Возрастание энтропии и открытые системы

В статье «Возрастание энтропии или самоорганизация материи?» я постарался показать, что появление жизни путем самозарождения, по мнению некоторых, противоречило бы основополагающему закону природы, который проявляется в равномерном рассеивании энергии. Это противоречие получило название «парадокс Шрёдингера», по имени известного физика.

Здесь я более развернуто отвечу на некоторые возражения, которые могли возникнуть у читателя. В десятках авторитетных источников, которые упоминают закономерность неубывания энтропии, можно встретить утверждение, что «парадокс Шрёдингера» легко решается. Предлагаемое решение состоит в том, что любое упорядочение в открытой системе не нарушает эту закономерность, если оно компенсируется еще большим возрастанием энтропии за пределами этой системы.

Вот что об этом написал Питер Урон в книге «College Physics»[1]:

«Некоторые люди ошибочно применяют второй закон термодинамики, выраженный в терминах энтропии, желая сказать, что существование и эволюция жизни нарушают закон и потому требовали божественного вмешательства… Это правда, что эволюция жизни из мертвой материи до своих нынешних форм являет собой большое убывание энтропии в живых системах. Но убывание энтропии всегда возможно в одной части вселенной, если при этом общая энтропия вселенной возрастает».

Другие авторы, похоже, чувствуют себя немного глупо, предполагая, что рост энтропии где бы то ни было во вселенной может компенсировать ее убывание на Земле, поэтому они подчеркивают, что такая «компенсация» действует локально; например, в книге «Order and Chaos» авторы пишут: «В определенном смысле развитие цивилизации может быть кажущимся противоречием второму началу.… Хотя социум может вызывать локальное сокращение энтропии, общая вселенская тенденция к росту энтропии с избытком восполняет эти аномальные, но важные усилия цивилизованного общества. Каждое локальное, вызванное машиной или человеком понижение энтропии сопровождается еще большим возрастанием энтропии окружающей среды, и так поддерживается ожидаемое возрастание общей энтропии»[2].

Не кажется ли вам, что мысль о компенсации не вполне логична? Возможно, эти ученые просто подразумевали, что увеличение всеобщей энтропии является следствием ее убывания здесь, на Земле? Тогда это бесспорно. Но некоторые переворачивают эти слова с ног на голову и утверждают, что увеличение хаоса в одной части вселенной вполне объясняет упорядочение на Земле, и никаких других объяснений не нужно. Такие авторы пытаются убедить нас в том, что существует некий фантастический «перенос порядка» из одного места в другое. Будь такое объяснение здравым, второй закон термодинамики не препятствовал бы куче железа, находящегося в одной комнате, самопроизвольно собраться в компьютер, если при этом разбиваются в хлам два других компьютера в соседней комнате, свет из которой проникает в первую  комнату. Понятно, что самой по себе «открытости» системе недостаточно, чтобы энтропия начала убывать, в чем хотят убедить неискушенного читателя некоторые учебники и энциклопедии. Как рассуждал Эрвин Шрёдингер, опираясь на уравнения Больцмана, для упорядочения в открытую систему должна поступать некая «энтропия со знаком минус» («негентропия») или какой-то ее носитель, или должна экспортироваться энтропия. Проще говоря, энтропия может убывать в открытой системе, если она вытесняется за пределы системы, или если в эту систему поступает энергия или материя, но  не какая угодно, а лишь способная упорядочить.

Недавно математик Грэнвилл Сьюэлл обратил внимание на это условие в статье «A second look at the second law». Представив математические уравнения для изменения энтропии немного в ином виде, он сделал вывод, что в открытых системах порядок не может увеличиваться или уменьшаться быстрее, чем он импортируется или экспортируется через границу системы. Он пишет: «Это неправда, что законы вероятности применимы только к замкнутой системе: если система открыта, вам просто нужно принять во внимание, что пересекает границу системы, чтобы определить, что является крайне невероятным, а что нет». Он делает обобщение: «Если возрастание порядка крайне маловероятно, когда система замкнута, оно по-прежнему крайне маловероятно, когда система открыта, если только в систему не входит то, что делает его вероятным»[3].

Итак, можно сказать, что принцип, лежащий в основе второго начала термодинамики, действует в открытых системах, или соблюдается общая тенденция к неубыванию энтропии. Остается только определить, поступает ли "порядок" на Землю, в нашу открытую систему? Электромагнитное излучение солнца и метеориты - поступают. Могут ли свет, тепло, радиация и метеориты делать появление жизни на нашей планете более вероятным? Конечно, свет и тепло необходимы для существования жизни, но недостаточны, чтобы увеличить вероятность случайного появления жизни до разумной степени. Почему? Чтобы отчетливо понять это, нам нужно получить хотя бы общее представление о биохимических реакциях, лежащих в основе жизни. Обычно в контексте понятия энтропии рассматриваются тепловые процессы, вызванные колебанием молекул, а не химические, основанные на квантовой механике. Так можно ли тогда применять этот закон к энергии химических реакций? Этот вопрос заслуживает рассмотрения в отдельной статье.

______________________________________

1. Paul Peter Urone, College Physics, Brooks/Cole, 2001.
2. S. Angrist, L. Hepler, Order and Chaos, Basic Books, 1967.
3. G. Sewell, A second look at the second law, Appl. Math. Lett. (2011), doi:10.1016/j.aml.2011.01.019