Книга Что такое жизнь? - Эрвин Шредингер

Два способа добиться порядка

Порядок, наблюдаемый при развитии жизни, проистекает из другого источника. Судя по всему, есть два различных «механизма» реализации упорядоченных событий: «статистический механизм», который производит «порядок из беспорядка», и новый механизм, производящий «порядок из порядка». Беспристрастному уму второй принцип кажется намного более простым и правдоподобным. Без сомнения, так оно и есть. Вот почему физики гордились своей причастностью к первому принципу, «порядку из беспорядка», который действительно наблюдается в природе и сам по себе позволяет понять великую последовательность естественных событий, в первую очередь – их необратимость. Не следует считать, что законы физики, выведенные из этого принципа, смогут напрямую объяснить поведение живой материи, чьи удивительные особенности в основном базируются на принципе «порядок из порядка». Не следует считать, что два совершенно различных механизма будут подчиняться одному и тому же закону, – ведь вы не надеетесь, что ваш ключ подойдет и к соседской двери.

Не стоит огорчаться тому, что жизнь трудно объяснить простыми законами физики. Ведь именно это и предполагают накопленные нами знания о строении живой материи. Мы должны быть готовы к открытию нового вида физических законов, преобладающих в ней. А может, надо назвать их нефизическими или даже сверхфизическими законами?

Новый принцип не чужд физике

Вовсе нет. Ведь упомянутый нами новый принцип является поистине физическим; на мой взгляд, это не что иное, как принцип квантовой теории. Чтобы объяснить это, придется немного потрудиться и уточнить, если не исправить, прежнее утверждение о том, что все законы физики основаны на статистике.

Это заявление, которое мы повторяли неоднократно, не может не вызвать противоречия, поскольку существуют феномены, видимые характеристики которых напрямую основаны на принципе «порядок из порядка» и вроде бы не имеют ничего общего со статистикой или молекулярным хаосом.

Упорядоченность Солнечной системы, движение планет поддерживается почти неограниченный период времени. Созвездия, которые мы видим, напрямую связаны с созвездиями времен египетских пирамид; их судьбу можно отследить в те времена и обратно. Рассчитанные исторические затмения совпадают с историческими записями, а в некоторых случаях используются для коррекции принятой хронологии. Эти расчеты не подразумевают никакой статистики, они основаны лишь на законе всемирного тяготения Ньютона.

Регулярное движение хороших часов или любого схожего механизма также на первый взгляд не имеет ничего общего со статистикой. Кратко говоря, чисто механические явления, судя по всему, четко и явно следуют принципу «порядок из порядка». И термин «механические» следует понимать в широком смысле. Очень полезная разновидность часов, как вам известно, основана на регулярной передаче электрических импульсов от электростанции.

Помню интересную небольшую статью Макса Планка на тему «Динамические и статистические законы». Различие между ними точно соответствует тому, что мы назвали «порядок из порядка» и «порядок из беспорядка». Целью той статьи было продемонстрировать, каким образом статистический вид законов, контролирующих крупномасштабные явления, складывается из динамических законов, управляющих мелкомасштабными явлениями, взаимодействием отдельных атомов и молекул. Второй тип законов проиллюстрирован крупномасштабными механическими явлениями, такими как движение планет или часов и т. п.

Итак, судя по всему, «новый» принцип – «порядок из порядка», – который мы с чрезвычайной серьезностью назвали истинным ключом к пониманию жизни, вовсе не нов. Планк даже утверждает его главенство. Похоже, мы пришли к нелепому выводу, что ключ к пониманию жизни основан на чистом механизме – «часовом механизме», если следовать статье Планка. Этот вывод вовсе не нелеп и, по моему мнению, не ошибочен, однако к нему следует отнестись скептически.

Движение часов

Давайте проанализируем движение настоящих часов. Это отнюдь не чисто механическое явление. Чисто механические часы не надо заводить, им не нужна пружина. Приведенные в движение, они будут работать вечно. Реальные часы без пружины остановятся после нескольких качаний маятника, их механическая энергия перейдет в тепло. Это бесконечно сложный атомистический процесс. Его общая картина, сформулированная физиком, вынуждает признать возможность обратного процесса: часы без пружины могут внезапно начать двигаться за счет тепловой энергии собственных зубчатых колес и окружающей среды. Физик скажет: часы переживают необычайно сильный приступ броуновского движения. В главе 2 мы показали, что подобное постоянно происходит с очень чувствительными крутильными весами (электрометром или гальванометром). В случае часов это, разумеется, маловероятно.

Относить ли движение часов к динамическим или статистическим событиям, подчиняющимся законам природы (выражаясь словами Планка), зависит от нашей позиции. Назвав его динамическим явлением, мы сосредоточимся на регулярном ходе, который обеспечивает сравнительно слабая пружина, преодолевающая незначительные возмущения теплового движения, каковыми в итоге можно пренебречь. Но если вспомнить, что без пружины часы постепенно остановятся за счет трения, окажется, что этот процесс надо объяснить только как статистическое явление.

Каким бы незначительным ни было влияние трения и нагрева на часы с практической точки зрения, нет сомнений, что второй подход, учитывающий их, является более фундаментальным, даже если мы имеем дело с регулярным движением часов с пружиной. Не следует считать, будто приводной механизм положил конец статистической природе процесса. Истинная физическая картина включает вероятность того, что даже регулярно идущие часы могут внезапно обратить свой ход и, работая в обратном направлении, завести собственную пружину за счет тепла окружающей среды. Это событие лишь «немного менее вероятно», чем «броуновский припадок» часов без приводного механизма.

Работа часов все-таки подчиняется статистике

Давайте проанализируем ситуацию. Рассмотренный нами «простой случай» – лишь один из многих, точнее, всех подобных феноменов, вроде бы избегающих всеобъемлющего принципа молекулярной статистики. Часовой механизм, сделанный из реальной физической материи (в отличие от воображения), не является истинным «часовым механизмом». Элемент случайности может быть снижен, вероятность того, что часы внезапно пойдут неправильно, минимальна, но она всегда остается ненулевой. Необратимое влияние трения и температуры сказывается даже на движении небесных тел. Так, приливное трение постепенно замедляет вращение Земли – и пропорционально этому замедлению Луна постепенно удаляется от планеты, чего бы не происходило, если бы Земля представляла собой совершенно жесткую вращающуюся сферу.

Тем не менее факт остается фактом: «физические часовые механизмы» проявляют признаки процесса «порядок-из-порядка», который столь взволновал физика в живом организме. Судя по всему, оба случая имеют нечто общее. Нам предстоит открыть, что именно, а также выявить удивительное различие, придающее живому организму беспрецедентную новизну.

Теорема Нернста