Статья Джозефа Нидэма 'Эволюция и термодинамика: Парадокс с социальным значением' вышла в 1942 году. В ней представлены три возможных пути обсуждения роли энтропии в биологической эволюции, которые в той или иной форме можно встретить вплоть до настоящего времени. Точкой отсчета является отождествление энтропии с мерой беспорядка на основе статистической интерпретации энтропии Больцмана. Отождествление возрастания беспорядка с разрушением биологической организации поднимает вопрос о совместимости второго закона с биологической эволюцией.
Первое решение связано с приписыванием живому антиэнтропийных механизмов - Нидэм его решительно отвергает. Второе решение связано со взглядами Артура Эддингтона и Эрвина Шрёдингера. Считается, что биологические процессы можно объяснить путем компенсации - для образования биологической организации (порядка) в одном месте требуется возникновения еще большего беспорядка в других местах. Нидэм критикует это решение и предлагает свое решение: биологическая организация не связана с мерой беспорядка во втором законе, хотя при этом второй закон не нарушается.
Введение
Позиция Артура Эддингтона
Позиция Эрвина Шрёдингера
Позиция Джозефа Нидэма
Обсуждение
Список литературы
Введение
Джозеф Нидэм (1900–1995) - это известный английский ученый с разносторонними интересами. Первый период его научной работы связан с биохимией, а второй - с изучением китайской цивилизации в ходе поиска ответа на вопрос 'Почему современная наука впервые появилась в Европе, а не в Китае?'. На русском языке биография Нидэма представлена во введении книги Киктенко 'Историко-философская концепция Джозефа Нидэма'. Книга посвящена второму периоду исследований, но в начале первой главы содержится также информация о биохимическом периоде исследований.
Статья 'Эволюция и термодинамика: Парадокс с социальным значением' вышла в 1942 году в конце первого периода исследований. Статья не потеряла свою актуальность, поскольку обсуждение (не)совместимости второго закона с биологической эволюцией продолжается в той или иной форме до настоящего времени. Нидэм хорошо формулирует исходную проблему:
'Развитие современной науки привело к любопытному расхождению в картинах мира. Для астрономов и физиков космос, выражаясь популярными словами, постоянно «скатывается» к состоянию мертвой инертности, когда тепло равномерно распределяется по всей вселенной. Для биологов и социологов в части мира (и для нас это очень важная часть) в любом случае наблюдается прогрессивное развитие с тенденцией к росту, когда более низкие уровни организации сменяются более высокими. Для обычного человека противоречие, если таковое имеется, является нешуточным, потому что многие физики, объясняя свой взгляд на основе второго закона термодинамики, используют слово «организация» и говорят, что происходит ее разрушение. Есть ли здесь реальное противоречие? Если да, то как это можно его устранить?'
Нидэм анализирует взгляды физиков, Артура Эддингтона и Эрвина Шрёдингера. В рассмотрении физиков биологическая организация отождествляется с порядком и при этом энтропия трактуется как мера беспорядка. В результате физики связывают второй закон с разрушением биологической организации. Нидэм в этом случае выделяет и анализирует три возможных решения:
Жизнь основана на использовании антиэнтропийных механизмов.
Второй закон термодинамики не нарушается в силу компенсации. Создание порядка в одном месте сопровождается возникновением еще большего беспорядка в другом.
Мера беспорядка в термодинамике не связана с биологической организацией, но при этом второй закон не нарушается.
Первое решение озвучено цитатой физико-химика Гильберта Льюиса, который говорил, что живые организмы 'жульничают в игре энтропии':
'Только они, по-видимому, способны противостоять мощному потоку необратимых процессов. Эти процессы разрушают, а живые существа созидают. В то время как остальной мир, по-видимому, движется к состоянию полной однородности, живой организм создает новые вещества и всё более сложные формы.'
Нидэм решительно отвергает такое решение. Отмечу, что такое решение можно по-прежнему увидеть в работах ряда биологов и философов, которые неправильно истолковывают смысл неудачного термина отрицательная энтропия, введенного Шрёдингером. Нидэм уделяет большое внимание разбору и критике второго решения, и в результате предлагает третье решение.
В начале статьи Нидэм правильно отмечает, что разговор в физике о порядке и беспорядке связан с методом ячеек Больцмана. В интерпретации энтропии как числа перестановок в колоде карт, более вероятные состояния считают менее упорядоченными и таким образом возникает интерпретация энтропии как меры беспорядка. Ниже рассмотрены позиции Эддингтона и Шрёдингера, а затем предлагаемое решение Нидэма. В обсуждении позиция Нидэма сравнивается со взглядами космолога Лайнвивера (статья 2025 года).
Позиция Артура Эддингтона
Для доказательства, что физики связывают энтропию с организацией, Нидэм использует описание Эддингтона из книги 'Природа физического мира' (The Nature of the Physical World, 1928):
'Для того, чтобы придать миру хоть какой-то смысл, мы должны обратиться к одному выдающемуся закону, второму закону термодинамики. Это открывает новую область знания, а именно изучение организации; именно в связи с организацией впервые появляется направление течения времени и отличие между формированием и разрушением.'
'Когда камень падает, он приобретает кинетическую энергию, количество которой достаточно, чтобы поднять камень обратно на его первоначальную высоту. С помощью соответствующих приспособлений можно использовать кинетическую энергию для выполнения этой задачи; например, если камень привязать к пружине, он может попеременно падать и подниматься, как маятник. Но если камень ударяется о препятствие, его кинетическая энергия преобразуется в тепловую. Остается то же количество энергии, но даже если бы мы смогли собрать ее воедино и запустить в двигатель, мы не смогли бы таким образом поднять камень обратно. Что же произошло, что сделало энергию недоступной для использования? Рассматривая падающий камень в микроскоп, мы видим огромное множество молекул, движущихся вниз с равными и параллельными скоростями - организованное движение, подобное маршу полка. Мы должны обратить внимание на две вещи: энергию и организацию энергии. Чтобы камень вернулся к своей первоначальной высоте, он должен сохранить и то, и другое.'
Напомню, что именно Эддингтон связал второй закон со стрелой времени; в приведенной цитате он связывает направление времени с организацией энергии. Диссипация организованной энергии в неорганизованную не позволяет повернуть время назад. Таким образом необратимость реальных процессов связана с потерей организации энергии. Нидэм также приводит другую цитату Эддингтона из книги 'Новые пути в науке' (New Pathways in Science, 1935), которая показывает, что Эддингтон связывает организацию энергии с биологической организацией:
'В ходе роста по мере движения от прошлого к будущему человек становится все более и более высокоорганизованным - по крайней мере, он так себе это представляет. На первый взгляд это противоречит закону одностороннего движения, согласно которому более поздний момент соответствует большей дезорганизации. Но для применения закона мы должны поместить человека в изолированную систему. Если мы помешаем ему получать организованность из внешних источников, если мы ограничим его потребление пищи, питья и воздуха, он очень скоро придет в состояние, которое каждый назовет состоянием крайней «дезорганизации».'
У Эддингтона просматривается идея компенсации, которая более четко выражена в позиции Шрёдингера. Живое у Эддингтона представляет собой открытую систему, в которую организованность приходит извне, а переход к изолированной системе разрушает биологическую организацию. Эддингтон опирается на представление об отличии работы от теплоты на молекулярном уровне: работа является упорядоченным движением молекул, а теплота - неупорядоченным. В результате Эддингтон смешивает организацию как упорядоченное движение молекул при совершении работы и организацию как состояние организма в биологии. В этом одна из проблем научно-популярного изложения; незаметно одно значение слова заменяется другим. Ниже идет мой анализ позиции Эддингтона.
Рассмотрим состояние камня до и после падения в предположении, что камень не разбился на части; такое допущение вполне совместимо с рассмотрением Эддингтона. После падения камень немного нагреется, но далее температура опять сравняется с температурой окружения. Однако нельзя сказать, что организация камня до и после падения изменилась. Термодинамика рассматривает процессы установления равновесия, и в этих процессах происходит диссипация энергии. Несмотря на то, что общая энергия сохраняется, часть энергии становится недоступной для последующего использования. Это правильное утверждение, но использование Эддингтоном слова организация приводит к неправильному истолкованию при переходе к рассмотрению организации в биологии.
Организм рождается, а потом умирает. Этот процесс не требует помещения организма в изолированную систему, как это представлено в цитате Эддингтона. Организм вначале развивается, а в конце умирает в открытой системе, когда внешние условия в целом не меняются. Рассмотрение в духе Эддингтона недостаточно для обсуждения появления и исчезновения биологической организации в этом примере.
Позиция Эрвина Шрёдингера
Статья Нидэма вышла до появления книги 'Что такое жизнь?' (1944), и Нидэм использует описание Шрёдингера из книги 'Наука и человеческий темперамент' (Science and the Human Temperament, 1935). В этой книге уже просматривается идея Шрёдингера с импортом живыми организмами порядка из внешней среды:
'Мы убеждены, что второй закон управляет всеми физическими и химическими процессами, даже если они приводят к самым сложным и запутанным явлениям, таким как органическая жизнь, зарождение сложного мира организмов с самого начала, а также возникновение и развитие человеческих культур. В этой связи вера физика в постоянно растущий беспорядок кажется несколько парадоксальной и может легко привести к очень пессимистичному непониманию тезиса, который на самом деле подразумевает не что иное, как конкретный смысл, придаваемый ему физиком. Поэтому необходимо небольшое пояснение.
Не утверждается ничего другого, кроме того, что общий баланс беспорядка в природе неуклонно возрастает. В отдельных частях вселенной или в определенных материальных системах движение вполне может быть направлено к более высокой степени упорядоченности, что становится возможным благодаря тому, что в некоторых других системах происходит адекватная компенсация. Итак, в соответствии с тем, что физики называют «порядком», тепло, накопленное Солнцем, представляет собой невероятное обеспечение порядка, поскольку это тепло еще не распределено равномерно по всей Вселенной (хотя оно определенно имеет тенденцию к такому рассеянию), а пока сосредоточено в пределах относительно небольшой части пространства.'
У Шрёдингера идея компенсации выражена в явном виде. Организация связана с порядком, второй закон выполняется и беспорядок возрастает, но появление биологической организации на Земле объясняется возникновением все большего беспорядка во вселенной.
Как уже говорилось, сравнение энтропии с порядком и беспорядком возникает при интерпретации уравнения Больцмана для статистической энтропии в изолированной системе. Менее вероятные состояния изолированной системы самопроизвольно переходят в более вероятные состояния. При этом считается, что менее вероятное состояние является упорядоченным, а более вероятное - неупорядоченным. Отсюда возникает метафора энтропии как меры беспорядка, что приводит к необходимости объяснить биологическую организацию путем импорта порядка извне.
Критика позиции Шрёдингера более подробно рассмотрена в моей предыдущей статье, посвященной книге Шрёдингера 'Эрвин Шредингер и отрицательная энтропия'. Только отмечу, что введение Шрёдингером неудачного термина отрицательная энтропия натолкнуло ряд биологов и философов на приписывание живому антиэнтропийных механизмов. Однако такой вывод возможен только при невнимательном прочтении книги Шрёдингера, поскольку позиция Шрёдингера основана на идее компенсации, как это показано в цитате выше.
Позиция Джозефа Нидэма
Нидэм предлагает отделить порядок в термодинамике от организации в биологии:
'мы подошли к соображениям, которые, по-видимому, довольно убедительно свидетельствуют о том, что принцип порядка в термодинамике в действительности фундаментально отличается от принципа организации в биологии.'
Он подчеркивает, что это отличие не означает отказ от второго закона в биологии. Позиция Нидэма заключается в том, что физики говорят не об организации в биологии, у физиков происходит смешение разных значений слов и поэтому противоречие отсутствует.
Отмечу, что такая позиция связана с философской позицией Нидэма. В книге Киктенко она характеризуется как неортодоксальный марксизм, поскольку Нидэм был также верующим и придерживался идеалов англиканской церкви. В биологии Нидэм принадлежал группе органицистов, когда витализм решительно отвергался, но считалось, что биология не сводится к физике. Киктенко выражает это таким образом:
'Он рассматривал существование как ряд уровней организмических отношений, а различные научные подходы понимал как поиск разных уровней объяснения. Согласно таким подходам, организм, конечно, состоит из физических и химических процессов, но уровень его организации требует биологической формулировки, отличной от знания физиков и химиков.'
Другими словами, Нидэм искал целостное представление о мире, которое включает развитие общества. Смена научной карьеры от исследований в биохимии к изучению китайской цивилизации связана с этим обстоятельством.
Правда, в статье аргументация остается на основе естественных наук. Связь с обществом возникает только при рассмотрении использования энергии. Первый закон выполняется, но из второго закона не следует что в этом процессе происходит распад и деградация общества.
Нидэм начинает с самопроизвольного роста кристалла из перенасыщенного раствора в изолированной системе:
'Когда кристаллы образуются самопроизвольно, это происходит в результате процессов, связанных с уменьшением свободной энергии. Поэтому физик должен говорить о росте беспорядка, но биолог, как специалист по структуре, не может не отметить, что в хорошо сформированном кристалле больше порядка и организованности, чем в однородном маточном растворе или в соответствующем газе.'
Этот пример уже показывает, что разговор про возрастание беспорядка в изолированной системе не противоречит возрастанию организованности. Нидэм отталкивается от названия ненаписанной статьи Гиббсом, которое было найдено в архиве Гиббса: 'On entropy as mixed-up-ness'. Нидэм трактует слово mixed-up-ness как перемешиваемость и противопоставляет его обособленности.
Далее Нидэм переходит к рассмотрению образования атомов. Можно сказать, что элементарные частицы перемешиваются и с точки зрения второго закона беспорядок возрастает. Однако при этом одновременно возникают новые паттерны и организация атомов. Таким образом, Нидем утверждает, что использование термина, введенного Гиббсом, позволяет развести обсуждение энтропии как меры беспорядка и появление организации в разные стороны. Тем самым главный вывод его статьи заключается в том, что одно не противоречит другому.
Обсуждение
В статье космолога Лайнвивера 'За пределами второго закона: дарвиновская эволюция как тенденция к росту производства энтропии' (2025) первый раздел называется 'Биологи об энтропии'. Он показывает, что решения, рассмотренные в статье Нидэма, по-прежнему используются при обсуждении биологической эволюции. Правда, в этом разделе упоминается, что ряд биологов предпочитают игнорировать энтропию при рассмотрении эволюции.
В настоящее время физики понимают, что рассмотрение Больцмана ограничено идеальным газом (см. также мою предыдущую статью 'Эволюция взглядов Людвига Больцмана'). В этом смысле Нидэм неправ и физик не будет говорить об увеличении беспорядка при обсуждении роста кристалла из пересыщенного раствора. В этом случае физик скажет, что это другой пример, который не надо смешивать со свободным расширением газа, на основе которого построено интерпретация Больцмана.
В статье Лайнвивера правильно подчеркивается, что требуется переход к производству энтропии. Более того, обсуждение биологической эволюции в статье Нидэма можно перевести на язык увеличения сложности. С легкой руки физика Шона Кэрролла в этом случае в настоящее время используется метафора смешения сливок с кофе. Рассмотрим часть рис. 2 из статьи Лайнвивера по этому поводу.
Можно сказать, что первая половина процесса на рисунке соответствует использованию концепции Гиббса в статье Нидэма, когда обособленность приводит к перемешиваемости, в которой остаются паттерны и организация. Правда, дальнейшее прохождение процесса в аргументе Кэрролла приводит к тепловой смерти. В любом случае увеличение энтропии на начальных этапах развития вселенной совпадает с увеличением сложности. Таким образом, современные физики уходят от использования слов порядок/беспорядок к более адекватному рассмотрению протекающих процессов. В этом смысле критика Нидэма упрощенных взглядов Эддингтона и Шрёдингера остается правильной - она соответствует современному обсуждению этого вопроса.
Список литературы
Предыдущие статьи:
Эрвин Шрёдингер и отрицательная энтропия
Эволюция взглядов Людвига Больцмана
В. А. Киктенко, Историко-философская концепция Джозефа Нидэма: китайскаянаука и цивилизация, 2009.
Joseph Needham, Evolution and thermodynamics: A paradox with social significance. Science & Society (1942): 352-375.
C. H. Lineweaver, Beyond the Second Law: Darwinian Evolution as a Tendency for Entropy Production to Increase. Entropy 2025, 27, 850.
