Энтропийный баланс Земли и глобальный экологический кризис

Все мы — пассажиры космического корабля под названием «Земля». Вот уже четыре с половиной миллиарда лет он несется в космосе, а его биосфера при этом не только не деградирует, но даже развивает­ся и совершенствуется. Это возможно лишь благодаря тому, что Зем­ля не является замкнутой системой. Постоянный обмен энергией с космическим окружением позволяет нашей планете соблюдать отри­цательный энтропийный баланс и создает необходимые условия для химической, биологической и социальной эволюции в геосфере.

4.6.1. Приходные и расходные статьи баланса

В ходе любых процессов в геосфере энтропия производится. Именно поэтому если бы Земля была замкнутой системой, то ее энтропия с течением времени возрастала бы. (Обозначим ежегодное производ­ство энтропии на Земле как Д5₃.)

Кроме того, Земля получает определенную порцию энтропии вме­сте с энергией солнечного света. По своему качеству солнечная энер­гия тепловая, ибо Солнце светит по той же причине, что и раскален­ный уголек: оно горячее. Температура внешних слоев Солнца со­ставляет Г,» 6000 °К, а каждое нагретое тело, согласно физическим законам, испускает тепловое излучение. Светится Солнце, светится раскаленная вольфрамовая нить в лампочке, светится человеческое тело...

158 Глава 4. Эволюиионная концепция

4.6. Энтропийный баланс Земли и глобальный экологический кризис 159

Энергия Q

Земля Т2 = 300 К Производство энтропии в геосфере

Энергия Q

Правда, температура нашего тела всего лишь 310 °К, и потом} светится оно далеко не так ярко, как Солнце, да и свечение это при-1 ходится не на видимый диапазон спектра, а на инфракрасный, кото-§ рый наши глаза не воспринимают. Зато к излучению этого диапазон^ чувствительны приборы ночного видения, позволяющие наблюдатй людей и другие нагретые тела на окружающем более, прохладном! фоне даже самой темной ночью. Естественно, энергию теплового из-| лучения следует считать тепловой.

Энтропия Q/T

Солнце Т., = 6000 К

Рис. 4.9. Статьи энтропийного баланса Земли

Ежегодно Земля получает от Солнца Q = 10²⁵ Дж теплоты при! температуре T_t. За счет этого энтропия планеты должна возрастать! (п. 4.4.1) на Д5_ВХ = QJT_X. От такого же количества энергии Земль должна избавляться, иначе она Постоянно нагревалась бы. Механизм! охлаждения тот же: Земля — Harpefoe тело (ее средняя температура! Т₂» 300 °К) и потому испускает тепловое излучение. Вместе с ним! Земля выбрасывает в космическое пространство такое же количество! энергии, которое получает от Солнца, но энергии более низкокачест-J венной, соответствующей более низкой температуре.

Уходящее с Земли тепловое излучение уносит с собой в космос! энтропию¹: Д5_ВЫХ = QJT₂. Легко видеть, что поток уходящей с Земли' энтропии в T_t/T₂ ~ 20 раз превышает входящий поток А5_ВХ.

¹ По оценкам ученых, разница между входящим и выходящим с Земли потоками эн-| тропии составляет 6,8-10¹⁴ Вт/К, или в расчете на единицу площади 1,22 Вт/м²К.*| Цит. по: Изаков М. Н. Самоорганизация и информация на планетах и в экосисте-f мах // Успехи физических наук. 1999. Т. 167. № 10. С. 1087-1094.

4.6.2. Энтропийный баланс Земли
и живых организмов

Выброс энтропии в космическое пространство настолько велик, что компенсирует оба источника поступления энтропии в геосферу:

Д5_ВХ+Д5₃ <Д5_ВЬ]Х.

Данное неравенство выражает собой отрицательный энтропий­ный баланс Земли. При его соблюдении энтропия нашей планеты в целом с течением времени не только не увеличивается, но может даже уменьшаться — за счет энергообмена с окружающим миром. Именно благодаря этому оказываются возможными самые разнооб­разные эволюционные процессы в геосфере.

Аналогичный анализ энтропийных потоков можно провести при­менительно к любому живому существу.

Организм поддерживает свое упорядоченное, низкоэнтропийное состояние не за счет какой-то нефизической внутренней способно­сти к понижению энтропии, как полагал Вернадский (это запрещено термодинамикой), а за счет непрерывного поглощения высококаче­ственных вещества и энергии из окружающей среды и выброса в нее низкокачественных веществ и энергии с высоким содержанием эн­тропии.

♦ Не производство упорядоченности в себе, а непрерывное «извлече­ние упорядоченности» извне — вот в чем сущность жизни с точки зре­ния термодинамики.

4.6.3. Термодинамические ограничения
экстенсивного развития

Принципиальная возможность устойчивого развития земных сис­тем — географических, биологических и социальных — сохраняется до тех пор, пока энтропийный баланс Земли остается отрицатель­ным, пока планета успевает выбрасывать накапливающийся в гео­сфере «мусор».

Устойчивое развитие {sustained development) — широко использу­емый сейчас термин, перекочевавший из специальных экологиче­ских исследований в лексикон международной политики и средств массовой информации. Термин достаточно многогранен, но в общем его смысл можно передать так: уверенное сохранение тенденций по­ступательного прогресса, надежное исключение возможности дегра-дационных явлений, экологических и социальных катастроф.

160 Глава 4. Эволюционная концепция

4.6. Энтропийный баланс Земли и глобальный экологический кризис 161

Но будет ли ли энтропийный баланс Земли оставаться отрицал тельным вечно? Чтобы ответить на этот вопрос, рассмотрим динамик ку изменения статей баланса.

Входящий с солнечным светом поток энтропии зависит от све­тимости Солнца и температуры его поверхности. Из астрофизика известно, что наше светило относится к классу стабильных звезд! Результаты как теоретического моделирования эволюции Солнца! так и геологических исследований показывают, что на протяжении! земной истории ни поток солнечного излучения, ни его температу-1 ра не испытывали изменений, которые можно было бы назвать суще-1 ственными. Такая стабильность сохранится и в течение ближайших! 3-7 млрд лет. Поэтому входящий поток энтропии Д^_вх можно считать! практически неизменным.

Поток энтропии, выбрасываемой в космос, AS_Bm, также не должен| существенно измениться в обозримом будущем. Он зависит от сред-1 ней температуры Земли Т₂, изменения которой даже во времена лед-J никовых периодов не превышали 2-3%'. В наиболее пессимистиче-j ских прогнозах глобального потепления предсказывается возможное! повышение температуры лишь на 5-10°. Есть еще зависимость Д5_ВЬ]Х от состояния поверхности и атмосферы Земли, но и она находится в! пределах ± 5%. Таким образом, и эту статью баланса можно считать! почти постоянной величиной.

Наиболее динамичной составляющей энтропийного баланса Зем-1 ли является производство энтропии в геосфере А5₃. Как уже говори- i лось, энтропия производится в ходе любого процесса. Чем интенсив-1 нее идут процессы (любые!) на планете, тем больше AS₃. Интенсив-! ность земных процессов, высокая сама по себе (сравните изменчивые! формы земной поверхности с застывшим миром нашего спутника,! Луны), испытала резкое ускорение с возникновением жизни (п. 5.3.5). j Не зря В. И. Вернадский назвал деятельность живых существ одним1 из основных факторов геологической истории. В еще большей степе-;| ни возросла скорость производства энтропии с возникновением ци-..< вилизации и выходом ее на стадию промышленного развития. В не-'{ которых случаях рост произошел в астрономическое число раз.

¹ См., например: В чем причина оледенений? (В мире науки. 1990. № 3. С. 33-39), где < говорится: «Расчеты по компьютерным моделям показали, что из-за уменьшения ' содержания в атмосфере диоксида углерода глобальное похолодание должно было составлять лишь 2 градуса — вдвое меньше, чем "зафиксировано" горными ледни­ками».

Вот один пример. Каждое ядро природного урана-235 испытывает деление в среднем раз в миллиард лет. При делении высококачествен­ная внутриядерная энергия превращается в тепловую, что связано с увеличением энтропии. Впрочем, в 'расчете на год производство эн­тропии оказывается невелико из-за большой длительности процесса.

Что делает человек? Он добывает урановую руду, обогащает ее и использует в атомном реакторе, где деление ядер искусственно уско­ряется и происходит за месяцы (а в атомной бомбе — вообще за доли секунды). Если бы даже при этом производилось столько же энтро­пии, сколько при естественном распаде, то и тогда ускорение произ­водства энтропии составило бы миллиарды раз. А ведь кроме того, ускорение любого процесса приводит к увеличению полного количе­ства произведенной в его ходе энтропии.

4.6.4. Глобальный экологический кризис: возможности преодоления

Быстрый рост производства энтропии вследствие развития цивили­зации может привести к нарушению энтропийного баланса Земли. Если сумма производства энтропии в геосфере и входящего с солнеч­ным светом энтропийного потока станет больше выходящего потока, то с каждым годом энтропия планеты в целом будет возрастать. А рост энтропии, как мы уже знаем, проявляется как увеличение беспорядка и разрушение имеющихся структур. В первую очередь разрушаются структуры, возникшие последними, находящиеся на вершине эко­логической пирамиды. Ну а самой молодой из глобальных земных структур является человеческое общество.

Имеются признаки, свидетельствующие, что мы уже подошли к опасному рубежу, за которым знак энтропийного баланса планеты изменяется. Эти признаки — знакомые всем симптомы глобального экологического кризиса: загрязнение окружающей среды, уменьшение биологического разнообразия, разрушение природных механизмов саморегуляции и связанное с этим снижение устойчивости экоси­стем... С точки зрения термодинамики, все это — проявления недо­статочно эффективного удаления энтропии, неспособности естествен­ного мусоропровода «Земля-Космос» справиться с нарастающим потоком отходов.

Как отсрочить, а лучше — предотвратить нарушение энтропийно­го баланса Земли? Поскольку проблема достаточно остра, то и реше­ния часто предлагаются самые радикальные.

6 Зак. 1033

162 Глава 4. Эволюционная концепция

4.6. Энтропийный баланс Земли и глобальный экологический кризис 163

Наиболее экстремистская точка зрения заключается в том, что на-, до закрыть все электростанции, ликвидировать все вредные произ-j водства (а невредных производств не бывает) и фактически вернутьс к натуральному хозяйству. Не говоря уже о том, что неясно, какимр политическими средствами можно было бы провести в жизнь этот проект и как обеспечить с помощью натурального хозяйства сущест- \ вование нынешнего шестимиллиардного населения Земли, это пред- -ставляется нереальным и с точки зрения более фундаментальных co-.J ображений. Во-первых, наша цивилизация — эволюционирующая!] система, а это означает, что она не просто существует в развитии, но и _i может существовать только в развитии. Любая попытка остановить! развитие, а тем более попытка вернуться назад, означает гибель этой системы. Во-вторых, эволюция, как отмечалось в п. 4.1, есть процесс необратимый, не допускающий возвращения в однажды пройденное состояние. Максимум, чего здесь можно добиться, — внешнего сход­ства, подобия. Можно лишь декорировать старинным фасадом совре­менное жилье, пронизанное инженерными коммуникациями.

В более умеренных предложениях заводам и электростанциям доз­воляется существовать, но лишь при условии, что они будут переве­дены на полностью безотходное производство. При оценке этой точ­ки зрения надо договориться о смысле слова «безотходный».

Слово «отходы» ассоциируется обычно с нежелательными хи­мическими веществами, возникающими при производстве продукта и не входящими в его конечный состав. Но, во-первых, сам продукт после использования может превратиться в отходы (пример — пла­стиковые бутылки, которые занимают все большую долю в объеме бытового мусора). Во-вторых, отходы — это не только химические вещества.

Современные тепловые электростанции, особенно работающие на жидком топливе, не выбрасывают в атмосферу практически ничего, кроме углекислого газа и водяного пара. Можно ли назвать их безот­ходными? Нет! Даже если пренебречь тем, что накопление углеки­слого газа в атмосфере усиливает парниковый эффект и создает угро­зу глобального потепления, не надо забывать о том, что около 60% энергии сгорания топлива сразу превращается в низкокачественную тепловую энергию с повышенным содержанием энтропии. Такая элек­тростанция создает тепловое загрязнение окружающей среды — явле­ние, хорошо известное экологам-профессионалам. Проявляется оно, например, в том, что температура в реке или озере, куда спускают теплую воду из охлаждающих систем электростанции, повышается;

В результате исчезают ценные виды животных и растений, но появля­ются другие, нежелательные, с которыми приходится бороться (на­пример, ряска). Кстати говоря, те 40%, которые вроде бы преврати­лись в электроэнергию, в результате использования последней рано или поздно тоже приобретут форму тепловой энергии при темпера­туре окружающей среды.

Таким образом, если требовать создания действительно безотход­ного производства, то эта задача невыполнима: в ходе любой деятель­ности энтропия, т. е. отходы в той или иной форме, неизбежно произ­водится. Если же речь идет о прекращении выброса в окружающую среду не свойственных ей химических веществ, то эта цель в прин­ципе достижима. Однако рассчитывать на ее достижение в ближай­шем будущем не приходится — задача слишком сложна.

Наиболее эффективным представляется путь, не связанный с ка­кими-то сверхреволюционными идеями: путь экономии. Один и тот же продукт, удовлетворяющий потребности людей, можно произве­сти, заплатив разную энтропийную цену. Это разрешено термодина­микой: известно, что производство энтропии при переходе системы из одного состояния в другое зависит от способа перехода. Можно, например, обеспечить автомобилю необходимый запас прочности путем усиления всех несущих конструкций избыточным металлом, а можно сделать это путем более тщательного расчета нагрузок, воз­никающих при эксплуатации, и соответствующей доработки конст­рукции. Можно строить дома, продуваемые насквозь, и потом через щели и открытые форточки отапливать атмосферу, а можно потра­тить чуть больше денег на качественные стройматериалы и совре­менное инженерное оборудование жилья — и уменьшить количество энергии, необходимой для отопления, соответственно сократив про­изводство энтропии. О величине имеющихся здесь резервов свиде­тельствует, например, тот факт, что расход энергии на отопление од­ного квадратного метра жилья в России в пять-семь раз больше, чем в скандинавских странах или Канаде¹.

Не составляет труда продолжить список таких примеров. В разви­тых странах уже завершился этап научно-технической революции, связанный с переходом промышленности на материале- и энергосбе­регающие технологии. Переход был подстегнут энергетическим кри­зисом 70-х гг. XX в., показавшим, что эра дешевого сырья и энергии

¹ Заявление вице-премьера российского правительства Б. Немцова в телепрограмме
«Час пик» 7 июля 1997 г.»

164 Глава 4. Эволюционная концепция

4.7. Проблема «тепловой смерти Вселенной»

закончилась. С 1972 по 1985 г. средняя стоимость электроэнергия! и угля в США возросла вдвое (с вычетом поправок на инфляцию! а природного газа — вчетверо. Кроме того, значительно возросли pad ходы на соблюдение требований природоохранного законодательс! ва. На системы газоочистки и золоудаления современных америь ских тепловых электростанций приходится 40% капитальных затра| и 35% эксплуатационных расходов.

Присущие рынку обратные связи заставили задуматься о том, как повысить эффективность использования имеющихся ограниченна ресурсов. Оказывается, что возникающие здесь задачи не являют* ся непосильными. Достаточно простые оценки говорят, что постоян-1 ное, пусть даже небольшое, снижение ресурсоемкости производств ва позволяет полностью снять остроту проблемы истощения запасов. К. К. Ребане, физик, активно разрабатывающий проблему термоди­намических ограничений развития цивилизации, приводит следую­щий пример: чтобы запасов каменного угля в США хватило навсегда, достаточно сокращать его потребление всего лишь на 0,03% в год, или на 3,5% в столетие!

Способы повышения эффективности производства (понимаемойj в термодинамическом и глобально-экологическом смысле) не лежат] на поверхности. Более эффективное производство оказывается и бо- \ лее сложным, тоньше организованным, постоянно требующим новых^ инженерных и управленческих технологий. Именно поэтому тот этап современной научно-технической революции, который развора- 5 чивается на наших глазах, связан с выдвижением информации пароль главного производственного ресурса. Не угля, не стали, не нефти, а ий- * формации! В силу того, что информация — антиэнтропийный фактор,! повышение информационной емкости производства можно рассмат­ривать как тенденцию к снижению энтропийной нагрузки на геосфе­ру, к уменьшению производства энтропии. Для обеспечения устойчи­вого развития важно сохранять и поддерживать эту тенденцию.

В заключение этого раздела обсудим два вопроса.

Во-первых, нельзя ли поддерживать отрицательный энтропгоН ный баланс Земли не борьбой за снижение производства энтропии, а повышением скорости удаления отходов с планеты? Этот путь пред-" ставляется довольно затруднительным. В принципе уже сейчас тех­нически возможно загружать ракеты хотя бы самыми вредными от­ходами (например, радиоактивными) и отправлять их прямиком в ■ Солнце. Однако делать так было бы, мягко говоря, нецелесообразно. С одной стороны, стоимость выведения 1 кг груза даже на низкую

околоземную орбиту составляет более $1000. Вряд ли кто-нибудь сможет оплачивать столь дорогие услуги мусорщиков. С другой сто­роны, каждый запуск космического аппарата сам связан с серьезным загрязнением окружающей среды. Одна из наиболее эффективных на сегодняшний день (по отношению веса полезной нагрузки к стар­товому весу ракеты) система «Энергия» для вывода 100-тонного ап­парата в околоземный космос сжигает 2000 тонн топлива.

Во-вторых, осознание фундаментальных ограничений на интен­сивность человеческой деятельности на Земле способствует посто­янному возрастанию роли экологических соображений при обсуж­дении целесообразности любого крупного проекта. В качестве показа­тельного примера можно привести проекты строительства радиомаяка для сигнализации возможным внеземным цивилизациям о нашем су­ществовании. Во время пионерского периода исследований по проб­леме внеземных цивилизаций считалось, что такой радиомаяк должна строить каждая'цивилизация, как только это позволят ее энергетиче­ские ресурсы. Когда исследования вступили в фазу зрелости, было осознано, что энтропия, производимая при функционировании ра­диомаяка, создает такую экологическую нагрузку на среду обитания, что мириться с ней можно лишь при совершенно отчаянной нужде в общении с братьями по разуму...

4.7. Проблема «тепловой смерти Вселенной»

Установление второго закона термодинамики привело к осознанию еще одной фундаментальной проблемы мировоззренческого значе­ния, которая получила название проблемы «тепловой смерти Все­ленной». Она не нашла окончательного разрешения и до сих пор.

4.7.1. Формулировка проблемы и первые попытки ее разрешения

Проблема «тепловой смерти Вселенной» (для краткости мы будем дальше ее называть «проблема ТСВ») возникает при попытке приме­нить второй закон термодинамики ко Вселенной в целом. Впервые она была сформулирована в небольшой статье Кельвина «О прояв­ляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии», опубликованной в 1852 г. Обратив внимание на то, что превращение качественной механической энергии в некачественную

166 Глава 4. Эволюционная концепция

4.7. Проблема «тепловой смерти Вселенной» 167

и потому бесполезную тепловую энергию необратимо, он пришел к следующему выводу: в конце концов эти процессы должны сделать невозможным существование в мире образований, которым необходима механическая энергия. Таким образованием является, например, человек. Осознавая силу этого утверждения, Томсон писал крайне осторожно и витиевато: «В прошлом, отстоящем на конечный промежуток времени от настоящего момента, Земля находилась и спустя конечный промежуток времени она снова очутится в состоянии, не пригодном для обитания человека; если только в прошлом не были проведены и в будущем не будут предприняты такие меры, которые являются неосуществимыми при наличии законов, регулирующих известные процессы, протекающие ныне в материальном мире» (цит. по: Гельфер Я. М. История и методология термодинамики и статистик ческой физики. М.: Высшая школа, 1968. Т. 1. С. 230).

Более определенно, кратко и афористично проблему ТСВ сформулировал Р. Клаузиус в 1865 г. Он придал второму закону термодинамики вид утверждения: «энтропия мира стремится.к максимуму? Это утверждение подразумевало, что, во-первых, у Вселенной в це­лом есть некоторое конечное состояние («тепловой смерти»); во-вторых, состояние это таково, что энтропия Вселенной в целом достигает максимально возможного значения; в-третьих, состояние это; должно достигаться с неизбежностью. Характер состояния ТС В легко представить, вспомнив рассмотренные выше аспекты понятия эн­тропии: оно должно быть полностью однородным, бесструктурным и неупорядоченным, сохраняющим только хаотическое тепловое движение — носителя наиболее низкокачественной энергии.

Гипотеза о неизбежности ТСВ была с удовлетворением воспринята в клерикальных кругах как свидетельство против эволюционной концепции мироздания. Папа римский Пий XII в своей энциклике, 1947 г., направленной против эволюционных воззрений, заявил: «За­кон энтропии, открытый Рудольфом Клаузиусом, дал нам уверенность в том... что в замкнутой материальной системе в конце концов... процессы в макроскопическом масштабе когда-то прекратятся. Эта печальная необходимость свидетельствует о существовании Необхо­димого Существа» {Тельфер Я. М. Указ. соч. С. 231). Такую точку зрения разделял и ряд крупных ученых (в основном верующих), например астрофизики Дж. Джине и А. С. Эддингтон.

В дискуссию о проблеме ТСВ были вовлечены многие известные философы. Например, в нашей стране в советское время наиболее весомыми считались возражения против неизбежности ТСВ, выска-

занные Ф. Энгельсом в его труде «Диалектика природы». Энгельс утверждал, что энергия, понимаемая как мера движения, неуничто-жима не только количественно, но и качественно, и потому Вселен­ная не может прийти в состояние, в котором остается лишь тепловое движение. К сожалению, общие философские соображения, помогая осмыслить уже имеющиеся знания и будучи полезными эвристиче­ски, служат плохими аргументами в конкретном научном споре. Ес­ли мерой качества энергии считать энтропию, то тогда утверждение о качественной неуничтожимости движения неверно, ибо противоре­чит закону возрастания энтропии. Если же под качеством энергии понимается что-то другое, то дискуссия уходит в сторону от конкрет­ной проблемы применимости второго закона термодинамики ко Все­ленной в целом.

Большую часть ученых вывод о неизбежности ТСВ не устраивал, и потому почти сразу начались попытки найти слабые места в рассу­ждениях Кельвина и Клаузиуса. Многие из этих попыток основы­вались на достаточно произвольных допущениях. Так, В. Нернст, ав­тор положения, которое называют третьим началом термодинамики, предложил идею о том, что «процессу выравнивания температур и ра­диоактивному распаду атомов во Вселенной должен противоречить процесс самопроизвольного роста температур и образования слож­ных веществ». Р. Милликен, доказавший внеземное происхождение космических лучей, предположил, что составляющие их энергичные частицы способны в глубинах космоса создавать сложные атомы и благодаря этому поддерживать Вселенную в стационарном состоя­нии. В XX в. было предложено еще несколько концепций, основан­ных на предположении о непрерывном рождении во Вселенной но­вого вещества. Эти и аналогичные предположения остались без под­тверждения.

4.7.2. Флуктуационная гипотеза Больцмана

Одну из наиболее последовательных и логически обоснованных по­пыток решения проблемы ТСВ предпринял Л. Больцман. Он исхо­дил из преобладавшего в конце XIX — начале XX в. представления о том, что Вселенная является бесконечной (или практически бес­конечной) в пространстве и вечной (или практически вечной) во вре­мени. Вечность Вселенной предполагает, что к любому данному мо­менту времени она в соответствии со вторым законом термодинами­ки должна была уже прийти в состояние с максимальной энтропией.

168 Глава 4. Эволюционная концепция

4.7. Проблема «тепловой смерти Вселенной» 169

Однако Больцман обращает внимание на статистический характер; второго закона, который не запрещает флуктуации, случайных само-" произвольных отклонений от наиболее вероятного состояния. В веч- • ной и бесконечной Вселенной теоретически можно дождаться флук­туации, в результате которой доступная наблюдению часть Вселенной окажется в состоянии с пониженной энтропией. Флуктуационная гипотеза Больцмана заключалась в том, что мы живем как раз внут­ри такой гигантской флуктуации, приведшей к локальному пониже­нию энтропии. Рассасывание этой флуктуации и связанный с этим рост энтропии наблюдаемой части Вселенной не означает тепловой смерти, поскольку с неизбежностью должны возникать аналогичные флуктуации в других частях Вселенной.

. Флуктуационная гипотеза встречается с рядом серьезных затруд­нений. Во-первых, в современной космологии достаточно надежно установлено, что возраст Вселенной конечен и не слишком велик (13—15 млрд лет, см. п. 5.1.1), так что она не могла успеть достичь со­стояния с максимальной энтропией. Во-вторых, для существования земной жизни и цивилизации вполне достаточно было бы флуктуа­ции размером с Солнечную систему. Между тем астрономические дан­ные свидетельствуют, что в состоянии, далеком от состояния ТСВ, находится вся наблюдаемая часть Вселенной, поперечником в мил­лиарды световых лет. Вероятность такой флуктуации невообразимо мала. Наконец, в-третьих, как показал известный физик Я. П. Терлецкий, принятие флуктуационной гипотезы связано с отказом от принципа причинности по крайней мере в применении ко всей Все­ленной. Дело в том, что в областях, где, по мысли Больцмана, флук­туации развиваются, энтропия с течением времени должна понижать­ся. Поскольку направление изменения энтропии, как говорилось в п. 4.4, определяет направление стрелы времени, время в этих облас­тях должно, с нашей точки зрения, течь вспять — со всеми вытека­ющими отсюда последствиями. Без крайней необходимости трудно пойти на столь кардинальный пересмотр основополагающих пред­ставлений о мире.

4.7.3. Современное состояние проблемы ТСВ

Современное состояние проблемы ТСВ, если говорить о ее чисто на­учных аспектах, можно охарактеризовать как признание недостаточ­ности имеющихся знаний — как фактических, так и теоретических — для вынесения обоснованного окончательного вердикта.

В физической литературе основной акцент при этом делается на том, что в отличие от лабораторных исследований в масштабах Все­ленной в целом преобладает гравитационное взаимодействие. Оно обладает рядом особенностей, которые не позволяют напрямую при­менять результаты классической термодинамики. Так, обычная жид­кость при испарении охлаждается, поскольку ее покидают самые энергичные молекулы. Гравитационно-связанные системы (напри­мер, звездные скопления), наоборот, при испарении разогреваются: чем больше быстро движущихся звезд покинет скопление, тем быст­рее двигаются оставшиеся. Далее, гравитационное притяжение стре­мится собрать рассеянную по космосу материю в компактные тела, выполняя тем самым функцию создания неоднородностей, порожде­ния структур. Наконец, тщательный анализ показывает, что при вы­воде основных термодинамических результатов явно или неявно ис­пользуется так называемый постулат аддитивности, гласящий, что энергия системы с достаточно хорошей точностью равна сумме энер­гий ее частей. Другими словами, если мы разделим систему на части, их свойства от этого не должны существенно измениться. Для Все­ленной этот постулат не выполняется в силу ее принципиальной цельности; энергия Вселенной — это в основном энергия взаимодей­ствия ее частей.

Основной вывод из этих соображений заключается в необходимо­сти более аккуратного обобщения термодинамики на системы мас­штаба Вселенной. Пока это не сделано, различные суждения по про­блеме ТСВ останутся гипотезами. С большой долей уверенности можно, однако, предположить, что и в обобщенной теории будет иметь место закон возрастания энтропии.

Одним из основных источников трудностей в разрешении про­блемы ТСВ, по-видимому, является вопрос о том, в какой степени Вселенную можно считать замкнутой системой. Если отказаться от схоластического определения Вселенной как «совокупности всего сущего» и рассматривать ее в духе современной космологии, как мате­риальную систему, подчиняющуюся определенным физическим за­конам и обладающую вполне конкретными свойствами, то надо при­знать, что эти свойства (п. 5.1) довольно необычны для замкнутой системы. Во-первых, пространственные масштабы Вселенной непо­стоянны (в настоящее время они увеличиваются). Во-вторых, на раз­мышления относительно возможной незамкнутости Вселенной на­водит антропный принцип, суть которого раскрывается ниже.

170 Глава 4. Эволюционная концепция

4.8. Синергетика 171

4.7.4. Антропный принцип

. Современный уровень научных знаний еще недостаточен для ответа на вопрос, почему наша Вселенная такова, какова она есть. Но того, что мы знаем, уже достаточно, чтобы попытаться представить, какой могла бы быть Вселенная, если бы ее физические свойства были ины­ми. Физические свойства Вселенной определяются значениями фун­даментальных констант (например, величиной элементарного элек­трического заряда, скорости света, масс электрона, протона и нейтро­на, постоянной всемирного тяготения и т. д.) и некоторыми другими характеристиками, такими как размерность пространства-времени (в нашем мире пространство трехмерно, а время одномерно). Уста­новлено, что небольшого отклонения любого из свойств Вселенной от его действующего значения было бы достаточно, чтобы существо­вание сколько-нибудь сложных структур, в том числе человека, ста­ло невозможным. Например, если бы разность между массами прото­на и нейтрона была чуть больше, то нейтроны полностью исчезли бы («вымерзли», см. п. 5.1.4) на заре истории Вселенной, и тогда в ней мог бы существовать только один химический элемент, водород.

Но реальная Вселенная оказывается скроенной точно под челове­ка! Для объяснения этого факта и был выдвинут антропный принцип, который в так называемой «слабой» формулировке гласит:

Г

Мы наблюдаем Вселенную с данными свойствами, потому что Все­ленная с другими свойствами не содержала бы наблюдателей.

В «сильной» формулировке антрошгого принципа утверждается, что существование человека напрямую воздействует на свойства Вселенной. Поскольку механизм такого воздействия неизвестен даже предположительно, это утверждение находится за пределами науки.

Для того чтобы «слабый» антропный принцип имел смысл, логи­чески необходимо признать возможность существования других все­ленных, с иными свойствами. Усилия ряда крупнейших ученых в в а-стоящее время направлены на то, чтобы попытаться непротиворечи­во представить ансамбль вселенных¹. Для нас же главное в том, что если по результатам исследования нашей Вселенной можно будет сде­лать какие-то выводы о свойствах других миров, то это будет озна­чать наличие между ними взаимодействия, а значит, и незамкнутость Вселенной. В этом случае вопрос о неизбежности ТСВ был бы решен отрицательно.

¹ Хорган Дж. Вселенские истины // В мире науки. 1990. № 12. С. 62-72.