Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Глава IV МИР, КОТОРЫЙ ЕСТЬ, НО В КОТОРОМ НЕ ВСЕ понятно

«Астрономия первая показала нам, что существуют законы. Наученные этим опытом, мы лучше разглядели наш собственный мир, где под кажущимся беспорядком нашли ту же гармонию, с которой нас познакомило изучение неба». Мы повторили еще раз эти слова Анри Пуанкаре для того, чтобы продолжить их словами русского физика Александра Столетова: «…но явления, наблюдаемые нами вблизи, оказались далеко не так просты, как небесные движения, или не допускали тех абстракций и упрощений. Собственно механические процессы идут рука об руку с более темными процессами — тепловыми, химическими, электрическими».

Только теперь, спустя почти столетие, мы можем в полной мере оценить проницательность нашего соотечественника. В то время как Пуанкаре имел в виду реальные механические процессы, Столетов смотрел на дело шире, ибо в его словах угадывается намек на принципиальное фундаментальное отличие биологических процессов от механических, да и от физических вообще…

Попробуйте порасспрашивать своих знакомых-автомобилистов об их машинах. Они вам сразу же и совершенно точно назовут мощность мотора, расход бензина, скорость и т. д. Но спросите у них, насколько уменьшается от износа вес шин или мотора? Они только пожмут плечами: в автомобиле их интересуют энергетические характеристики, а не происходящие в нем изменения. К биологическим объектам люди относятся совсем иначе. Родители, например, сразу скажут вам, каков рост их ребенка, сколько он прибавил в весе, какие слова научился говорить. Но спросите их, какова мощность ребенка? Сколько теплоты он выделяет в сутки? Сколько весит пища, потребляемая им в течение года? Они пожмут плечами: в детях их интересуют происходящие изменения, а не энергетические характеристики.

Этот пример приведен не для красного словца. На протяжении десятилетий отличием физика от биолога было то, что физик преимущественно интересовался энергетическими характеристиками изучаемых процессов, а биолог — происходящими в изучаемых организмах изменениями. Для физиков необратимость была главным образом источником потерь, помехой, устранение которой позволяло выделить явление в чистом виде. Для биологов устойчивость наблюдавшихся в живых организмах изменений явление настолько само собой разумеющееся, что они даже не задумывались о причинах такой устойчивости. Они даже не подозревали, что эти изменения устойчивы только потому, что благодаря необратимости сопровождаются выделением теплоты, как бы фиксируются возникающей во всех клетках организма энтропией. И это тепловыделение живого организма не досадная помеха, а фундаментальное свойство жизни. Вот почему биолог, который подобно физику попытался бы очистить биологические процессы от необратимости, с изумлением убедился бы, что такое «очищение» равносильно уничтожению биологии, ибо без необратимости немыслимы ни органы чувств, ни память, ни размножение. Короче говоря, без необратимости невозможна жизнь. Да и не только жизнь, но и само время…

Нет связи более явственной, более очевидной, чем связь необратимости и времени. «Пропущение времени смерти невозвратной подобно», — говорил некогда Петр I, имея в виду дела военные. «Весна моих промчалась дней… И ей ужель возврата нет?» — восклицал сто лет спустя А. Пушкин, говоря о делах сердечных. «Потеря времени отличается от потери материалов в том отношении, что его нельзя возвратить», — изрекал еще через столетие Генри Форд, говоря о делах промышленных. И только физики-теоретики на протяжении этих двухсот лет были убеждены, что время в принципе обратимо: ведь уравнения классической механики сохраняют свою справедливость, если знак времени сменить на противоположный. Это означает, что если в обратимом мире упругий шар из точки А перелетает в точку Б, то, поставив в точке Б упругий экран, нетрудно заставить шар совершить весь процесс в обратном порядке.

Но, оказывается, в этом правдоподобном рассуждении таится подводный камень. Хорошо, пусть шар совершает свои эволюции в обратимом мире. А где находятся часы, по которым мы измеряем время, затрачиваемое им на эти эволюции?

Если они находятся «по сю сторону» мысленного эксперимента, то есть в нашем реальном мире, они измеряют и наше реальное заведомо необратимое время. Если же они находятся «на том берегу», то есть тоже в обратимом мире, они не смогут измерять никакого времени вообще…

Такой вывод на первый взгляд может показаться необоснованным. В реальном мире часовые мастера усердно стараются свести к минимуму трение — главную помеху точности хода. А в обратимом мире трение полностью исчезает, маятник будет колебаться сколь угодно долго, поэтому гири или пружины не нужны. Останется только поставить храповое колесо с собачкой, и стрелка будет отсчитывать число колебаний маятника. Но вот в этом-то «останется только» и вся загвоздка.

Раньше, да и сейчас, нередко приходилось слышать, что «необратимым является процесс, который не может протекать в обратном направлении». Макса Планка эта формулировка выводила из себя. По его собственному признанию, он боролся с ней на протяжении всей жизни. Необратимый процесс — справедливо считал Планк — это процесс, при котором суммарная энтропия всех участвующих в нем тел возрастает. Но Планк ошибочно полагал, что механизму можно придать свойство одностороннего движения с помощью каких-то полностью обратимых устройств. Он проглядел, что критикуемая им формулировка не противоречит той, которую он считал правильной.

Кажется, первый, кто заметил это, был американский физик Р. Фейнман. По его мнению, в обратимом мире, где нет потерь на трение, собачка, раз сорвавшись с зубца храпового колеса, должна начать совершать бесконечно долгие колебания и в результате не сможет надежно запирать попятное движение механизма. Выходит, часы в обратимом мире не смогут работать, так как трение, выполняющее роль помехи в подшипниках, играет принципиальную роль в храповом или анкерном механизме. Без трения в этом механизме стрелка часов будет колебаться в такт маятнику, но не будет суммировать числа его качаний.

Эта заковыка долгое время считалась чисто технической трудностью, которую можно преодолеть изменением конструкции или применением нового принципа измерения времени. Но, увы, трудность эта оказалась методологической. Ее не удалось преодолеть даже с помощью атомных и молекулярных часов — тоже существенно необратимых механизмов. И это способствовало уяснению принципиально важной истины: с помощью идеальных, полностью обратимых механизмов, при работе которых суммарная энтропия участвующих в процессе измерения тел не увеличивается, измерение времени невозможно. А раз в обратимом мире с помощью обратимых устройств измерить время в принципе нельзя, то это значит, что в таком мире его попросту нет!

Вот почему фраза, которую некогда любил повторять французский математик Э. Пикар — «Мы измеряем время с помощью движения, а движение — с помощью времени» — в свете новых взглядов потребовала уточнения, ибо, как стало ясно, не всяким движением можно измерять время. По мнению французского физика О. Коста де Борегара, формулировку Пикара следовало бы скорректировать так: «Мы измеряем время с помощью изменений, а изменения — с помощью времени».

А что такое изменения? Да ведь это наши старые знакомые — компенсации Клаузиуса, те самые компенсации, по которым можно безошибочно определить, был или не был тот или иной процесс необратимым. Те самые компенсации, которые только тогда и возможны, когда в дело вмешивается необратимость.

Почему так? Да потому, что только при наличии устойчивых изменений — компенсаций — можно отличить прошлое от будущего, предшествующий момент от настоящего, причины от следствий. В обратимом мире причины и следствия бесконечно и непрерывно меняются местами. К примеру, упавший с высоты шар вызывает следствие — сжимает пружину. Это следствие становится причиной того, что шар снова выбрасывается на прежнюю высоту. Это следствие, в свою очередь, снова становится причиной падения шара. И так до бесконечности. И в этой череде бесконечно повторяющихся состояний теряется время — путеводная нить, позволяющая отличить настоящее от прошедшего…

Представим себе положение: перед нами находится черный, полностью изолированный ящик, внутри которого происходят какие-то процессы. Мы не можем заглянуть внутрь этого ящика, не можем просветить его рентгеновскими лучами или ультразвуком. Единственный прибор, имеющийся в нашем распоряжении, — это термометр. Если, поместив этот прибор внутрь черного ящика, мы увидим, что показания его не меняются, какие заключения можем мы сделать из этого факта? Прежде всего мы можем предположить, что в ящике происходят только обратимые процессы. При таком предположении «молчание» термометра объясняется наиболее просто: запрет, налагаемый в обратимой системе на теплообмен, лучше всякой теплоизоляции предохранит шарик термометра от нагрева.

Но вот — удивительное дело — столбик термометра начинает увеличиваться, мы можем уверенно сказать: в ящике происходят необратимые процессы. Прошлое в нем стало отличаться от будущего, предшествующий момент от предыдущего, причины стали отделяться от следствий. Другими словами, в системе появилось время. Однако так продолжается не вечно. Наступает в конце концов момент, когда столбик термометра останавливается. Хотя и на более высокой отметке, но останавливается.

Это означает, что все необратимые процессы, которые могли произойти, — произошли, все движения — остановились, все температуры — выравнялись, и система достигла состояния термического равновесия.

В этом состоянии, которое Клаузиус называл «некоторым мертвым состоянием инерции», компенсации не появляются не потому, что в системе происходят только обратимые процессы, а потому, что в ней не происходит больше никаких процессов вообще. На языке термодинамики это означает, что в состоянии термического равновесия в изолированной системе достигает своего максимального значения энтропия. Нетрудно понять, что в тот самый момент, когда столбик термометра останавливается, в черном ящике снова исчезает время, и находящаяся в нем система приобретает сходство с пространством в том смысле, что она простирается, но не «продвигается». Так выявляется связь между временем и возрастанием энтропии в изолированной системе.

Примерно такая линия рассуждений привела английского физика А. Эддингтона к парадоксальному на первый взгляд утверждению: время следует измерять не часами, а термометрами… Действительно, проанализировав проблему и убедившись: «Ничто не может выделить направление времени, если этого не может сделать энтропия», Эддингтон понял, что, строго говоря, время следует измерять только энтропиометром. А такой прибор в принципе должен состоять из двух термометров, измеряющих температуры горячего и холодного тел, находящихся в тепловом контакте. Из двух моментов времени тот, который соответствует меньшей разности температур, будет последующим. И это — единственный признак, по которому мы можем определить направление времени — «стрелу времени», как говорил Эддингтон. Так время — возвышенное время поэтов и философов — оказалось неожиданным и причудливым образом связанным с «чумазой» энтропией физиков и инженеров.

В годы второй мировой войны видную роль в сражениях на море сыграл американский адмирал Кинг. После войны одно издательство предложило Кингу написать книгу о боях, в которых он участвовал, и рассказать, какими соображениями он руководствовался, принимая в ходе боевых действий правильные решения. И что же? Адмирал написал книгу, охватывающую всю его жизнь, причем в ней о ранних годах жизни, о детстве, об учебе рассказывалось гораздо подробнее, чем о морских операциях. Когда адмиралу указали на это, он с изумлением сказал, что вся его жизнь оказывала влияние на решения, принимавшиеся в ходе морских сражений…

Критики справедливо возражали адмиралу, что если принять его точку зрения, то вообще ни о чем невозможно писать. Ведь кроме опыта детских и школьных лет на решения Кинга влияли и свойства его характера, унаследованного им от родителей. Поэтому надо было бы написать и о них, и вообще обо всех предках адмирала, теряющихся в тумане отдаленных эпох, что, конечно, невозможно за отсутствием сведений. А раз уж строгое решение задачи недоступно, адмиралу следовало бы, по мнению критиков, дать в начале книги одну-две главы, в которых суммировался бы его жизненный опыт, указывались бы черты его характера, принципы, правила и взгляды. Зафиксировав, таким образом, отправную точку, адмирал мог бы перейти к описанию военно-морских операций и своего в них участия.

Сами того не подозревая, критики рекомендовали адмиралу воспользоваться методом, которым издревле пользуются астрономы и механики. На протяжении столетий занимаясь изучением движений, мало зависящих от необратимых процессов и вызываемого ими торможения, они все время старались избавиться от этих кажущихся им мелкими и несущественными помех. И наконец, им удалось сделать это и составить простые, строгие, стройные уравнения классической механики, очищенные от необратимых процессов. Уравнения, справедливость которых сохраняется даже при перемене знака времени. Уравнения, в которых время обратимо и может течь с одинаковой легкостью как в будущее, так и в прошлое.

Мы уже знаем, что представление об обратимом времени — это вопиющее противоречие, что в полностью обратимом мире время не делается обратимым, а исчезает, делается невозможным. Но, как ни парадоксально, такое противоречивое представление оказалось весьма ценным для науки. Ведь с его помощью удалось исторгнуть механические движения из жестких и многообразных причинных взаимосвязей реального мира и буквально препарировать их. В обратимом времени классической механики можно делать вещи, немыслимые в реальном времени. Рассматриваемые в обратимом времени процессы всегда можно остановить, вернуть назад, чтобы уточнить ускользающие от внимания детали. Благодаря этому течение механических процессов может быть понято и изучено так обстоятельно, как никогда не может быть оно понято и изучено в реальном мире. Но после того как такой теоретический анализ закончен, перед исследователем во всей сложности встает вопрос: а что с этим достигнутым пониманием делать? Как приложить его к изучению природы? Как включить его в реальное время?

Можно было бы, следуя правилу адмирала Кинга, попытаться описать движение всех планет с момента образования Солнечной системы, то есть, образно говоря, протянуть параллельно нити реального времени нить времени фиктивного, существующего только на бумаге. Если бы составленные нами уравнения учитывали все существенные детали движения небесных тел, мы получили бы возможность точно предвидеть будущее Солнечной системы на какое угодно число лет вперед. Но у этого метода есть один недостаток: его невозможно осуществить на практике из-за полного отсутствия сведений о механизме возникновения Солнечной системы.

Гораздо практичнее методы критиков адмирала. Ведь можно начинать отсчет времени не с момента зарождения Солнечной системы, а с любого момента, лишь бы мы могли его надежно зафиксировать.

Это означает, что мы должны мысленно рассечь нить мирового времени и измерить координаты и скорости, которые имели все планеты в это «остановленное мгновение». Момент, для которого зафиксированы все эти величины, мы можем назвать начальным моментом, а значения самих этих величин — начальными условиями. Ясно, что начальные условия есть не что иное, как способ привязки уравнений классической механики с их фиктивным временем к конкретной изучаемой системе, существующей в реальном времени. Подставляя значения начальных условий в уравнения механики, мы как бы прививаем к стволу реального времени ветвь времени фиктивного, воображаемого.

Если нам удалось составить уравнения, учитывающие все взаимодействия тел в системе, и точно зафиксировать все начальные условия, ветвь фиктивного времени получается как бы параллельной стволу реального времени, и мы получаем уникальную возможность предвидеть будущее на какое угодно число лет вперед. Если же от нашего внимания ускользнули какие-то тонкие детали и взаимодействия, если мы недостаточно точно измерили начальные условия, то ветвь расчетного и ствол реального времени оказываются как бы не параллельными, а расходящимися. И расходятся они тем круче, чем дальше сделанные нами допущения отстоят от действительности и чем с меньшей точностью измерены начальные условия.

Где количество факторов, определяющих ход процесса, невелико и где точность измерения начальных условий высока, там можно уверенно делать предсказания на сотни лет вперед. Где же процесс зависит от множества сложно взаимосвязанных факторов и где для получения начальных условий требуется произвести одновременные измерения в тысячах точек, там удается предвидеть грядущие события лишь на несколько дней, а то и часов. И в этом разгадка парадокса: затмение удаленного от нас на миллионы километров Солнца можно предсказать за сто лет вперед, а появление над нашей головой грозового облака, удаленного от нас на несколько километров, удается предсказать всего лишь за несколько часов.

На первый взгляд может показаться, что предвидение будущего упирается в чисто технические трудности. Да, вычислительные способности человека ограниченны. Да, трудно измерить одновременно температуры, давления, скорости ветра и десятки других параметров в тысячах точек земного шара. Но разве нельзя создать вычислительную машину, работающую в миллионы раз быстрее мозга? Разве нельзя с помощью спутников мгновенно получить нужную информацию из любой точки земного шара? Пусть по причинам технического порядка сделать это трудно или даже вообще невозможно. Но в принципе что может помешать нам вообразить такую машину или такое разумное существо?

Двести лет назад считалось, что принципиальных ограничений для этого нет. «Разумное существо, — писал в 1780 году знаменитый французский астроном и математик Лаплас, — которое в каждый данный момент знало бы все движущие силы природы и имело бы полную картину состояния, в котором природа находится, могло бы — если бы его ум был в состоянии достаточно проанализировать эти данные — выразить одним уравнением как движение самых больших тел мира, так и движение мельчайших атомов. Ничего не осталось бы для него неизвестным, и оно могло бы обозреть одним взглядом как будущее, так и прошлое…»

Какие возможности! Какие поистине фантастические возможности! Перед существом, которое смогло бы измерить начальные условия для одного-единственного мгновения в жизни нашей планеты, раскрылись бы все тайны, на протяжении тысячелетий волнующие человечество. Не заглядывая в секретнейшие архивы, оно смогло бы восстановить все то, что в них хранится. Оно смогло бы рассказать, в какой степени мифы и легенды древности соответствовали действительным событиям. Оно смогло бы во всех деталях описать зарождение жизни на Земле, формирование нашей планеты, да и всей Солнечной системы. С такой же легкостью существо это могло бы переноситься в мыслях своих на любое число лет в будущее: предсказать каждому из нас судьбу; сказать, что произойдет с нашей планетой и со всей Солнечной системой через тысячу миллиардов лет; поведать о мирном завоевании космического пространства человечеством. Не случайно такое воображаемое разумное существо, наделенное поистине сверхъестественными способностями, стали впоследствии называть демоном Лапласа.

Конечно, никто никогда не сомневался в том, что демон Лапласа — разумный или механический — невозможен. Разве можно мгновенно измерить миллиарды миллиардов величин, составляющих начальные условия? Разве можно мгновенно решить миллиарды миллиардов уравнений? Разве можно учесть взаимодействия миллиардов миллиардов тел, когда даже задача взаимодействия трех тел не имеет точного решения? Так получилось, что чисто технические трудности скрыли, замаскировали глубокие фундаментальные научные проблемы, о которых даже не догадывался Лаплас в 1780 году. И эти проблемы с обескураживающей очевидностью выявились в наше время, когда появились электронные вычислительные машины…

Если трудно, да и просто невозможно, создать демона, способного усвоить и переварить бесчисленное количество цифр, необходимых для овладения реальным временем нашей планеты, то, по-видимому, нет никаких препятствий для того, чтобы создать маленького бесенка — устройство, способное предсказывать события будущего и восстанавливать события прошлого для какой-нибудь очень простой системы, в которой начальные условия могут быть заданы одним-двумя десятками чисел. Возьмем, к примеру, десять одинаковых абсолютно упругих шаров и выстроим их в одну линию внутри квадратного ящика с абсолютно упругими стенками. Конечно, сделаем это не с настоящими, не с реальными шарами, которым свойственны неизбежные отклонения от идеальных характеристик, а с их математическими моделями, заложенными в виде набора цифр в программу электронно-вычислительной машины. Сделав это, одновременно сообщим всем шарам одинаковые по величине и по направлению скорости, тоже, конечно, в виде набора цифр, введенных в программу.

Очевидно, что дальнейшее движение шаров будет подчиняться очень простым и точным законам упругого соударения их между собой и с упругими стенками ящика. Дадим вычислительной машине поработать, положим, час. Затем остановим движение всех шаров и обратим движение времени вспять, то есть одновременно сообщим всем шарам скорости, равные по величине, но противоположные по направлениям тем скоростям, которые они имели в момент остановки. Что произойдет через час? Поскольку шары и стенки абсолютно упруги и никаких потерь в нашей идеальной математической модели нет, ровно через час шары должны сами собой выстроиться в одну линию.

Ученые провели такой эксперимент. И каково же было их удивление, когда по прошествии часа они обнаружили: шары и не думают выстраиваться в одну линию, а совершают внутри ящика хаотическое движение, не отличимое от того, которое они совершали до обращения времени вспять… Отпрыск лапласовского демона оказался не бесенком, а слепым щенком!

Анализ обескураживающего результата этого эксперимента, очищенного от непредсказуемых последствий необратимости, свойственных реальному миру, теперь уже не представлял особых трудностей. Все дело оказалось в том, что вычислительная машина ведет расчет не с бесконечно большой точностью. Координаты и скорости шаров она вычисляет, к примеру, с точностью до шестого знака. Ошибка в седьмом знаке, не оказывающая большого влияния при одном соударении, складывается с ошибкой второго, третьего и т. д. соударений, и в конечном итоге накопление неточностей становится таким большим, что невозможно никакое предсказание.

Можно предложить более простой и потому более наглядный мысленный эксперимент: идеальный упругий шар, мечущийся между двумя абсолютно упругими строго параллельными стенками. Если расчет координат шара ведется с конечной точностью, то погрешность расчета, накопляясь по мере многократного отражения от стенок, в какой-то момент превысит расстояние между самими стенками. С этого момента единственное, что мы можем сказать о движении шара, — это то, что он находится где-то между стенками.

Очевидно, если точность расчетов невелика, они позволяют мысленно заглянуть лишь в недалекое будущее системы. Чем выше точность измерений и расчетов, тем дальше отодвигается горизонт предвидимого. Но лишь при бесконечно большой точности можно провидеть сколь угодно далекое будущее системы.

Может возникнуть вопрос: при чем тут электронно-вычислительная машина? При чем тут точность расчетов? Ведь, если так можно выразиться, «настоящий», выполненный в натуре из абсолютно упругого материала шар не рассчитывает своей траектории. Он ударяется, движется, отражается, даже «не задумываясь» о том, с какой точностью он это делает. На характер его движения может оказать влияние объективно существующий в природе физический процесс, скажем, трение, но никак не субъективная, существующая только в нашем представлении неточность расчетов.

Вот к какому парадоксу привела маленькая некорректность, допущенная некогда при составлении уравнений классической механики. Действительно, как уже написано на стр. 107–108, в обратимой системе время отсутствует. Но что может помешать нам соотносить движения, происходящие в обратимой системе, с показаниями часов, идущих в нашем или вообще в любом необратимом мире? В таком случае будут и волки сыты, и овцы целы: мы ухитримся и обратимость изучаемых процессов сохранить, и необратимость времени соблюсти. А самое главное: сможем анализировать во времени поведение обратимых систем, в которых времени вообще нет!

Задумаемся теперь, за счет чего удалось достичь такого чудодейственного симбиоза, пускай грешащего против дотошной логики, но зато давшего богатую научную жатву, которой так славна классическая механика?

Оказывается, уравнения классической механики могут «срабатывать» только тогда, когда изучаемая система доступна наблюдению. В противном случае тела в системе будут двигаться сами по себе, а часы в нашем мире будут идти сами по себе. Чтобы сопоставить каждое показание часов с координатами и скоростями движущихся тел, необходимо наблюдать эти тела, необходимо измерять характеризующие их движение величины. А это значит, что между системой изучаемой — объектом и изучающей — наблюдателем должен быть контакт, должно быть взаимодействие.

В классической механике считалось, что это взаимодействие ничтожно, что оно не влияет на движение объекта, что оно не играет поэтому принципиальной роли и им можно всегда пренебрегать. И действительно, движение Луны вряд ли изменится от того, будем мы на нее смотреть или нет. Созерцая полет искусственного спутника Земли, мы, безусловно, находимся с ним в некотором взаимодействии, но едва ли оно хоть на йоту изменяет его траекторию. Струи Ниагарского водопада будут падать сами по себе независимо от того, смотрят на него тысячи туристов, один-единственный индеец или вообще никто.

Все это было так естественно и так очевидно, что никому в голову не приходило никаких сомнений. Считалось, что изучаемый объект — это одно, а наблюдатель — другое. Что процесс измерения никак не влияет на поведение изучаемой системы. Что в крайнем случае это влияние можно устранить с помощью приборов или исключить путем вычислений. Искусственность симбиоза движений, происходящих в изучаемых системах, и времени, текущего в мире наблюдателя, не вылезала наружу на протяжении многих лет. Поэтому ученые подспудно укрепились в мнении, что уравнения классической механики дают ценные практические результаты вполне закономерно, что за искусственность симбиоза расплачиваться не придется, что она никогда не даст о себе знать и не принесет никаких неожиданностей в будущем.

Вот почему открытия в области молекулярной и атомной физики, которыми ознаменовалось наступление XX века, произвели впечатление разорвавшейся бомбы. Оказалось: уравнения классической механики давали отличные практические результаты только потому, что энергия изучаемых механических движений в неисчислимое множество раз превышала энергию, необходимую для их наблюдения. Но энергия движения молекул, атомов и электронов сопоставима с энергией, необходимой для наблюдения. Поэтому в молекулярной или атомной физике каждое наблюдение искажает состояние системы и аннулирует добытые ранее значения других величин… Вот почему анализ процесса измерения в физике XX века выдвинулся на одно из первых мест и привлек к себе внимание крупнейших физиков как в нашей стране, так и за рубежом.

Тем большее изумление вызывает проницательность знаменитого шотландца Джеймса Максвелла, который еще в 1871 году, во времена абсолютного господства классических представлений, предугадал, какими удивительными парадоксами чревато убеждение в том, что нет принципиальной разницы между наблюдением макроскопических и микроскопических тел, между наблюдением за движением футбольных мячей и молекул…

Когда в 1911 году на Первом Сольвеевском съезде в Брюсселе Мария Кюри-Склодовская упомянула о демоне Максвелла, никто из участников съезда не выразил никакого удивления. За сорок лет ученые привыкли к этому странному воображаемому существу, которое, пребывая в полном одиночестве, не уставало тем не менее бросать вызов многочисленной научной рати. И вызов этот был не по мелочам, не шуточный: демон Максвелла брался сделать то, что по всем физическим законам сделать было невозможно! Он брался в неограниченном количестве получать работу от любой системы, находящейся в термодинамическом равновесии, в том самом «мертвом состоянии инерции», в котором энтропия достигает максимума, а время исчезает.

Но предоставим слово самому Максвеллу:

«Одним из наиболее точно установленных фактов в термодинамике является следующий: в системе, заключенной в оболочку, которая не допускает ни изменения объема, ни передачи теплоты, и в которой температура и давление одинаковы в любой точке, невозможно добиться неравномерности температуры или давления без затраты работы… Но если мы вообразим себе разумное существо, способности которого настолько обострены, что оно может следить за путем каждой молекулы, то такое существо, обладая качествами столь же существенно ограниченными, как и наши собственные, могло бы делать то, что в настоящее время для нас невозможно. Ведь мы знаем, что в сосуде, заполненном равномерно нагретым воздухом, молекулы движутся со скоростями далеко не равномерными, хотя средняя скорость любого произвольно взятого большого их количества будет почти точно равномерной. Теперь давайте представим себе, что сосуд разделен на две части А и В перегородкой, в которой есть маленькое отверстие) и что существо, которое может видеть отдельные молекулы, открывает и закрывает это отверстие, пропуская только наиболее быстрые молекулы из части А в часть В, и только самые медленные молекулы из части В в часть А. Оно, таким образом, будет повышать температуру в части В и понижать в части А без затраты работы…»

Выходит, маленький, не требующий никакого питания и снабжения демон только за счет замечательной тонкости и остроты чувств может обратить время вспять, может получать работу за счет теплового движения, содержащегося в атмосфере, океане и земной коре, сделав ненужным свет и тепло солнца, уголь и нефть, гидроэлектростанции. Короче говоря, маленький демон, придуманный Максвеллом, мог противостоять необратимости, ибо острота его чувств побеждала поистине космические последствия трения и теплообмена!

Будучи не в силах ни поверить в столь дерзкие обещания демона, ни найти изъяна в его устройстве и функционировании, современники Максвелла поспешили попросту отмахнуться от созданного его воображением демона. Мало ли что можно навыдумывать! Раз не существует демон в природе, значит, и говорить не о чем. Клаузиус так прямо и заявил: меня, мол, интересует не то, что может сделать теплота с помощью демонов, а то, что она может сделать своими собственными силами. Австрийский физик Л. Больцман подверг сомнению саму возможность существования демона: «…если бы все температурные разности выравнялись, то не могло бы возникнуть и никакое разумное существо». Но отмахнуться не значит объяснить. «Разумность» вовсе не лежала в основе действия максвелловского демона. Он мог быть не обязательно живым и разумным существом, но и прибором, и машиной, и мембраной, наконец. Его конкретное исполнение не играло принципиальной роли. Максвелл предложил теоретическую схему, и следовало либо принять ее, либо найти в ней теоретический изъян.

Теперь мы понимаем: не зная фундаментальных основ процесса наблюдения, считая, что наблюдение «ничего не стоит», найти изъян в схеме максвелловского демона невозможно. И в этом разгадка того странного отношения к нему большинства ученых на протяжении целого полустолетия. Демона признавали, но не принимали всерьез. Да, мол, есть такой демон Максвелла, деятельность которого противоречит физическим законам, а в чем там именно дело, мы объяснить не можем. Но это так, умозрительный парадокс, причудливая игра гениального ума. Более осторожные намекали: эта научная фантазия дает-де образное представление о возможных будущих успехах знания. И за этими осторожными словами угадывались перспективы поистине фантастические: электростанции, которые вечно вырабатывали бы электроэнергию, не требуя топлива.

«Будущие успехи знания» были действительно не за горами, но, не оправдав утилитарных надежд на получение даровой энергии, они оказались чрезвычайно важными для науки, показав, что наблюдение и измерение — процессы необратимые, не могущие протекать без выделения тепла, то есть без возрастания энтропии…

С 1930-х годов начались попытки «изгнания демона»; разные ученые в разных странах непрерывно атаковали его с разных сторон. Прежде всего было обращено внимание на то, что «система, заключенная в оболочку, которая не допускает ни изменения объема, ни передачи теплоты и в которой температура и давление одинаковы в любой точке», наполнена излучением абсолютно черного тела. А это значит: внутри такой оболочки невозможно отличить лучи, испускаемые летающими молекулами, от лучей, испускаемых стенками. Чтобы демон мог видеть молекулы, они должны быть освещены извне, то есть система не должна находиться в равновесии…

Но демон тоже оказался не так прост. Намереваясь снабдить все человечество даровой электроэнергией, располагая, таким образом, неисчерпаемыми ее запасами, неужели он не решился бы ответвить часть ее, до того чтобы посветить самому себе?

Это усложнило задачу ученых. Одно дело изгнать демона простым логическим рассуждением: мол, слеп, значит, не действует, значит, говорить больше не о чем. И совсем другое, когда нужно расчеты делать, доход-расход определять, балансы подводить. Доказывать, что доход — энергия, полученная за счет разделения быстрых и медленных молекул, — обязательно будет меньше, чем расход, вызванный потерями. Поиски этих потерь оказались весьма плодотворными для науки.

Прежде всего было уяснено: заслонка — род храповика или анкерного механизма, — чтобы пропускать молекулы только в одну сторону, должна обязательно превращать механическое движение в тепловое, то есть должна выделять теплоту, должна генерировать энтропию за счет необратимого трения. Сам демон тоже должен быть принципиально необратимым механизмом. Ведь если в его теле нет необратимых потерь, его рука, к примеру, толкнув заслонку, начала бы совершать бесконечно долгие колебания. Остановить их можно было бы только включением звена, в котором есть трение. А органы чувств демона? Допустим, что все процессы в них полностью обратимы: тогда глаза демона должны быть либо абсолютно прозрачными и пропускать все падающие на них световые лучи, либо абсолютно зеркальными и полностью отражать их. Чтобы видеть, глаз — не только демона, но и любого живого существа или светочувствительного прибора — должен необратимо поглощать свет, превращая его в тепловое движение. Другими словами, глаз должен быть подобием абсолютно черного тела, поэтому всюду, где мы сталкиваемся со зрением, мы обязательно обнаруживаем черный зрачок. Даже если бы нам удалось осуществить фантастическую мечту и с помощью шапки-невидимки стать абсолютно прозрачными, мы, чтобы остаться зрячими, все равно должны были бы оставить черными зрачки глаз. Не случайно поэтому у почти невидимых аквариумных прозрачных окуней единственная окрашенная точка — это зрачок глаза.

Тепловыделение, генерирование энтропии должно сопровождать работу не только глаза, но и всех других органов чувств. Чтобы видеть, слышать, осязать, обонять, живое существо в органах чувств должно выделять теплоту, должно генерировать энтропию. Работа органов чувств животного, как и работа приборов, выполняющих такие же функции, немыслима без протекающих в них необратимых процессов и обязательно сопровождающего такие процессы тепловыделения. И в органах чувств тепловыделение не потеря, а непременное условие, без выполнения которого их действие в принципе невозможно.

В 1929 году венгерский физик Л. Сцилард обнаружил у максвелловского демона еще один источник потерь. Сцилард обратил внимание на такую деталь: чтобы открывать и закрывать заслонку, демону мало увидеть подлетающую молекулу. Ему еще надо отличить быструю молекулу от медленной, чтобы перед первой распахнуть заслонку, а перед второй — захлопнуть. Так вот, для такого различения демон должен сравнить скорость подлетающей молекулы с некоторой цифрой, обозначающей как бы водораздел между быстрыми и медленными молекулами. Чтобы сохранить эту цифру и сравнивать с ней значения скорости подлетающих молекул, демону требуется память, то есть следы былых изменений, зафиксированные в мозгу благодаря выделению теплоты, благодаря генерированию энтропии. Выходит, демон Максвелла должен быть одновременно и демоном Лапласа. Но даже и это еще не все. Для успешного выполнения задачи, заданной ему некогда Максвеллом, демон должен быть еще и метрологом…

В самом деле, откуда демон может узнать, какова скорость подлетающей к нему молекулы? Быстрая она или медленная? Очевидно, он должен произвести измерение скорости. А это измерение требует тем больше работы, чем больше требуемая точность. И вся эта работа должна быть необратимо превращена в теплоту в процессе измерения…

Э-э-э! Да это не демон, а целая лаборатория! И все это нагорожено ради того только, чтобы пропустить или не пропустить через отверстие одну-единственную молекулу! Тут считать да считать, и никто не даст никакой гарантии, что все эти расчеты — достаточное основание для надежного изгнания демона.

К счастью, во всех этих расчетах нет необходимости. Демон действительно невозможен, но совсем по другим причинам, чем те, которые выдвигались. Ключ к его изгнанию дал сам Максвелл, который некогда писал: «Лишь только мы начинаем видеть раздельно молекулы, тепло разрешается в движение», причем в движение обратимое, очищенное от потерь на трение и теплообмен. Если демон состоит из таких же атомов и молекул, в его теле «тепло тоже разрешается в движение». Он тоже оказывается полностью обратимым механизмом, и как таковой не в состоянии ни видеть, ни слышать, ни запоминать, ни пошевелить рукой.

Сделать все это он смог бы лишь в том случае, если бы он состоял из частиц, размер которых во столько раз меньше размера молекул, во сколько молекула меньше человека. По данным английского физика Фурнье Дальба, размеры этих частиц должны быть примерно в 10¹⁰ раз меньше, чем молекулы. А это означает, что в таком случае демон Максвелла принадлежал бы совершенно иному миру — инфрамиру, как называл его Дальб. Если бы в этом, подчеркиваем, гипотетическом мире существовало, если так можно выразиться, инфратепловое движение, демон мог бы обрести зрение, ибо стали бы возможны необратимые процессы, необходимые для работы органов чувств. В таком мире можно было бы и получать работу от системы, которая нам представляется находящейся в термодинамическом равновесии. Вопрос только в том, возможен ли такой мир. Ведь тогда можно предположить и существование «супра-мира», для обитателей которого планеты все равно что для нас молекулы. Они могут считать: никакой энергии нельзя получить от движущихся крохотных на их взгляд планет, от которых мы получаем энергию запросто — например с помощью приливных станций, использующих энергию вращения Луны вокруг Земли.

Хотя демон Максвелла изгоняется не тем путем, который рисовался многим ученым, их исследования оказались очень важными для науки, заложив основу современной теории информации. Но поразительнее всего то, что в результате их многолетних усилий лишь постепенно прояснялась картина, которую русский физик Н. Умов ясно представлял себе еще в 1901 году. В своей статье «Физико-механическая модель живой материи» он писал:

«Без затухания, без излучения, словом — без рассеяния энергии, ни один орган не мог бы исполнять своего назначения и не мог бы иметь прочного существования. Если бы световые вибрации сохранялись в сетчатой оболочке нашего глаза, мы имели бы постоянно возрастающее ощущение блеска и в результате — отсутствие отчетливости ощущений и слепоту. То же самое мы могли бы сказать и о барабанной перепонке, если бы в ней сохранялась энергия звуковых волн, падающих на нее в течение нашей жизни…

Следовательно, энергия, пробегающая от наших органов чувств к центральным частям нервной системы, должна затухнуть, т. е. излучиться, но должна в то же самое время оставить след. Такой след на языке физики есть запись энтропии: „…Записи энтропии, накопляясь, сохраняют свою раздельность, они образуют память, основу психической деятельности. Без закона энтропии психическая деятельность была бы невозможна…“»

Хотя физики позднейшего времени пришли к идеям Умова с большим запозданием, они пришли к ним на ином уровне подготовки. То, что Умов утверждал лишь умозрительно, они могли подтвердить расчетами. И расчеты эти показали, как далеки от истины были люди прошлого столетия, считавшие, что подумать легче, чем сделать; что рассчитать легче, чем построить; что вообще добыча и обработка информации легче, чем добыча и обработка материалов или энергии.

Грубые процессы трения и теплообмена, также, казалось бы, далекие от тонких «духовных» процессов измерения и расчета, в действительности оказались необходимыми условиями их существования. Можно и нужно стремиться к максимальному снижению потерь в наших измерительных и вычислительных устройствах, но мы должны ясно понимать, что тепловыделение в них не только помеха, но и принципиально необходимый и свойственный таким операциям процесс. Вот почему эфемерная точность измерений и расчетов может порой потребовать колоссальных расходов энергии, значительно превышающих расходы на плавление металлов, перевозку и подъем тяжелейших грузов, возделывание земли.

По подсчетам французского ученого Л. Бриллюэна, для измерения длины с точностью до 10^-50 см потребовалась бы энергия, равная 210³⁴ эрг. Поглощение одного-единственного кванта с такой энергией в процессе измерения привело бы к мгновенному взрыву лаборатории, а заодно и всей Земли. Не менее неожиданными оказываются и расходы энергии на расчетные работы. По данным А. Шлютера, для расчета молекулы метана требуется провести вычисления в 10⁴² точках. Если даже в каждой точке нужно выполнить всего 10 операций и вести вычисления при сверхнизкой температуре, то и тогда для расчета молекулы метана потребуется электроэнергия, производимая всеми электростанциями земного шара в течение столетия!

А демон Лапласа? Да прежде чем он мог бы сказать, что произойдет через секунду, он развалил бы нашу Землю на мелкие куски!

Нигде, пожалуй, не было высказано столько разнообразных и разноречивых формулировок, сколько в попытках дать определение понятия жизнь. Одна из первых принадлежит французскому философу XVII века Р. Декарту, который с безбоязненной последовательностью проводил мысль: живой организм есть механический автомат, в котором все процессы регулируются и управляются чисто механически с помощью клапанов, рычагов, заслонок. Спустя сто лет то, что Декарт рассматривал как чисто теоретическую возможность, стало реальностью. В веке XVIII началось повальное увлечение изготовлением кукол-автоматов, способных выполнять целесообразные действия: играть на клавесине, рисовать, передвигать шахматные фигуры. В наши дни человекообразные роботы могут выполнять задачи и посложнее: отвечать на телефонные звонки, давать всевозможные справки, передвигаться, разговаривать. Они даже могут приобретать некоторый практический опыт в процессе «жизни». Но разве решится кто-нибудь утверждать, что эти куклы и эти роботы — живые? Значит, способность передвигаться, рисовать и вообще производить целесообразные действия еще не может служить верным признаком живой материи.

Действіительно, случись ситуация посложнее, начнись, скажем, в помещении пожар, живой человек сразу сообразит, что сделать для своего спасения, а кукла-автомат будет продолжать играть на клавесине, пока не сгорит. Так может в этом характерный, признак — в самосохранении? Но в таком случае следует признать живым и кусок металла, который на воздухе покрывается слоем окиси, предохраняющей его от дальнейшего разрушения.

Некоторые ученые пыталась определить жизнь как процесс приспособления системы к окружающей среде, как непрерывное приноравливание ее внутренних отношений к внешним. Но и это определение недостаточно: существуют сотни систем регулирования, приводящих все внутренние процессы в машине к равновесию с внешней нагрузкой. И разве от этого они становятся живыми?

Были и такие специалисты, которые считали: секрет жизни — в способности к размножению. Разве это свойство не является коренным, фундаментальным признаком жизни? Разве оно встречается в неживой природе? Однако не так давно, в 1959 году, американский ученый Л. Пенроуз показал, что можно создать чисто механические самовоспроизводящиеся системы, не имеющие ничего общего с живыми существами…

Постепенно ученые пришли к мысли, что жизнь не определяется какой-то одной чертой, одним признаком, но являет собой совокупность характеризующих ее процессов. «Как часто сравнивали человеческую жизнь с пламенем, — писал сто лет назад немецкий физик Г. Гельмгольц. — И между тем, даже людям умным и образованным нелегко усвоить себе важнейшую сторону этого сравнения». И действительно, пламени свойственны многие функции, считающиеся характерными для живого организма. В нем, например, как и в живом организме, происходит химическое изменение, которое само себя поддерживает. В нем, как и в живом организме, происходит своеобразный обмен веществ. В нем, как и в живом организме, есть даже дифференциация частей: горючее вещество втягивается и смешивается с кислородом в нижней части, а продукты сгорания выделяются в верхней. Пламя, так же как и живой организм, способно расти, размножаться и умирать. Оно способно перемещаться в поисках новой пищи, способно развивать «защитный покров» — вспомните тлеющие угольки, а иногда даже обнаруживает некое подобие «чувствительности» — откликается на отдельные звуки. Мысль Гельмгольца позднее подхватил немецкий физико-химик В. Оствальд. Живая материя, считал он, есть самосохраняющийся и самоснабжающийся очаг установившихся превращений энергии. Ее можно уподобить горящей лампе, которая сама добывает сжигаемый керосин.

Сейчас мы ясно понимаем, что сделать такую установку нетрудно, но разве самоснабжающаяся горящая лампа станет живым организмом?

Впрочем, недостаточность этой формулировки не только была осознана уже в начале нашего века, но было даже указано, в чем именно эта недостаточность состоит. «Мы могли бы характеризовать пламя, как газообразное нецентрализованное животное, — писал уже упоминавшийся нами Фурнье Дальб, — если бы не отсутствие в нем всего, что напоминало бы привычку или память».

Действительно, может быть, в наличии памяти все дело? Может быть, память и есть исключительная принадлежность жизни? Но здесь сразу же автоматически выдвигается серьезное возражение: память, рассматриваемая как отпечатки необратимых процессов, как компенсации Клаузиуса, свойственна многим телам окружающего мира. Ведь в своих царапинах, щербинах и изломах каждый камешек хранит память о падениях, сжатиях и ударах. Складки гор, расположение пластов, трещины и разломы океанического дна — это тоже своеобразная память нашей планеты, хранящая следы процессов, происшедших на Земле миллионы лет назад. Есть, наконец, и более яркий пример — самая настоящая память у электронных вычислительных машин… Но разве повернется у кого-нибудь язык назвать камни, земную кору или даже вычислительные машины живыми?

Выходит, ни одна из этих формулировок не определяет понятия жизни. Но ведь не может же ученый, взявшийся сформулировать то или иное понятие, исходить из заведомо ложной посылки. По всей видимости, в каждом из этих определений выявлена одна действительно существующая сторона жизни, но ей неоправданно приписана способность обрисовать суть всего явления в целом.

В самом деле, жизнь немыслима без окисления, без тепловыделения, без непрерывного самоснабжения всеми необходимыми для жизнедеятельности веществами. Живой организм немыслим без чисто механических деталей — суставов, клапанов, жил, листьев, стволов. Жизнь давно пресеклась бы, если бы живое не стремилось к самосохранению или было не в состоянии приспособить свои внутренние отправления к внешним условиям. Что же касается памяти, то не будет преувеличением сказать: без памяти невозможны ни обмен веществ, ни поддержание формы, ни самоснабжение, ни самосохранение, ни размножение, ни любая другая функция, считающаяся неотъемлемым свойством жизни. Но память в живом организме отличается от «памяти» камня или земной коры, и отличается основательно…

Возникая как обычная компенсация Клаузиуса, то есть как остаточное изменение, возможное только благодаря необратимому тепловыделению в запоминающих элементах, она в этой части ничем принципиально не отличается от царапин и щербин на поверхности камня, отпечатков геологической эволюции в земной коре и от электронной памяти машин. Действительно, несмотря на все различие процессов, происходящих в человеческом мозгу, в камне, в земной коре или в недрах вычислительной машины, они — процессы, чтобы оставить, после себя следы, должны обязательно необратимо выделить в соответствующих частях теплоту. Но существенно различается дальнейшая судьба отпечатков прошлого, накопившихся в неживых и в живых системах.

В неживых системах память оказывается простым следствием претерпенных процессов и никак не влияет на будущее поведение системы. Здесь она пассивна, равнодушна к судьбе своего носителя и суммирует прошлое бесцельно, в силу простой необходимости. Совсем иное дело живой организм. В нем отпечатки прошлого не лежат втуне, но становятся руководством к действию. В живых системах память активна. Накапливая прошлое, она изменяет поведение системы в будущем. Ей не безразлична судьба своего носителя. Более того, вся ее деятельность направлена на то, чтобы уберечь его от губительных сил, от опасности, от гибели. Таким образом, с помощью памяти овладевая прошлым, живой организм овладевает будущим; анализируя прошлое, намечает себе цель на будущее; изучая прошедшие события, составляет себе программу будущих действий. Осуществляя такую операцию, живой организм выполняет парадоксальную задачу: его действиями в настоящий момент руководит цель, лежащая в будущем, которая будет достигнута в результате самого этого действия. Выходит, что следствие как бы опережает здесь причину.

Конечно, это не так, причина никогда не опережает следствия. Но живой организм, наделенный памятью, может простирать мысль далеко за пределы своего личного существования и, опираясь на знание прошлого и настоящего, может строить мысленную модель, становящуюся причиной его будущих действий. В наиболее ярком, очищенном виде такая прогнозирующая деятельность живого организма проявляется в человеческой жизни, но в большей или меньшей степени она свойственна всем без исключения живым системам.

Не случайно еще в 1878 году, когда немецкий биолог Брюкке определил живые организмы как «механизмы, сами себя строящие», К. Тимирязев добавил: «…и обладающие историей», то есть памятью. Тогда, сто лет назад, такое определение жизни могло претендовать на то, чтобы быть исчерпывающим. Но сейчас, обогащенные опытом векового научно-технического прогресса, мы знаем, что в наших силах создать «механизм, который сам себя строит», «и обладает историей», и тем не менее не является живым. По сути дела, уже сейчас мы можем смоделировать, не только теоретически, но, пожалуй, и практически, все вышеуказанные функции живого организма. Конечно, модель получится очень сложной, в некоторых своих частях даже проблематичной. Но попытаемся все-таки представить, как она могла бы выглядеть.

Ее основа — подвижная кибернетическая черепаха или, пожалуй, даже краб, наподобие тех, которые описаны в одном из лучших рассказов Анатолия Днепрова «Крабы идут по острову». Будем считать, что арена «жизнедеятельности» крабов не остров, а обширное помещение, в разных частях которого установлены электрические розетки для подзарядки аккумуляторов и насыпаны груды деталей, из которых состоят крабы, — панцири, моторчики, ноги и т. д. Такое допущение не противоречит тому, что есть в реальной жизни: человеческий организм не синтезирует сам многих веществ, а берет их готовыми из окружающей среды.

У каждого краба должны быть следующие основные блоки: энергетический — аккумуляторы и двигатели; транспортный — приводы и ноги; технологический — орудия и инструменты; информационный — фотоэлементы и микрофоны; и блок управления — вычислительная машина, связанная линиями управления со всеми остальными блоками.

Даже будучи неподвижным краб непрерывно расходует энергию на работу «органов чувств» — фотоэлементов и микрофонов, и как только напряжение аккумулятора упадет до известной величины, блок управления подает сигнал на транспортный блок и краб мечется по помещению до тех пор, пока случайно не приткнется к розетке. «Насытившись», то есть зарядив аккумулятор до нормы, краб отходит от розетки и, подчиняясь случайным сигналам информационного блока, слоняется по помещению. Во время таких прогулок он многому научается: на магнитных лентах его памяти записаны некоторые правила, позволяющие ему накапливать информацию об «окружающей среде». Постепенно краб усваивает, что, забившись в темный и тихий угол, можно снизить расход энергии и реже выходить на поиски розетки; что, запомнив кое-какие ориентиры, можно не метаться по всему помещению, а двигаться к розетке кратчайшим путем. При необходимости он учится расчищать себе путь, убирая с дороги мешающие предметы, и даже исправлять мелкие повреждения своего механизма.

Но как случайно и хрупко существование такого краба. Стоит ему сломать ногу, повредить штырь подпиточного устройства или аккумулятор — и он обречен на гибель. Чтобы с его смертью не прервалась жизнь всего крабьего рода, в память краба надо заложить катушку с магнитной лентой, на которой записаны все его устройство и последовательность операций сборки. Наделенный такой катушкой, краб с помощью своего технологического блока сможет собирать из разбросанных по помещению деталей все новых и новых в точности подобных себе крабов.

Постойте, постойте… А откуда же он будет брать катушку, в которой хранятся описание его устройства и технология его сборки? Эту катушку ему придется изготовлять в блоке управления и вкладывать при «рождении» в блок управления новоиспеченного краба. Теперь смерть не страшна старому крабу. Пусть откажет любой механизм, пусть полностью разрядится аккумулятор, существование крабьего рода не прервется, если каждый собранный им молодой краб будет, в свою очередь, собирать все новых и новых себе подобных…

Но, увы, эти упования краба-родоначальника — упования молодости, еще не столкнувшейся с неумолимым действием времени. Взять, к примеру, его самого. Пусть даже не постигнет его ни одна из катастроф. Значит ли это, что он сможет жить вечно?

Нет, конечно. Из-за трения будут постепенно изнашиваться его детали, стареть электроизоляция, пригорать контакты, Из-за износа магнитной ленты ослабнет память. А в результате точность движений старого краба будет уменьшаться до тех пор, пока в один прекрасный день он окажется не в состоянии найти розетку…

Если износ деталей — причина старения и смерти отдельного краба, то жизни всей крабьей популяции угрожает износ другого рода. Магнитная лента, на которую записаны схема устройства и сборка отдельного краба, та самая лента, которая вкладывается в новоиспеченного краба при рождении, в результате многократного переписывания тоже постепенно искажается помехами. Со сменой поколений помехи эти накапливаются, запись становится менее и менее точной и менее и менее точной становится ведущаяся по записи сборка новых крабов. Они получаются не такими молодцеватыми, как прежде, чаще гибнут от того, что где-нибудь гайка затянута слабо, или от другого мелкого дефекта. А там, глядишь, появились и вообще крабы-уродцы: у кого ноги не хватает, у кого фотоэлемента, у кого катушка в память не вложена… Начинается неумолимое вырождение всего рода. Не правда ли, удивительно похоже на то, что случается иногда в реальной жизни!

Выходит, не так уж трудно смоделировать жизнь. Ведь наша в принципе несложная модель осуществляет многие функции жизни: и способность передвигаться, и автоматизм, и целесообразность действий, и самосохранение, и приспособление внутренних отношений к внешним, и память, и размножение. Добавьте к этому списку любое новое функциональное требование, и ценой дополнительного усложнения модели оно будет воспроизведено. Таким образом, поведение механических крабов может сколь угодно близко соответствовать поведению крабов живых.

Так что же, мы создали искусственную жизнь? Увы, нет. Мы лишь создали систему, моделирующую часть функций жизни. Чтобы действительно создать искусственную жизнь, чтобы превратить механических крабов в настоящих, необходимо произвести над ними операцию, которая никому еще не удавалась. И эта операция — минимизация…

В самом деле, начнем постепенно уменьшать наших крабов, следя за тем, чтобы они, видоизменяясь как угодно, сохраняли бы только одно — способность выполнять все указанные выше функции? Это значит, что по мере уменьшения краба можно отказываться от конкретного исполнения отдельного узла и использовать принципиально иную конструкцию, способную, однако, выполнять ту же операцию, которую выполняет заменяемый узел. Скажем, можно отказаться от раздельного снабжения электроэнергией и деталями, заменив их блоками, в которых нужные детали совмещены с источником энергии. По мере уменьшения может оказаться ненужной дифференцированная система органов чувств и органов перемещения. Скажем, миникраба поместят в жидкий объем, в котором он будет передвигаться с помощью сокращающихся жгутиков. А все сигналы внешнего мира сведутся тогда к изменению температуры и концентрации солей в жидкости…

Так вот, если последовательно и неуклонно проводить эту операцию минимизации, мы убедимся, что наименьшей из всех мыслимых систем, способных выполнять все функции краба (и еще многое другое), является живая клетка. Наименьшие из всех энергетических, транспортных, информационных и многих других блоков — молекулы белков. Эти микроскопические мастера на все руки могут делать все. Единственное, чего они не могут делать, что синтезировать сами себя. Поэтому блок управления, занимающий в организме краба особую роль, занимает особую роль и в живой клетке. Эта особенность проявляется в том, что блок воспроизведения состоит не из белковых молекул, а из молекул нуклеиновых кислот.

Молекулы одной из этих кислот — дезоксирибонуклеиновой (ДНК) — будучи самыми крупными в природе молекулами, являются в то же время наименьшими из всех магнитных лент, на которых может быть записана информация, необходимая для воспроизведения организма и всех его частей. Молекулы других кислот — рибонуклеиновых (РНК) — это наименьшие из всех технологических блоков, способные по программе, записанной в ДНК, изготовлять все детали и части живого организма — молекулы всевозможных белков.

Таким образом, живой организм есть не просто самодействующая, самосохраняющаяся и самовоопроизводящаяся система, но предельная, наименьшая из всех возможных подобных систем. Именно в этом предельном переходе и состоит главный секрет жизни, ибо именно он все многообразие живого мира сводит всего к 24 деталям: четырем нуклеотидам и к двадцати аминокислотным остаткам. Из четырех нуклеотидов комбинируется все многообразие молекул ДНК — этих законодателей живой материи, а из двадцати аминокислотных остатков — все многообразие белков — великих исполнительных механизмов жизни.

Теперь, понимая, что не в функциях, а в процессе минимизации, в предельном переходе суть жизни, мы можем в полной мере оценить проницательность Ф. Энгельса, который около ста лет назад определил жизнь как «способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь». Это определение сохраняет свою силу и по сию пору, хотя, конечно, мы очень много узнали и глубже поняли, в чем состоит этот самый «способ существования белковых тел» и что означает этот «постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой…»

В 1945 году австрийский физик Э. Шредингер выпустил книгу «Что такое жизнь с точки зрения физики?»— запись лекций, читанных им в Дублине в 1943 году. В этой книге Шредингер впервые обратил внимание биологов на то, что обмен веществ и обмен энергии, то есть процессы, которыми они так привыкли оперировать, по сути дела, ничего не объясняют.

«Представляется нелепостью, — писал он, — чтобы существенным был именно обмен веществ. Любой атом азота, кислорода, серы и т. д. так же хорош, как и любой другой того же рода. Что могло бы быть достигнуто их обменом? В прошлом некоторое время наше любопытство удовлетворяли утверждением, что мы питаемся энергией… Нечего и говорить, что если понимать это буквально, это такая же нелепость… Так как каждая калория, конечно, имеет ту же ценность, что и любая другая, то нельзя понять, чему может помочь простой обмен этих калорий».

Эти слова как будто сводят на нет ценность энгельсовского определения жизни. В самом деле, какой смысл менять один атом на другой, точно такой же? Или одну калорию на другую, точно такую же? И тем не менее Энгельс был прав. Сами по себе ни обмен веществ, ни обмен энергии ничего не значат, но именно в этих взаимосвязанных процессах состоит «способ существования белковых тел» — могущественнейший механизм приспособления живой материи к окружающей среде…

Чтобы уяснить смысл этого утверждения, вернемся к крабу, описанному в предыдущей подглавке. Вдумайтесь, какое поразительное и трагическое противоречие скрыто в его судьбе! По заложенной в его блок управления программе он может монтировать прекрасных новых крабов, может «вдыхать в них душу живу», передавать им скопированную со своей собственной программу продолжения всего крабьего рода. Но на какой тонкой нити висит его собственное существование! Каждая вмятина, каждое повреждение, каждый изъян его организма — это уже навсегда, навечно, на всю жизнь. Случись маленькое, ничтожное повреждение сустава ноги — и крабу уже грозит смерть. Пригори контакт — и он слеп и беспомощен.

Как можно защитить от таких напастей организм отдельного, данного, конкретного краба? Очевидно, надо воспользоваться той магнитной лентой, на которой записаны устройство и технология сборки нового краба, и применить всю эту информацию к ремонту краба-родоначальника. Ведь технологический блок, с помощью которого краб собирает из готовых деталей себе подобную молодежь, можно использовать и для самообслуживания, когда понадобится самому себе заменить панцирь, фотоэлемент, ногу. Благодаря такому простому приему жизнь краба практически перестанет зависеть от качества и долговечности деталей. Пусть любая из них работает день, час, минуту. Но если запись на магнитной пленке точна и технологический блок в порядке, жизнь краба гарантирована. В принципе он может даже не дожидаться, пока та или иная деталь выйдет из строя, а осуществлять непрерывный «обмен деталей», подобно тому как в технике сменяют узлы, выслужившие ресурс, не дожидаясь, пока они выйдут из строя.

Таким образом, принцип «обмена деталей» позволяет получить организмы более долговечные, чем любая из их деталей. Такой организм, находясь в состоянии непрерывного разрушения и созидания, обретает свойство в любой момент быть совершенно новеньким, поэтому с ним не может сравниться механизм, собранный из самых прочных, самых долговечных, самых надежных элементов. И дело не только в перманентной новизне самообновляющегося организма…

Хотя «обмен деталей» в механическом крабе хорошо поясняет суть обмена веществ в живом организме, он не проливает никакого света на сомнения Шредингера. Ведь атомы в отличие от деталей краба не ломаются и не изнашиваются. Заменять их просто так, ради торжества принципа едва ли целесообразно. Очевидно, в обмене веществ должен быть какой-то другой глубокий и важный смысл. Какой же?

Оказывается, «обмен деталей» гораздо более совершенный метод сохранения первоначальной структуры и формы организма, чем изготовление его из самых прочных материалов и самых надежных деталей. В сущности, прочность и стойкость употребляемых веществ не играют в самообновляющемся организме особой роли, ибо не от них зависит его целостность. Секрет структуры и формы записан на магнитной пленке, запрятанной глубоко в теле механического краба и не подвергающейся тем грубым внешним воздействиям, которые деформируют и истирают конструктивные детали — панцирь, ноги, инструменты и т. д.

Поэтому если в результате несчастного случая краб потеряет какую-нибудь деталь — не беда. Ведь через минуту, через час, через день она все равно была бы в порядке «обмена деталей» отброшена и заменена новой. А раз так, то крабу надо только подождать минуту, час, день, и на место потерянной детали автоматически станет точно такая же новенькая…

Но если надежность отдельной детали не дает предела долговечности всего крабьего организма, то что может помешать нам сделать такой организм вечным? Что может положить предел бесконечному «обмену деталей», бесконечному самообновлению?

Выше, описывая самообновляющегося краба, мы сделали оговорку, что его жизнь гарантирована, если запись на магнитной ленте точна и технологический блок в порядке. В самом деле, мы уже знаем, что на стыке реального физического процесса и его математической модели возникает страшный призрак: точность измерений и расчетов. Этот призрак должен возникнуть и при сборке новых крабов и при «обмене деталей» в организме отдельного краба. Краб может заменить сам себе любую деталь, но он не может заменить себе магнитную ленту, на которой закодировано его устройство, и не может заменить себе технологический блок, который, собственно, и производит операцию самообновления. Эти два элемента можно ограждать от вредных (воздействий, можно глубоко запрятывать, но их нельзя заменить. Более того, их в принципе нельзя защитить от износа. Можно свести износ к минимуму, но нельзя устранить его полностью.

Постоянное считывание записи, необходимое для «обмена деталей», приводит к тому, что на магнитной ленте постепенно накапливаются царапины, разбалтывается лентопротяжный механизм, вырабатываются зазоры в узлах инструментального блока. Монтаж новых деталей производится все менее точно. Краб постепенно разбалтывается, утрачивает точность движений и формы. Короче говоря, краб стареет. И единственная причина этого неумолимого процесса — износ магнитной ленты и инструментального блока…

Все это прекрасно и интересно, но какое отношение все это имеет к необратимости, термодинамике и энергии? Какое отношение все это имеет к жизни?

Теперь мы можем ответить на эти вопросы, ибо настала пора разобраться, чем же приходится расплачиваться за такой остроумный, необычный и эффективный способ самозащиты организма, как «обмен деталей».

Когда краб смотрит, слушает, ходит и вообще действует, в его внутренностях происходят необратимые изменения, которые, как мы знаем, обязательно сопровождаются выделением теплоты, генерированием энтропии. Отсоединение одной детали и установка на ее место новой тоже необратимый процесс, и как таковой требует выделения теплоты. Таким образом, цена самообновления путем непрерывного «обмена деталей»— могучий источник теплоты в теле краба. Бели его панцирь сделан из хорошего теплоизолятора, температура внутри повышается до тех пор, пока не перегорит и не выйдет из строя оборудование. Чтобы избежать этого, краб должен охлаждаться, отводить в окружающую среду генерирующуюся внутри его теплоту. Такой отвод /возможен лишь тогда, когда температура краба выше температуры окружающей среды. Другими словами, чтобы действовать и жить, краб обязательно должен быть теплым!

Насколько? Насколько его температура должна быть выше температуры окружающей среды?

Оказывается, чтобы размеры краба получились минимальными, его рабочая температура должна быть как можно ближе к температуре разрушения. Но что это за температура? Разрушение какой детали краба будет служить ограничением нагрева? Очевидно, таким ограничением будет служить температура разрушения наименее стойкой детали — электроизоляции, смазки или магнитной ленты. Нет смысла устанавливать в механизм краба узлы и детали, способные хорошо работать при 200–300 °C, если запись на магнитной ленте стирается при 100 °C. Минимальные размеры могут быть достигнуты лишь тогда, когда предельно допустимая рабочая температура всех деталей и узлов одинакова. Именно это и достигается в живой клетке. Именно это и выполняется в живом организме!

Первым обратил внимание на принципиальную важность предельного перехода в определении жизни советский биофизик К. Тринчер. В 1964 году он отмечал, что в основе обмена веществ в живой системе лежат два противодействующих процесса: разрушение структуры под действием повышенной температуры и построение точно такой же структуры, сопровождающееся повышением температуры. Таким образом, живая материя — это химическая машина, работающая при температуре своего разрушения. И в этом — глубокое отличие биологии от физики и химии. Если физик, изучая молнию, воспроизводит в своей лаборатории искру — маленькое подобие настоящей молнии, если химик, изучая свойства веществ, выделяет или синтезирует их в своей пробирке, то биолог не в состоянии воспроизвести объект своего исследования. Он может смоделировать любую функцию жизни, но он не может смоделировать саму живую материю. «Между живым организмом и машиной, — пишет К. Тринчер, — существует… коренное различие… Машина обладает устойчивостью своей структуры при температуре ее деятельности: структура сохраняется и тогда, когда машина не действует. Живой организм, напротив, должен всегда функционировать, и если по какой-то причине организм перестает выполнять свои, функции при температуре своей жизнедеятельности, то он необратимо теряет свою структуру и погибает».

Возникает интересный и важный вопрос: не может ли минимизация самодействующей, самосохраняющейся и само-воспроизводящейся системы стать причиной ее бессмертия? Ведь если причина старения краба — износ магнитной ленты и инструментального блока, то что может стать причиной износа молекулы ДНК?

Увы, надежды наши неоправданны. То же самое тепловое движение, которое делает возможным износ магнитной ленты, деформирует и самую крупную в природе молекулу ДНК. Сама программа, с помощью которой живой организм борется с тепловым разрушением, подвергается тепловому разрушению. И накопление случайных хаотических искажений структуры молекулы ДНК на протяжении жизни приводит к тому, что точность синтеза белковых молекул постепенно падает, и живой организм стареет. Таким образом, с течением времени живой организм, отдельный человек постепенно исчерпывает свои приспособительные способности. А как говорил китайский философ Лао-цзы: «Черствость и сила — спутники смерти. Гибкость и слабость выражают свежесть бытия. Поэтому то, что отвердело, то не победит».

Как же борется все живое с этой страшной угрозой старения, порождаемого необратимыми процессами трения и теплообмена, которые ухитрились проникнуть даже в тончайший механизм воспроизведения живого организма? Оно борется с ними путем размножения. Человек смертен, чтобы бессмертным было человечество, чтобы новые, изменившиеся внешние условия ложились на всегда молодые плечи…

Теперь нам ясно, сколько неожиданных и важных истин таилось за скупыми словами энгельсовского определения жизни: «способ существования белковых тел», «постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой». Теперь нам ясно, как тесно связан между собой обмен веществ и обмен энергии, «бессмысленности» которого удивлялся Шредингер. Более того, теперь нам ясно, в чем в 1943 году заблуждался Шредингер…

Он решил тогда, что если все реальные процессы сопровождаются увеличением энтропии, то для их протекания необходима некая отрицательная энтропия, якобы содержащаяся в питательных веществах, из которых она как бы высасывается живыми организмами. Он так и писал: «Отрицательная энтропия — вот то, чем организм питается… Для растений… источником „отрицательной энтропии“ служит, конечно, солнечный свет». Позднее Л. Бриллюэн придумал для шредингеровской отрицательной энтропии специальный термин — негэнтропия, что придало недостаточно корректной формулировке Шредингера права законности и породило немало кривотолков и заблуждений.

Прежде всего, такое представление ставит все с ног на голову, являя собой случай, когда причина процесса смешивается с необходимым условием его протекания. Скажем, удаление мусора — необходимое условие существования большого города, но это вовсе не означает, что удаление мусора — причина существования большого города. Точно так же и тепловыделение есть необходимое условие существования живого организма, но вовсе не причина его жизнедеятельности.

Поэтому, рассматривая жизнь с точки зрения термодинамики, мы должны ясно понимать, что законы термодинамики соблюдаются в процессах жизнедеятельности, но не управляют ими, как не управляют они, к примеру, движением планет. Но ведению законов термодинамики подлежат все те тепловые процессы, которые благодаря действию необратимости сопровождают и жизнедеятельность, и движение небесных тел.

Особенно неудачным представляется сам термин — отрицательная энтропия, примененный Шредингером. Отрицательной энтропии быть не может, как не может быть отрицательного количества воды в ведре. И та и другая величины существенно положительны. Но может быть отрицательным или положительным прирост этих величин. Если, к примеру, мы доливаем воду 8 ведро, можно говорить о положительном приросте ее количества, если отливаем — об отрицательном. Точно так же можно говорить о положительном приросте энтропии, (когда к телу подводится теплота, и об отрицательном — когда она отводится. Термин же, введенный Шредингером и Бриллюэном, невольно создает впечатление, будто отрицательная энтропия — негэнтропия — это некая субстанция, содержащаяся в источниках энергии — в топливе, в солнечных лучах, в падающих водах и т. д.

На самом деле все обстоит не совсем так, как представлял себе Щредингер. Эти источники энергии сами по себе не имеют для нас никакой ценности. Лишь тогда они обретают смысл, когда в наших телах, в наших домах, в наших печах и вообще в окружающей нас среде начинают действовать необратимые процессы. Лишь благодаря им — трению и теплообмену — механическая работа, совершаемая всеми этими источниками, может быть превращена в теплоту и излучена в космическое пространство. И лишь в процессе этого перехода, бессмысленного с точки зрения Шредингера, только и может существовать жизнь, окружающий нас мир, да и само время…

В 1936 году, более сорока лет назад, основатель гелиобиологии профессор А. Чижевский писал: «Главным возбудителем жизнедеятельности Земли является излучение Солнца… Великолепие полярных сияний, цветение розы, творческая работа, мысль — все это проявление лучистой энергии Солнца». Мы — Дети Солнца, считал Чижевский. И хотя невозможно не согласиться с ним в этом утверждении, оно нуждается в уточнении. Мы действительно Дети Солнца и скромных, незаметных, вездесущих и всепроникающих процессов трения и теплообмена, без которых яркое, сияющее, огромное и могучее Солнце никогда не смогло бы сотворить жизнь!