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].