Миром управляет не энергия, а энтропия

В школе мне всегда говорили, что все в мире зависит от энергии. Нам приходится добывать энергию из нефти, забирать ее у Солнца или получать, расщепляя атомные ядра. Энергия заставляет крутиться моторы, расти растения, она будит нас по утрам полными жизни.

Но тут что-то не сходится. Энергия – как мне всегда говорили в школе – сохраняется. Она не возникает и не исчезает бесследно. Если она сохраняется, то отчего нам приходится все время производить ее заново? Почему мы не можем все время использовать одну и ту же? Правда заключается в том, что энергии у нас в избытке, но мы ее не потребляем. Вовсе не энергия нужна, чтобы заставить мир крутиться. Нужна низкая энтропия.

Всякая энергия (механическая, химическая, электрическая или потенциальная) превращается в термическую энергию, то есть в тепло, идущее на нагрев холодных тел, откуда ее уже не так-то просто извлечь, чтобы использовать заново для взращивания растения или раскручивания мотора. В этом процессе энергия остается той же, но энтропия возрастает, и вот ее-то уже не вернуть назад. Второй закон термодинамики не позволяет.

Мир крутится не благодаря источникам энергии, а благодаря источникам низкой энтропии. Без низкой энтропии энергия бы растеклась равномерным теплом – и мир пришел бы в состояние теплового равновесия, где больше нет различия между прошлым и будущим и поэтому ничего не происходит.

Вблизи Земли у нас есть мощный источник низкой энтропии – Солнце. Солнце шлет нам горячие фотоны. Земля излучает тепло в черное небо, избавляясь от более холодных фотонов. Энергия, которая уходит, более или менее равна той, которая приходит, так что в процессе этого обмена энергия не накапливается (если она накапливается, то это катастрофа для нас – потепление климата). Но на каждый прибывающий горячий фотон Земля отдает десяток холодных, потому что один горячий фотон приносит от Солнца столько же энергии, сколько уносит десяток холодных фотонов, излучаемых Землей. У горячего фотона энтропия ниже, чем у десятка холодных, потому что число конфигураций у одного фотона (горячего) меньше числа конфигураций десяти фотонов (холодных). Следовательно, для нас Солнце – богатейший постоянный источник низкой энтропии. В нашем распоряжении изобилие низкой энтропии, и именно она дает возможность животным и растениям размножаться, а нам – собирать моторы, возводить города, придумывать что-то новое и писать книги вроде этой.

Откуда берется низкая солнечная энтропия? Она происходит из того факта, что само Солнце родилось из конфигурации с меньшей энтропией: изначальное молекулярное газопылевое облако, из которого образовалась Солнечная система, обладало энтропией еще более низкой. И так далее в нашем движении вспять, пока не будет достигнуто начальное состояние Вселенной с минимальной энтропией.

Великая космическая история движется вперед возрастанием энтропии Вселенной.

Только возрастание энтропии в космосе происходит не так быстро, как спонтанное расширение газа в пустом баллоне: оно идет постепенно и требует времени. Даже гигантской поварешкой размешать такую большую вещь, как космос, получается довольно медленно. А главное – там есть свои закрытые двери, препятствия для роста энтропии, и свои едва проходимые узкие места.

Например, дрова, уложенные в поленницу и предоставленные сами себе, могут пролежать довольно долго. Они вовсе не находятся в состоянии с максимальной энтропией, так как элементы, из которых они состоят, – водород и углерод главным образом – сочетаются там весьма прихотливо (“упорядочены”), обеспечивая себе форму дров. Энтропия будет возрастать, если это сочетание начнет разрушаться. Это то, что происходит, когда дрова горят: элементы теряют ту особую структуру, которой обладают дрова, и энтропия резко возрастает (огонь и в самом деле – процесс существенно необратимый). Но полено не начнет гореть само по себе. Оно будет долго оставаться в состоянии с низкой энтропией, пока кто-нибудь не откроет дверь, через которую оно сможет проскользнуть в состояние с высокой энтропией. Поленница дров – нестабильное состояние, как карточный домик, но пока что-нибудь не случится и его не разрушит, оно не разрушится. Этим “чем-нибудь” может быть, например, спичка, которая зажжет пламя. Пламя – это один из тех процессов, которые открывают проход, и через этот проход поленья могут попасть в состояние с высокой энтропией.

Помехи, препятствующие энтропии и тем самым замедляющие ее, есть повсюду во Вселенной. В прошлом, например, Вселенная, в сущности, представляла собой не что иное, как бескрайние водородные поля. Водород может превращаться в гелий, и у гелия энтропия выше, чем у водорода. Но для того чтобы это случилось, должен открыться проход – зажечься звезда, и в ней водород будет ярко светиться, образуя гелий. Что зажигает звезды? Другой процесс, способствующий росту энтропии, – сжатие, которое вызывается гравитацией гигантских водородных облаков, парящих сквозь галактику. У водородного облака, когда оно сжалось, энтропия становится больше, чем была, когда оно было разреженным^[116]. Но чтобы сжимать водородные облака, в свою очередь, требуются миллионы лет, уж очень они большие. И только после того, как они сжались, они могут нагреться в достаточной степени, чтобы запустился процесс термоядерного синтеза, открывающий, наконец, энтропии возможность расти в результате превращения водорода в гелий.

Вся история Вселенной – о том, как, хромая и подпрыгивая, росла космическая энтропия. Ее рост не был ни быстрым, ни равномерным, так как вещи подолгу остаются на месте, удерживаемые в объятиях низкой энтропии (поленница дров, водородное облако…), пока что-то не вмешается и не откроет дверь процессу, позволяющему энтропии совершить следующий скачок. Случается, что и само возрастание энтропии открывает новые двери, за которыми энтропия растет быстрее. Плотина в горах, например, держит взаперти воду до тех пор, пока грабитель-время не откроет в ней течь, и тогда вода устремляется в долину, еще больше увеличивая энтропию. На этом неровном пути то большие, то малые части Вселенной раз за разом оказываются изолированными в положении относительно стабильном и остаются там на протяжении очень долгого времени.

Живые существа участвуют в подобных процессах, поддерживающих друг друга. Растения захватывают солнечные фотоны с низкой энтропией благодаря фотосинтезу. Животные снабжают себя низкой энтропией, когда едят. (Если бы нам нужна была только энергия, а не энтропия, то мы, вместо того чтобы есть, отправились бы все в тепло Сахары.) Внутри каждой живой клетки сложная сеть химических процессов создает структуру, открывающую и закрывающую двери, за которыми низкая энтропия может расти. Молекулы служат катализаторами, способствующими запуску процессов, или, наоборот, тормозят их. Рост энтропии в каждом индивидуальном процессе – это то самое, благодаря чему функционирует целое. Жизнь – это сеть процессов, увеличивающих энтропию и выполняющих роль катализаторов друг для друга^[117]. Неверно, хотя и часто повторяется, будто жизнь порождает особо упорядоченные структуры и локально снижает энтропию: просто с питанием поглощается и низкая энтропия. Это самоструктурированное разупорядочивание – как и во всей остальной Вселенной.

А также и явления более банальные управляются вторым законом термодинамики. Камень падает на землю. Почему? Часто говорят, что камень стремится к “более низкому энергетическому состоянию”, которое находится внизу. Но почему камень должен находиться в состоянии с наименьшей энергией? Почему он должен терять энергию, если энергия сохраняется? Ответ заключается в том, что когда камень ударяется о землю, он нагревается и его механическая энергия превращается в тепловую, и отсюда ей уже нет пути назад. Если бы не второй закон термодинамики, если бы не микроскопическое кишение, камень продолжал бы подпрыгивать, никогда не достигая покоя.

Энтропия, а не энергия останавливает камни на земле и приводит в движение мир.

Все то, что происходит в космосе, сводится к постепенному нарушению порядка, как будто это гигантская колода карт, поначалу упорядоченная, а потом постепенно перетасовываемая. Но нет гигантских рук, перетасовывающих Вселенную, Вселенная перетасовывается сама из-за взаимодействий между ее частями, проходы между которыми то открываются, то вновь закрываются в результате этого самого перетасовывания. Огромные пространства остаются запертыми, и им доступны лишь те конфигурации, которые обеспечивают им сохранение упорядоченности, пока то там, то тут не станут открываться новые проходы и вторгнувшийся через них беспорядок не начнет мучительное разрушение^[118].

Именно непрерывное и неудержимое перемешивание всего на свете, освобождение от порядка небольшого числа конфигураций, открывающее доступ к бескрайнему простору беспорядка, заставляет события в мире случаться и творит его историю. Вся Вселенная подобна гор'e, постепенно расползающейся и оседающей в долину. Подобна постепенно разваливающейся конструкции.

От неприметных событий ко все более сложным, этот танец растущей энтропии, разогреваемый низкой начальной энтропией космоса, и есть подлинный танец Шивы, танец разрушителя.