ходе эволюции такой системы (Вселенной) возникают все новые формы энергии, взаимодействий и т.д.

Как уже говорилось, неявное знание потому и не включается в научное (явное), что оно (неявное знание) не вполне логично, плохо обоснованно, непроработано, размыто. С трактовкой энтропии как меры беспорядка дела именно так и обстоят, что не мешает этой трактовке быть в каждой научной бочке затычкой, или, говоря другими словами, несущим элементом современной научной картины мира. Причем, если бы кто-то взялся проговорить всю логику обоснования того или иного научного положения с помощью этой трактовки, то всё, связанное с этой трактовкой, уже давно бы посыпалось. Однако никто пока этого не делал, что позволило и самой трактовке энтропии как меры беспорядка, и связанным с ней научным заблуждением благополучно дожить до наших дней.

Попытаемся переломить эту ситуацию. Мы пришли к выводу, что применительно к реальным системам трактовка энтропии как меры беспорядка ошибочна. Посмотрим, как это вполне радикальное изменение в неявном знании скажется на современной научной картине мира.

Синергетика

По мнению многих авторов, с которым я солидарен, ядро современной научной картины мира составляют универсальный эволюционизм и синергетика, которые иногда рассматривают, и это опять же представляется справедливым, как единую парадигму/исследовательскую программу. «...Универсальный эволюционизм согласно В.С. Степину, представляет собой соединение идеи эволюции... с идеями системного подхода. В контексте "встречи" названных идей возникла синергетика - новое междисциплинарное направление, ставящее своей стратегической целью открытие (конструирование) закономерностей (принципов), лежащих в основе самоорганизации, изучаемых различными науками» [Аршинов, Буданов 2004, 374-375]. «В современной научной картине мира... центральной парадигмой является эволюционно-синергетическая парадигма» [Черникова 2008, 155]. «В методологическом плане синергетика представляет собой общую парадигму эволюции» [Удумян 2004, 127]. «Синергетика - это область знания, ориентированная на выявление общих принципов эволюции и самоорганизации сложных систем... синергетика становится источником нового взгляда на мир, нового - эволюционного и холистического - видения мира» [Курдюмов, Князева 1994, 163].

Беда, однако, в том, что все поры синергетики сегодня пропитаны идеями концепции диссипативных структур Ильи Пригожина, которая, в свою очередь, вся построена на трактовке энтропии как меры беспорядка и вытекающем из нее выводе, что процессы самоорганизации могут протекать только в открытых системах: «Синергетика изучает открытые (обменивающиеся веществом, энергией и информацией с внешним миром)... системы» [Князева 1995, 19]. «Активное изучение явлений самоорганизации в неорганической природе было подготовлено накоплением многочисленных наблюдений, данных о функционировании физических и химических систем, в которых из хаотических состояний возникают высокоупорядоченные пространственные, временные или пространственно-временные структуры. Как и в органическом мире, такие системы могут функционировать лишь за счет поступления потока энергии и вещества. Выявление общих закономерностей очень сложных процессов самоорганизации оказывается все же возможным. Эта задача была сформулирована в новом научном направлении - синергетике, которая ставит своей целью универсальное описание физических, химических, биологических и социокультурных явлений в аспекте проблемы самоорганизации» [Удумян 2004, 125].

Первым, надо сказать, эту идею высказал еще Людвиг Больцман в статье «Второй закон механической теории тепла» 1886 г. применительно к живым организмам: «Всеобщая борьба за существование живых существ - это борьба не за строительный материал для тела - составные элементы всех организмов имеются в избытке в воздухе, в воде и в недрах Земли - и не за энергию, которая в изобилии содержится во всяком теле, к сожалению, в форме непревращаемой теплоты. Но это - борьба за энтропию², которая становится доступной при переходе энергии от горячего Солнца к холодной Земле (курсив мой. - С.Х.)» [Больцман 1905, 40].

Эстафету из рук австрийского физика подхватил другой австрийский физик - Эрвин Шрёдингер. Его первой и самой сильной любовью был закон возрастания энтропии. Будучи «мобилизованным» квантовой механикой и получив за нее в 1933 г. Нобелевскую премию, он в 1940-х годах вернулся к первой любви, выпустив в 1944 г. книгу «Что такое жизнь? Физические аспекты живой клетки». Его концепция исходит из идеи, согласно которой живая система обеспечивает свою жизнеспособность за счет среды, черпая в ней упорядоченность, т.е. отрицательную энтропию (негэнтропию).

Идею Больцмана Шрёдингер формулирует своими словами. Организм, пишет он, может избежать состояния максимальной энтропии, которое представляет собой смерть, т.е. «оставаться живым только путем постоянного извлечения из окружающей его среды отрицательной энтропии, которая представляет собой нечто весьма положительное... Отрицательная энтропия - вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив (курсив мой. - С.Х.)» [Шрёдингер 1947, 102].

Подчеркнем, что краеугольным камнем концепции Шрёдингера является понимание энтропии как меры беспорядка. В этой связи он констатирует удивительную способность «организма концентрировать на себе "поток порядка", избегая таким образом перехода к атомному хаосу, - способность "пить упорядоченность" из подходящей среды» [Шрёдингер 1947, 108].

И уже у Шрёдингера эстафету принимает Илья Пригожин. Центральное место в его концепции занимают диссипативные структуры, понятие о которых было специально им введено, чтобы более наглядно состыковать эволюционный рост сложности с ростом энтропии, и которые потому так и были названы, что по определению рассеивают (диссипируют) в среде возникающую в них энтропию, благодаря чему и усложняются. «Ныне мы знаем, что вдали от равновесия могут спонтанно возникать новые типы структур. В сильно неравновесных условиях может совершаться переход от беспорядка, теплового хаоса, к порядку. Могут возникать новые динамические состояния материи, отражающие взаимодействие данной системы с окружающей средой. Эти новые структуры мы назвали диссипативными структурами, стремясь подчеркнуть конструктивную роль диссипативных процессов в их образовании» [Пригожин, Стенгерс 1986, 54].

Особое внимание уделяет Пригожин термодинамическим флуктуациям, возлагая на них ответственность за возникновение новых структур и вводя понятие порядка через флуктуации. «Наше утверждение состоит в том, что новая "структура" всегда является результатом неустойчивости и возникает из флуктуаций» [Гленсдорф, Пригожин 1973, 9].

Тезис Пригожина и возглавляемой им Брюссельской школы об определяющей роли термодинамических флуктуаций в самоорганизации диссипативных структур произрастает из, мягко говоря, устаревшей сегодня флуктуационной гипотезы Больцмана. Какая сила заставляет цепочку флуктуаций выстраиваться в ходе эволюции в определенном направлении - в сторону усложнения, а не в сторону упрощения? Этим вопросом Пригожин с коллегами не задаются. На мой же взгляд, флуктуация играет здесь отнюдь не упорядочивающую, но только триггерную роль: в точках ветвления эволюционных ветвей система выбирает через флуктуации один из путей усложнения, и только.

Однако главный мой упрек концепции Пригожина и базирующейся на ней сегодня синергетике состоит в том, что они неверно оценивают эволюционную роль открытых систем. Дело совсем не в том, что в изолированной системе рост энтропии с усложнением структуры, якобы, невозможен. Возможен, потому что трактовка энтропии как меры беспорядка ошибочна, однако этот рост рано или поздно прекращается. И тем скорее, чем меньше эта изолированная система и чем раньше, соответственно, будут исчерпаны ресурсы внутренних взаимодействий по части превращения друг в друга. Если верны гипотеза о фрактальности Вселенной и базирующиеся на ней аргументы автора этих строк, то наша Метагалактика представляет собой изолированную систему (черную дыру) [Хайтун 2004; Хайтун 2005, гл. 6], что однако не мешает этой гигантской системе благополучно эволюционировать в сторону усложнения вот уже 13,7 млрд лет.

Вектор эволюции направлен в сторону интенсификации всевозможных метаболизмов и взаимодействий [Хайтун 2005, разд. 4.8]. По самой своей природе открытые системы заняты обменом разных форм взаимодействий со средой, интенсифицируя метаболизмы. Открытость системы добавляет более чем существенную лепту в эволюционные процессы за счет внешних взаимодействий, у которых то гигантское преимущество по сравнению с внутренними, что они практически неисчерпаемы в своем многообразии, поскольку средой для данной системы служит в пределе вся наша Метагалактика или даже, может быть, вся Вселенная. Вот почему для эволюции так важны открытые системы и вот почему эволюция любого фрагмента наблюдаемого мира рано или поздно необходимо переходит к существенно открытым, или автопойэтическим, системам, которые не просто интенсивно обмениваются друг с другом и со средой энергией и веществом, но и существовать могут только как открытые.

Таким образом, отказ от трактовки энтропии как меры беспорядка означает не отказ от синергетики, но только переформулировку некоторых ее базовых положений. Образно говоря, синергетику нужно разобрать, почистить, смазать маслом и вновь пустить в ход. Необходимо учесть, что закон возрастания энтропии не чинит процессам самоорганизации никаких препятствий.

Теория естественного отбора

Трактовка энтропии как меры беспорядка продолжает играть большую негативную роль в сохранении позиций и другого важного компонента современной научной картины мира - теории естественного отбора Чарльза Дарвина. Будучи «кузиной» наук о самоорганизации, включая синергетику, также опирающихся сегодня, как мы видели, на эту трактовку, теория естественного отбора непосредственно используется во многих работах этого направления. Естественный отбор - одно из тех центральных понятий, на которых с самого начала формируется единый идейный поток теории самоорганизации, объединяющий учение о происхождении жизни с теорией органической эволюции и эволюции вообще.

Мотив естественного отбора под давлением среды как основного механизма предбиологической эволюции часто возникает в работах, посвященных теории химической эволюции. Скажем, А.И. Опарин (1959) говорит о борьбе за существование среди коацерватных капель первичного бульона на Земле. В книге А.П. Руденко «Теория саморазвития открытых каталитических систем» (1969) целая глава посвящена естественному отбору среди автокаталитических систем. М. Кальвин (1961) и В.М. Грант (1985) связывают «молекулярный отбор» на стадии предбиологической эволюции с процессами автокатализа. По М. Эйгену (1971), естественный отбор происходил на предбиологической стадии среди гиперциклов, под которыми он понимает относительно автономные белковонуклеотидные комплексы (цепи), способные, благодаря нелинейному автокатализу, к самовоспроизводству. О молекулярном естественном отборе пишет и Э.М. Галимов (2001). О естественном отборе в неорганическом и/или социальном мире говорят Г.Спенсер (1867), А.Б. Георгиевский (1983), Б.И. Кудрин (1998) и др. М.В. Волькенштейн (1988) распространяет теорию естественного отбора на космическую эволюцию.

Некоторые авторы напрямую сопрягают теорию естественного отбора с энтропийной проблематикой. Такова, например, концепция «энтропийного насоса» Б. Кемпбелла (1967) и Г.У. Вулхауза (1967), согласно которой в ходе естественного отбора выживают организмы с меньшим содержанием энтропии. Применительно к предбиологической эволюции эту же идею высказывает А.П. Руденко: «Эволюция каталитических систем идет по пути отбора систем с наименьшей энтропией организации» [Руденко 1969, 162]. Дж.А. Уилсон (1968) идею «энтропийного насоса» перевертывает: он полагает, что в ходе естественного отбора возникают организмы с бóльшим содержанием энтропии. (Подробнее см: [Хайтун 1996, 319-322; Хайтун 2005, 45-47; Хайтун 2009, 209-212]).

В этой опоре наук о самоорганизации, включая синергетику, на теорию естественного отбора, на мой взгляд, нет ничего естественного, ибо в науках о самоорганизации главное - это установка на саморазвитие реальных систем за счет внутренних взаимодействий, тогда как в теории естественного отбора принята противоположная установка, которая возлагает ответственность за развитие систем на среду и которая неявно опирается на трактовку энтропии как меры беспорядка, прямо запрещающую саморазвитие систем за счет внутренних взаимодействий.

Позиции дарвинизма сильны не только в науках о самоорганизации. Скажем, эволюционная эпистемология у всех без исключения авторов (Ч. Пирс, К. Лоренц, К. Поппер, Г. Фоллмер и др.) по сей день базируется на теории естественного отбора.

Теория естественного отбора надолго победила конкурирующие эволюционные концепции во многом благодаря «удачному» выбору Ч. Дарвина названия для своей теории ³. Термин «естественный» ("natural") не несет в себе никакой информации о специфике предложенного им вполне оригинального механизма эволюции, но зато внушает читателю, что речь идет о чем-то обычном, натуральном, настоящем, нормальном, понятном (я выписал из словаря некоторые значения слова "natural"). Будучи некорректным в научном плане, такой выбор оказался чрезвычайно эффективным в плане пиара. Многие ученые-небиологи, использующие понятие естественного отбора, но не углубляющиеся в тонкости этой теории, не говоря уже об околонаучной публике, понимают под естественным отбором просто отбор. Теория естественного отбора сводится к отбору более жизнеспособных особей. Между тем, это совершенно не отражает содержания теории Дарвина, поскольку отбор - это только одна из трех компонент естественного отбора, который включает в себя:

• 1. возникновение множества наследуемых малых случайных (ненаправленных) мутаций;
• 2. выживание наиболее приспособленных из них в результате конкуренции особей и их взаимодействия со средой (собственно отбор);
• 3. накопление выживающих на протяжении ряда поколений малых мутаций в направлении, задаваемом средой.

Вторая компонента, которую часто некорректно отождествляют со всем естественным отбором, вполне реальна, и не только в органической эволюции, тогда как первая и третья реальности не отражают. Во всяком случае, такова точка зрения автора этих строк. Если бы Господь (здесь это метафора) положился только на естественный отбор, исключив все другие движители (механизмы) эволюции, то никакой эволюции не было бы вообще.

Полемика между дарвинистами и антидарвинистами продолжается, в подтверждение чего укажу на три «антидарвинистские» монографии по теории эволюции: [Назаров 2005; Хайтун 2005; Чайковский 2006]. Что же касается существа дела, то в теории естественного отбора, как видим, активную роль играют только взаимодействия со средой. Внутри живых форм, полагает Дарвин, возникает лишь множество малых случайных («направленных во все стороны») мутаций, которые уничтожаются или не уничтожаются средой, в результате чего происходит накопление малых изменений в направлении, задаваемом средой. Именно среда, по Дарвину, заставляет живое эволюционировать через посредство «передаточного механизма» естественного отбора. Ошибочность теории Дарвина в том и состоит, что в ней игнорируется формообразующая роль внутренних взаимодействий.

Уже упомянутые выше Ньютон, Кант и Лаплас писали о саморазвитии (неорганической) материи под действием законов природы, под которыми мы сегодня понимаем силы или взаимодействия и в качестве которых у данных авторов фигурировала гравитация. Аналогичные воззрения приняты и в отношении социального мира, развитие которого, как говорят марксисты, движется внутренними противоречиями. Зачем же отказывать в саморазвитии органическому миру? Это совсем не в духе вышедших сегодня на первый план наук о самоорганизации.

Темпы прогрессивной эволюции органического мира превосходят темпы эволюции неорганической среды, так что сама по себе адаптация к среде не могла бы двигать прогрессивную эволюцию живого. Адаптируясь к среде, живое только следовало бы за ней, как нитка за иголкой. Прогрессивная органическая эволюция не может быть объяснена адаптацией к среде, поскольку появляющиеся в ходе органической эволюции всё более сложные формы зачастую не превосходят по адаптированности старые, скажем, бактерии или лишайники, проявляющие поразительную выживаемость в самых невероятных условиях. В ходе прогрессивных изменений данный органический вид становится другим видом, репродуктивно обособленным от старого, который после того зачастую гибнет. Объяснить это адаптацией к среде старого вида невозможно - зачем бы это он стремился сойти со сцены?!

И еще один момент. Говоря о случайности или неслучайности малых мутаций, следует иметь в виду не только и не столько отдельные мутации, сколько всё их множество (скажем, для данного органического вида), которое оказывается вполне направленным в статистическом смысле. Практически всегда множество мутаций наращивает со временем свое разнообразие, обеспечивая вновь возникающим органическим видам всё большую интенсивность метаболизмов в соответствии с вектором эволюции.

Теория естественного отбора занимает вполне определенное место в истории борьбы двух ветвей теории эволюции - автогенетической (эволюция движется саморазвитием материи, т.е. внутренними взаимодействиями) и эктогенетической (эволюция происходит за счет взаимодействия со средой). Ж.‑Б.Ламарк (1809), а следом за ним и Э. Жоффруа Сент-Илер (1833) объясняют органическую эволюцию как саморазвитием материи, так и воздействием среды. Иными словами, у них присутствует как авто-, так и эктогенез.

Дарвин, так много сделавший для победы эволюционных представлений, как мне представляется, сыграл одновременно и большую негативную роль, надолго заглушив автогенетическую линию. Он - чистый эктогенетик. Дарвинизм во всех его модификациях представляет собой, на мой взгляд, шаг назад по сравнению с концепцией Ламарка.

Во второй половине XIX в. эктогенетическая ветвь органического эволюционизма, включая теорию естественного отбора, получила неожиданное подкрепление в виде трактовки энтропии как меры беспорядка, которая приводит, как мы видели, к выводу, что внутренние взаимодействия могут только разрушать структуры и что ответственность за самоорганизацию (эволюцию) может нести только среда. Об опоре эктогенетических воззрений на второе начало (а неявно - на трактовку энтропии как меры беспорядка) говорит, например, известный биолог-эволюционист В.А. Красилов: «Не вызывает сомнений, что наиболее общие физические законы распространяются и на живую материю. Согласно второму закону термодинамики, в изолированных системах возможны лишь процессы, которые сопровождаются ростом энтропии. Поэтому попытки найти источник прогрессивного (негэнтропийного) развития внутри системы бесполезны. Они порождают лишь метафизические сущности типа энтелехии, жизненной силы, изначальной целесообразности и т.д. (курсив мой. - С.Х.)» [Красилов 1984, 6].

Именно из-за внутреннего - эктогенетического - родства теории естественного отбора и физики необратимых процессов, со второй половины XIX в. и по сей день покоящейся на трактовке энтропии как меры беспорядка, дарвинизм и поддерживается физиками, начиная с Больцмана, писавшего в уже упомянутой статье 1886 г.: «Если вы меня спросите относительно моего глубочайшего убеждения, назовут ли нынешний век железным веком или веком пара и электричества, я отвечу не задумываясь, что наш век будет называться веком механического миропонимания, веком Дарвина» [Больцман 1970, 6]. Концепция Шрёдингера-Пригожина и синергетика, как мы видели, поддерживают эту традицию.

Пока трактовка энтропии как меры беспорядка будет держаться на плаву, на плаву будет держаться и теория естественного отбора, ибо обе они входят в единую научную картину мира с «установкой на среду» в качестве остова.

Заметим, во избежание недоразумений, что несостоятельность теории естественного отбора вовсе не означает несостоятельности эволюционизма как такового; ошибочен, я полагаю, «только» предложенный им конкретный механизм возникновения эволюционных новаций - механизм естественного отбора. Реально эти механизмы совсем другие - это автогенетические механизмы, или механизмы саморазвития (самоорганизации) эволюционирующих систем.

Вечные двигатели 2-го рода

За прошедшие полтора века смысл, вкладываемый в закон возрастания энтропии, коренным образом изменился. Сначала В. Томсоном (1852) и Г. Гельмгольцем (1854) была обнаружена действующая в наблюдаемом мире тенденция к рассеянию разных форм энергии в виде тепла. Р. Клаузиус (1865) связал ее со специально для того введенным им в оборот понятием энтропии как чисто тепловую величину. Трансформировав тенденцию в закон, стали говорить о законе возрастания энтропии, имея при этом в виду закон возрастания тепловой энтропии. Энтропия мира, провозгласил Р. Клаузиус в 1865 г., имея в виду именно тепловую энтропию, стремится к максимуму.

Затем понятие энтропии обобщали - в статистическую энтропию Больцмана (1877), статистическую энтропию Гиббса (1902) и статистическую энтропию как (макро)вероятность состояния системы (принцип Больцмана, 1977). Применительно к расширенному таким образом понятию закон возрастания энтропии постепенно стал приобретать статус закона возрастания полной энтропии, охватывающего явления любой природы: «Применение второго основного закона механической теории теплоты... как известно, ограничено не только тепловыми процессами; этот закон дает возможность (аналогично первому основному закону) проведения широчайших обобщений, распространяющихся на все известные нам физические и химические явления (курсив мой. - С.Х.)» [Планк 1975, 9]. «...Еще раз повторим общую формулировку закона возрастания энтропии: во всех осуществляющихся в природе замкнутых системах энтропия никогда не убывает - она увеличивается или, в предельном случае, остается постоянной. Соответственно этим двум возможностям все происходящие с макроскопическими телами процессы принято делить на необратимые и обратимые (курсив мой. - С.Х.)» [Ландау, Лифшиц 1964, 49].

Странным образом, однако, этот переход в законе возрастания энтропии от тепловой энтропии к полной остался неотрефлексированным в физической литературе; авторы не оговаривают, о законе возрастания какой энтропии - полной или тепловой - идет речь в той или иной ситуации. И совсем уже непонятно, какой из этих двух законов они считают справедливым. Такое неразведение полной и тепловой энтропии характерно, к примеру, для всех курсов физики, которые я проштудировал на этот предмет (в количестве около 70), изучая этот вопрос.

Самый больной случай применения «закона» возрастания тепловой энтропии вместо закона возрастания полной энтропии - этот запрет на тепловые машины без холодильника, т.е. вечные двигатели 2-го рода [Хайтун 2005^а; Хайтун 2009].

Подчеркнем парадоксальность происходящего. Сначала было введено понятие тепловой энтропии, для которого сформулировали закон возрастания тепловой энтропии. Слóва «тепловой», когда речь шла о законе возрастания энтропии, никто не произносил, однако речь шла именно о законе возрастания тепловой энтропии. Затем в результате обобщения понятия энтропии закон возрастания тепловой энтропии был обобщен в закон возрастания полной энтропии. Слóва «полной» при этом никто, опять же, не произносит, но речь де-факто идет именно о полной энтропии, охватывающей явления любой природы, не только тепловой. Запрет на вечные двигатели 2-го рода появился в XIX в., когда считали справедливым закон тепловой энтропии. Однако, сформулированный на основании этого устаревшего закона, он (запрет) по старинке остается в силе в наши дни, как если бы этот закон и поныне считался справедливым!

Абсурднее ситуацию трудно представить. Я могу объяснить ее только воздействием на физиков все той же «непобедимой» из-за ее неявности трактовки энтропии как меры беспорядка. Непроговариваемая при этом логика выглядит примерно так. Согласно обсуждаемой трактовке энтропии, эволюция идет в сторону нарастания беспорядка. Тепло - беспорядочное движение частиц, стало быть, олицетворяет собой беспорядок. Отсюда следует, что эволюция идет с рассеянием разных форм энергии в виде тепла (установленную В. Томсоном тенденцию без артикулирования того деформируют в закон). Заключительный шаг - действует закон возрастания тепловой энтропии, запрещающий вечные двигатели 2-го рода.

Эта логическая конструкция противоречит всем мыслимым фактам. Эволюция на самом деле идет не в сторону хаоса и тем более не в сторону теплового хаоса, а, напротив, в сторону усложнения; превращение тенденции к рассеянию разных форм энергии в виде тепла в закон некорректно, ибо происходят и обратные процессы некомпенсированного превращения тепла в другие формы энергии, и т.д. Однако к никаким выводам в физике это до сих пор, к сожалению, не привело, так как эта конструкция вместе с трактовкой энтропии как меры беспорядка принадлежит к неявному знанию, которое не обсуждается и потому не нуждается в обосновании.

Тем не менее, сколь бы не сильно было неявное давление трактовки энтропии как меры беспорядка, физике рано или поздно придется определиться с тем, закон возрастания какой энтропии - полной или тепловой - считать действующим в природе. Выбор, на мой взгляд, очевиден - в пользу первого против второго. Признание же «закона» возрастания тепловой энтропии несправедливым будет означать и снятие запрета на вечные двигатели 2-го рода.

Заключая статью, констатируем, что трактовка энтропии как меры беспорядка, будучи одним из несущих элементов современного научного знания, оказывает на него большое негативное воздействие, деформируя научную картину мира. Как ни сильна эта трактовка своей неэксплицированностью в научном знании (никем не доказывается, значит, нельзя и оспорить), ее можно победить. Неявное знание тает под огнем научной критики. В свое время под этим огнем растаяли многие положения неявного знания. Пришла, на мой взгляд, очередь обсуждаемой трактовки энтропии. Признание ее ошибочной сделает коллективное сознание человечества менее апокалиптическим (тревожным) и, быть может, окажется полезным даже в практическом смысле, если создание вечных двигателей 2-го рода и на самом деле окажется возможным, а следовательно, окажется возможным и переход к базирующейся на них термоциклической энергетике, имеющей форму круговорота тепла.

Литература

Аршинов, Буданов 2004 - Аршинов В.И., Буданов В.Г. Роль синергетики в формировании новой картины мира // Вызов познанию: Стратегии развития науки в современном мире. М., 2004.

Больцман 1905 - Boltzmann L. Der zweite Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie // Boltzmann L. Populäre Schriften. Leipzig, 1905.

Больцман 1970 - Больцман Л. Второй закон механической теории тепла // Больцман Л. Статьи и речи. М., 1970.

Гленсдорф, Пригожин 1973 - Гленсдорф П., Пригожин И. Термодинамическая теория структуры, устойчивости и флуктуаций. М., 1973.

Денбиг 1995 - Денбиг К. К вопросу об энтропии, беспорядке и дезорганизации // Знание - сила. 1995. № 9.

Денбиг 1989 - Denbigh K.G. Note of entropy. Disorder and disorganization // Brit. J. Phil. Sci. 1989. Vol. 40.

Денбиг, Денбиг 1985 - Denbigh K.G., Denbigh J.S. Entropy in Relation to Incomplete Knowledge. Cambridge, 1985.

Князева 1995 - Князева Е.Н. Одиссея научного разума. Синергетическое видение научного прогресса. М., 1995.

Красилов 1984 - Красилов В.А. Теория эволюции: необходимость нового синтеза // Эволюционные исследования: Макроэволюция. Владивосток, 1984.

Курдюмов, Князева 1994 - Курдюмов С.П., Князева Е.Н. У истоков синергетического видения мира // Самоорганизация и наука: Опыт философского осмысления. М., 1994.

Ландау, Лифшиц 1964 - Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. М., 1964.

Назаров 2005 - Назаров В.И. Эволюция не по Дарвину: Смена эволюционной модели. М., 2005.

Петров 1970 - Петров Ю.П. Энтропия и неупорядоченность // Природа. 1970. № 2.

Планк 1975 - Планк М. Избранные труды. М., 1975.

Пригожин, Стенгерс 1986 - Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. М., 1986.

Руденко 1969 - Руденко А.П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М., 1969.

Турнбол (ред.) 1961 - Turnball H.W. (Ed.). The Correspondence of Isaac Newton. Vol. 3. Cambridge, 1961.

Удумян 2004 - Удумян Н.К. Современные методы изучения молекулярной философии // Вызов познанию: Стратегии развития науки в современном мире. М., 2004.

Хайтун 1989 - Хайтун С.Д. Проблемы количественного анализа науки. М., 1989.

Хайтун 1991 - Haitun S.D. Entropy and disorder: The evolution of views concerning their connection // Thermodynamics: History and Philosophy. Singapore etc., 1991.

Хайтун 1994 - Хайтун С.Д. Развитие естественнонаучных взглядов о соотношении закона возрастания энтропии и эволюции // Концепция самоорганизации в исторической ретроспективе. М., 1994.

Хайтун 1996 - Хайтун С.Д. Механика и необратимость. М., 1996.

Хайтун 2001 - Хайтун С.Д. Фундаментальная сущность эволюции // Вопросы философии. 2001. № 2.

Хайтун 2004 - Хайтун С.Д. Эволюция Вселенной // Вопросы философии. 2004. № 10.

Хайтун 2005 - Хайтун С.Д. Феномен человека на фоне универсальной эволюции. М., 2005.

Хайтун 2005^а - Хайтун С.Д. Человечество на фоне универсальной эволюции: сценарии энергетического будущего // Вопросы философии. 2005. № 11.

Хайтун 2009 - Хайтун С.Д. «Тепловая смерть» на Земле и сценарий ее предотвращения: Ч. 2. Вечные двигатели 2-го рода и несостоятельность запрета на них. М., 2009.

Хайтун 2010 - Хайтун С.Д. Количественный анализ социальных явлений. М., 2010.

Чайковский 2006 - Чайковский Ю.В. Наука о развитии жизни. Опыт теории эволюции. М., 2006.

Черникова 2008 - Черникова И.В. Истина и объективность в современной эпистемологии // Проблема истины в философии и науке. Томск, 2008.

Шрёдингер 1947 - Шрёдингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физики? М., 1947.

Примечания

¹ Для плотности распределения вероятностей  со средним значением , нормированной, как это принято, на единицу, так что единице равна площадь под кривой , ширина распределения  вводится как ширина прямоугольника с высотой  и единичной же площадью: . Несложно показать, что . Здесь S - энтропия распределения и k - постоянная Больцмана. Для физических систем величина  называется фазовым объемом.

² В русском переводе этой статьи [Больцман 1970, 17] допущена непростительная ошибка, изменившая смысл высказывания Больцмана на противоположный. Вместо «борьба за энтропию» дается «борьба за энергию».

³ Думается, что и вообще удачный или неудачный выбор автором основных для его теории терминов и/или ее названия может определить судьбу теории. Скажем, Ж.-Б.Ламарк (1809), следуя традициям XVIII в., назвал движущие эволюцию взаимодействия невидимыми флюидами, которые уже учеными XIX в. воспринимались как нечто мистическое (бессодержательное), и это почти на два столетия отодвинуло его вполне рациональную автогенетическую концепцию с авансцены эволюционизма.