Брайан Грин – До конца времен. Сознание, материя и поиски смысла в меняющейся Вселенной (страница 87)
Направление потока теплоты, от более нагретых веществ или сред к менее нагретым, есть прямое следствие второго начала термодинамики. Когда горячий кофе остывает до комнатной температуры, передавая часть своей теплоты молекулам воздуха в комнате, воздух слегка нагревается и, соответственно, его энтропия увеличивается. Повышение энтропии воздуха превышает снижение энтропии в остывающем кофе, гарантируя тем самым, что суммарная энтропия системы увеличивается. Математически изменение энтропии системы задается изменением ее теплоты, деленным на ее температуру
Согласно закону сохранения энергии, когда молекулы движутся из центра наружу, их гравитационная потенциальная энергия возрастает, а кинетическая, соответственно, уменьшается.
Для читателей, склонных к математике и имеющих подготовку в области физики, скажу, что в этом можно разобраться при помощи упрощенного расчета с использованием классической статистической механики, в которой энтропия пропорциональна объему фазового пространства. Предположим, что сжимающееся газовое облако удовлетворяет условиям (знаменитой) теоремы вириала, которая соотносит среднюю кинетическую энергию частиц K с их средней потенциальной энергией U посредством формулы K = — U/2. Затем, поскольку гравитационная потенциальная энергия пропорциональна 1/R, где R— радиус облака, мы видим, что K пропорциональна также 1/R. Более того, поскольку кинетическая энергия пропорциональна квадрату скоростей частиц, выясняем, что средняя скорость частиц пропорциональна 1/R. Таким образом, объем фазового пространства, доступного частицам в облаке, пропорционален^ (* /vR) 'где первый множитель представляет пространственный объем, доступный этим частицам, а второй — доступный им объем импульсного пространства. Мы видим, что снижение пространственного объема доминирует над ростом объема импульсного пространства, что дает общее снижение энтропии по мере сжатия облака. Отметим также, что теорема вириала гарантирует, что по мере сжатия облака снижение потенциальной энергии превосходит рост кинетической (благодаря делителю 2 в формуле, связывающей K и U), так что снижается не только энтропия сжимающейся части облака, но и ее энергия. Высвобождающаяся энергия излучается в окружающую ядро оболочку, энергия которой растет, как и ее энтропия.
1. Письмо от Ф. Х. Ч. Крика Э. Шрёдингеру от 12 августа 1953 г.
2. J. D. Watson and F. H. C. Crick, "Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid", Nature 171 (1953): 737-38. Центральная фигура в этом открытии — химик и кристаллограф Розалинда Франклин, сделанная ею «фотография 51» была передана без ее ведома Уотсону и Крику Уилкинсом. Именно эта фотография позволила Уотсону и Крику завершить модель ДНК в виде двойной спирали. Франклин умерла в 1958 г., за четыре года до присуждения Нобелевской премии за открытие структуры ДНК, — а посмертно Нобелевская премия не может быть присуждена. Будь Франклин жива на тот момент, неясно, как поступил бы Нобелевский комитет. См., к примеру: Brenda Maddox, Rosalind Franklin: The Dark Lady of DNA (New York: Harper Perennial, 2003).
3. Maurice Wilkins, The Third Man of the Double Helix (Oxford: Oxford University Press, 2003), 84.
4. Шредингер Э. Что такое жизнь? — М.: Атомиздат, 1972.
5. Time magazine, Vol. 41, Issue 14 (5 April 1943): 42.
6. Цит. по: Шредингер Э. Что такое жизнь? / Пер. А. А. Малиновского, Г. Г. Полошенко. — М.; Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2002. С. 11.
7. Там же.
8. K. G. Wilson, "Critical phenomena in 3.99 dimensions", Physica 73 (1974): 119. Полутехническое описание и ссылки можно посмотреть в нобелевской лекции Кена Уилсона: https://www.nobelprize.org
9. Представление о вложенных историях, иногда описываемых как «уровни понимания» или «уровни объяснения», предлагалось учеными широкого спектра научных дисциплин. Психологи говорят об объяснении поведения на биологическом уровне (с привлечением физико-химических причин), когнитивном (с привлечением высокоуровневых функций мозга) и культурном (с привлечением социальных влияний); некоторые когнитивисты (начиная с нейробиолога Дэвида Марра) организуют анализ систем обработки информации на вычислительном, алгоритмическом и физическом уровнях. Для многих иерархических схем, продвигаемых философами и физиками, характерна приверженность натурализму — термин, который часто используется, но который трудно определить точно. Большинство из тех, кто им пользуется, согласились бы, что натурализм отвергает объяснения с привлечением сверхъестественных сущностей и полагается, напротив, исключительно на свойства природного мира. Конечно, чтобы уточнить эту позицию, нам нужно обозначить четкие пределы того, что составляет природный мир, — а это проще сказать, чем сделать. Столы и деревья определенно располагаются в его пределах, но как насчет числа пять или Великой теоремы Ферма? Как насчет чувства радости или ощущения красного цвета? Как насчет идеалов неотчуждаемой свободы и человеческого достоинства?
С годами подобные вопросы породили множество вариаций на тему натурализма. Одна из крайних позиций гласит, что единственное законное знание о мире исходит из научных концепций и научного же анализа — иногда такую позицию называют сциентизмом. Эта позиция, кстати говоря, требует от своих сторонников точного определения терминов. Что входит в понятие науки? Ясно, что если считать наукой выводы, основанные на наблюдениях, опыте и рациональном мышлении, то границы науки выходят далеко за пределы тех дисциплин, которые обычно представлены на университетских кафедрах. Как вы можете догадаться, в результате от науки требуют решения непосильных задач.
В менее экстремальных подходах приверженность натурализму сочетается с различными организационными принципами. Философ Барри Страуд выступает за то, что он называет «широкий или непредвзятый натурализм», в котором объяснительные границы не установлены жестко с самого начала. Напротив, широкий натурализм сохраняет свободу выстраивать слои понимания, включающие в себя все, от материальных природных ингредиентов до психологических качеств и абстрактных математических утверждений, — все необходимое для объяснения наблюдений, опыта и анализа (Barry Stroud, "The Charm of Naturalism", Proceedings and Addresses of the American Philosophical Association 70, no. 2 [November 1996], 43–45). Философ Джон Дюпре защищает «плюралистический натурализм», который гласит, что мечта о единстве науки — опасный миф; напротив, наши объяснения должны вырастать из «разнообразных и перекрывающихся исследовательских проектов», охватывающих традиционные науки и выходящих за их пределы, вовлекая в себя, среди прочих дисциплин, историю, философию и искусство (John Dupré, "The Miracle of Monism", in Naturalism in Question, ed. Mario de Caro and David Macarthur [Cambridge, MA: Harvard University Press, 2004], 36–58). Стивен Хокинг и Леонард Млодинов ввели понятие «модельнозависимого реализма», которое описывает реальность как набор отдельных историй, каждая из которых основана на собственной модели или теоретической концепции объяснения наблюдательных данных в микромире частиц или макромире повседневных событий (Хокинг С., Млодинов Л. Высший замысел. — М.: АСТ, 2017). Физик Шон Кэрролл ввел «поэтический натурализм» для разговора об объяснениях, расширяющих научный натурализм включением в него языка и концепций, относящихся к различным сферам интересов (Кэрролл Ш. Вселенная. Происхождение жизни, смысл нашего существования и огромный космос. — СПб.: Питер, 2017). И, как указано в главе 1, примечание 4, Э. О. Уилсон использует термин «схождение», когда речь идет об использовании знаний из совершенно несопоставимых дисциплин для получения глубины понимания, недостижимой в других обстоятельствах.
Я не особый сторонник придумывания новых слов, но если бы мне нужно было как-то обозначить собственную точку зрения — ту самую, что будет направлять наш рассказ на протяжении всей книги, то я назвал бы ее иерархическим натурализмом (nested naturalism).
Иерархический натурализм, как станет ясно из этой и последующих глав, привержен ценности и универсальной применимости редукционизма. Он принимает как данность существование фундаментального единства в механизмах мира и постулирует, что такое единство будет обнаружено путем выполнения редукционистской программы до той глубины, до какой потребуется. Все в этом мире может быть описано в терминах фундаментальных составляющих природы, подчиняющихся ее фундаментальным законам. Тем не менее иерархический натурализм подчеркивает, что такое описание обладает ограниченной объяснительной силой. Есть много других уровней понимания, которые охватывают редукционистское объяснение. И в зависимости от исследуемых вопросов эти другие объяснительные истории могут давать гораздо более информативные описания, чем то, что дает редукционизм. Все описания должны быть взаимно непротиворечивы, но на более высоких уровнях могут появляться новые полезные концепции, не имеющие низкоуровневых коррелятов. К примеру, при изучении множества молекул воды концепция водяной волны и разумна, и полезна. Но при изучении отдельной молекулы воды она не имеет смысла. Аналогично при изучении насыщенных и разнообразных историй человеческого опыта иерархический натурализм свободно привлекает оценки с любых структурных уровней, которые оказываются наиболее информативными, одновременно гарантируя, что эти оценки укладываются в связное описание.