Важнейшим следствием из формулы [6] является связь между информацией и энергией. Формула позволяет рассчитать количество энергии, необходимое для возникновения единицы информации:
Для того, чтобы возник 1 бит информации, необходимо произвести работу в 1023 Дж/К.
И наоборот: чтобы возникла энергия в размере 1 Дж/К необходимо затратить 10 23 бит информации.
Запомним этот вывод – он нам еще пригодится.
Обратим внимание на еще одну немаловажную особенность. Если по мере упорядочения системы энтропия уменьшается от абсолютного максимального значения (принимаемого ею при хаотическом состоянии системы), в идеале стремясь к нулю, то информация увеличивается от нуля (в состоянии хаоса) до бесконечности. При этом во Вселенной может быть реализован абсолютный хаос (собственно, это её изначальное состояние), но не может быть достигнута абсолютная упорядоченность. Вселенная может лишь стремиться к наивысшему порядку, но он находится за гранью возможностей материального мира, за гранью Природы.
Этот принцип сформулировал Станислав Лем: «максимальный порядок, какой мы можем представить себе, выше того, который проявляет Природа»15. Этот наивысший, абсолютный или идеальный порядок, характеризующийся нулевой энтропией и бесконечным объемом информации, представляет собой не что иное, как мировой Абсолют, т. е. то, что принято называть Богом.
Энергия
Если читателю когда-нибудь доводилось прогуливаться по старинному кладбищу, возможно, он замечал разницу между часто посещаемыми могилами и теми, за которыми никто не ухаживает. Неухоженная могилка зарастает сорняками, давно некрашеный, с явными следами гниения крест на ней покосился, того и гляди упадет. Само имя покойного уже невозможно прочесть. Пройдет еще какое-то время – и исчезнут всякие следы того, что здесь был кто-то похоронен, и все это место вернется в первоначальное девственное состояние дикой природы.
Нужны ли какие-то усилия для того, чтобы такое превращение совершилось? Очевидно, не нужны. Причина превращения в том и состоит, что никто сюда не приходил и не препятствовал обветшанию могилы. Точно так же обстоит дело с любым предметом или объектом: для его разрушения не нужно прилагать никаких усилий, просто предоставьте его самому себе – и он рано или поздно обратится в прах.
Сформулируем общее правило. Разрушение любой материальной системы, её переход в более простое состояние, приводящий к увеличению энтропии системы, совершается сам собой, в силу внутренне присущего материи свойства. Для этого не нужно прилагать никаких усилий.
А вот для того, чтобы этот процесс замедлить, а более того, повернуть вспять – усилия, безусловно, потребуются. И немалые. Причем, эти усилия должны быть приложены к системе извне.
Всякое усложнение, повышение уровня организации системы, увеличение содержащейся в ней информации, достигается приложением к системе внешнего воздействия.
Такое усилие можно выразить понятием энергия (от греч. energeia – деятельность, способность производить работу).
Этот термин употребляется в различных значениях.
Первоначально под энергией подразумевалась «деятельная сила, соединенная с настойчивостью в достижении поставленной цели»16. В этом смысле мы говорим: энергичный человек, т. е. человек, настойчиво и деятельно осуществляющий свои замыслы.
Ученые придали этому слову более отвлеченный смысл. Они именуют энергией общую количественную меру движения и взаимодействия различных видов материи (другими словами – способность тела или вещества производить какую-либо работу). Впервые в таком значении это слово употребил в 1807 году английский физик Томас Янг.
Однако основным всё-таки является первоначальный смысл этого понятия, а второй – не более чем следствие первого. Действительно, для преодоления энтропии системы (если рассматривать это как поставленную цель) необходимо приложить к ней деятельную силу, причем эта сила должна действовать настойчиво, то есть её действие должно быть постоянным или, по крайней мере, достаточно длительным (если мы в течение нескольких лет ухаживали за могилой, а потом забросили её, то она опять придет в упадок).
Способность тел производить работу есть всего лишь следствие приложения к системе упомянутой деятельной силы (т. е. сообщения ей какого-то количества энергии). В этом можно убедиться на простом примере. Сколь тщательно ни была бы изготовлена часовая пружина – сама по себе она не способна производить никакую работу. Она совершает порученную ей работу (вращает часовой механизм) только после того, как вы её заведете, то есть сообщите ей необходимое количество энергии. Вы в этом случае выполняете роль внешней деятельной силы. Другой пример. Камень, лежащий на земле, не может совершить какой-либо работы. Он совершит работу (например, упадет на землю) только в том случае, если его поднять над землей на какую-то высоту. Но для этого опять же нужно применить к нему деятельную силу – только тогда у него появится энергия, достаточная для совершения работы.
В некоторых случаях деятельная сила бывает заключена в самой системе или в объекте; такие объекты, обладающие внутренним источником энергии, способны совершать работу, подпитываясь энергией изнутри. Например, Солнце совершает работу (обогревает и освещает нас), питаясь внутренней энергией протекающих в нём ядерных реакций17. Значит, приложение внешней силы к системе не всегда необходимо?
Не будем спешить с выводом. Наличие объектов со «встроенным» источником энергии нисколько не меняет общего порядка вещей. Ведь бывают и часы, которые не требуют подзавода, – достаточно вставить в них батарейку, внутренний источник энергии. Но ведь эта батарейка сама собой в часах не образуется – кто-то должен ее туда вставить.
Если пример с кварцевыми часами вас не убедил, проведём мысленный эксперимент.
Пусть Солнце и все другие объекты, обладающие внутренними источниками энергии, совершают свою работу до тех пор, пока их источники не иссякнут. А в том, что они иссякают, нет никакого сомнения. Ученые считают, например, что Солнце уже прожило половину отведенного ему срока, израсходовав при этом половину водорода, служащего топливом для ядерной реакции.
И вот, энергия исчерпана. Небесные светила больше не могут производить работу, перестают излучать свет и тепло. Вселенная погружается во мрак, рассыпается в пыль – переходит в свое наиболее вероятное состояние. Как теперь заставить это мертвое вещество производить работу? Внутри него источники энергии исчерпаны. Вот если бы кто-то извне приложил «деятельную силу»… Нет, как ни крути, а часы Вселенной кто-то должен заводить!
Три кита
В древности люди полагали, что земля покоится на трех китах. На самом деле три кита, на которых держится вселенная – это энергия, информация и, увы, энтропия. Рассмотрим, в каких отношениях эти три категории между собой находятся.
Отметим, что работа может совершаться только при наличии разности потенциалов, то есть когда энергия имеет возможность перетекать с одного уровня (высокого) на другой (низкий). Но наличие различных уровней предполагает уже какой-то порядок, описываемый определенным количеством информации. Энтропия же по своей сути означает не что иное, как выравнивание потенциалов. При максимальной энтропии и нулевой упорядоченности никакой работы производиться не может.
Казалось бы, всё просто. Энергия должна быть прямо пропорциональна информации (упорядоченности) и обратно пропорциональна энтропии.
Однако на самом деле зависимость между этими тремя величинами более сложная.
Говоря об информации, мы различаем абсолютную информацию и распределенную информацию (которая может возрастать при неизменной величине абсолютной информации). Говоря об энергии, тоже следует различать свободную энергию (готовую совершить работу) и связанную энергию, которая в связанном состоянии не может совершать работу, но может совершить её при определенных условиях (при условии «высвобождения»). Поэтому связанную энергию еще называют потенциальной.
Различие между связанной и свободной энергией демонстрирует стоячая вода в пруду и вода, низвергающаяся в водопаде. Вода одна и та же, но вторая может совершать полезную работу, скажем, вращать турбины гидроэлектростанции, а первая – не может. Другой пример: перепад атмосферного давления порождает ветер, способный толкать вперед парусное судно. Если давление выравнивается, ветер стихает, наступает штиль – и парусник останавливается: нет энергии, способной совершать работу!
Для того чтобы заставить судно двигаться в условиях штиля, нужно установить на него паровой или дизельный двигатель и сжигать топливо. Для того чтобы заставить стоячую воду совершать работу, надо прокопать канал к более низкому уровню поверхности или нагнетать её насосом на более высокий уровень. Можно высвободить ядерную энергию, заточенную внутри вещества, если создать необходимые условия для протекания ядерной реакции. Но для того, чтобы перевести связанную энергию в свободное состояние в любом случае требуется приложить какие-то усилия, затратить какую-то энергию.
Заметим: различие между свободной и связанной энергией состоит в том, что свободная энергия всегда самостоятельно стремится перейти в связанное состояние (совершаемая ею работа приводит к выравниванию потенциалов), а связанная энергия самостоятельно не переходит в свободное состояние: для этого требуется оказать на нее внешнее воздействие, и затратить какое-то количество свободной энергии.
Что же получается? Получается, что с ростом упорядоченности системы (с ростом количества информации) возрастает не всё количество энергии, а только её свободная часть. А с ростом энтропии убывает только свободная энергия, а количество связанной возрастает. А что при этом происходит с общим количеством энергии в системе? Оно уменьшается или убывает? При таком раскладе это уже не выглядит столь очевидным.
Чтобы разобраться с этим, необходимо рассмотреть некоторые фундаментальные законы мироздания. Без этого никак не обойтись. Знание этих законов позволит выяснить весьма важные вещи. Но, поскольку мы собираемся применить эти законы к Вселенной, прежде нужно разобраться с такими понятиями, как Вселенная и материя.
Вселенная и материя
Слово «Вселенная» – буквальный перевод (или, как выражаются филологи – «калька») с греческого «Ойкумена», то есть обжитая, населенная. В старинной картине мира этому слову соответствовало понятие Земли, населенной людьми и расположенной в самом центре мироздания, кроме которой никаких других обитаемых миров не существует. После открытия гелиоцентрической системы мира именно отмена этого представления вызвала у многих людей «культурный шок»: оказалось, что Земля вовсе не центр мира, а всего лишь одно из множества небесных тел, и что таким образом они тоже могут быть обитаемыми. Благодаря этому открытию понятие Вселенной было расширено – сначала на Солнечную систему, затем на галактику, а после и на Метагалактику, включающую в себя все множество известных нам галактик. В конечном итоге понятие о Вселенной, берущее начало от греческой «Ойкумены» привело к представлению о вселенной как о части материального мира, доступной изучению естественнонаучными методами18.
Латинское название вселенной, «Универсум», передает иной, более общий, скорее философский, чем физический оттенок смысла. Универсум – это буквально «все, что есть, все сущее». Понятие Универсум включает в себя все существующее и предполагает имплицитное утверждение о том, что ничего иного, кроме Вселенной, никаких иных объектов или сущностей, нет и быть не может. Иными словами, понятие Вселенная равносильно понятию Бытия: все, что только имеет существование, в обязательном порядке является частью Вселенной. Отсюда – второе толкование Вселенной как всего окружающего мира19.
Не будет ошибкой сказать, что существует два понятия о Вселенной – первое – практическое и относительное, зависящее от возможностей человека познавать окружающее его пространство, второе – теоретическое и абсолютное. Для целей наших рассуждений нам подходит только второе, более общее и фундаментальное определение Вселенной, по отношению к которому первое представляет собой частный случай.
Итак, Вселенная или Универсум – это «все, что существует, вся система мироздания, совокупность всех существующих в природе миров».
В течение многих тысячелетий в понятие Вселенной, помимо Земли или физического (феноменального) мира включался также и ноуменальный мир, т. е. мир духовных сущностей. Иначе говоря, понятие Вселенной вмещало в себя оба мира: как материальный, так и духовный. И это никого не смущало: раз уж вселенная – это все, что существует, а духовный мир существует, стало быть, он тоже является частью Вселенной.
Однако после того как в середине XIX века в науке укрепилась материалистическая доктрина, которая отрицала реальность духовного мира и утверждала, что кроме материи ничего больше нет, под Вселенной стали понимать исключительно материальный мир, принимая его за все, что существует. Определение материи не изменилось – изменилось только понимание того, что следует понимать под «всем, что существует». Такое понимание Вселенной – Универсума весьма недвусмысленно было высказано, например, академиком Николаем Моисеевым: «все, что лежит вне Универсума, не существует и относится к вере, т. е. находится вне науки и практического опыта»20.
Центральной категорией материалистической доктрины является понятие материи (от лат. materia – вещество), которую определяют как «бесконечное множество всех существующих в мире объектов и систем, субстрат любых свойств, связей, отношений и форм движения. Материя включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все те, которые в принципе могут быть познаны в будущем на основе совершенствования средств наблюдения и эксперимента. Весь окружающий нас мир представляет собой движущуюся материю в её бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми её свойствами, связями и отношениями»21.
Согласно утверждению В. И. Ленина: «В мире нет ничего, кроме движущейся материи»22. До Ленина та же идея была высказана Декартом, а еще ранее – Джордано Бруно, который говорил: «…Все вещи находятся во вселенной, и вселенная во всех вещах… все сходится в совершенном единстве»23.
Сопоставляя понятие материи с материалистическим пониманием Вселенной, несложно заметить, что эти понятия совершенно тождественны, между ними нет никакого различия. Вселенная – это все, что существует, и материя – это все, что существует. Все, что не попадает под понятие о Вселенной – не существует, и нет ничего, кроме материи. Иными словами, речь идет об одном и том же множестве всех материальных объектов и явлений, называемом разными словами: Вселенная и материя.
В последующих рассуждениях нам еще понадобится понятие «замкнутой системы», поэтому дадим определение и этому понятию.
С точки зрения механики, замкнутой системой называется совокупность физических тел, у которых взаимодействия с внешними телами отсутствуют или скомпенсированы.
С точки зрения термодинамики, замкнутая термодинамическая система – это изолированная термодинамическая система, для которой невозможен обмен с внешней средой путем совершения работы.
По отношению к реально существующим физическим системам понятие «замкнутая система» применяется с известной долей условности, поскольку на самом деле в мире все взаимосвязано, и любая система, как бы тщательно мы ее не изолировали от других, все равно каким-то образом взаимодействует с ними. Единственным исключением из этого правила является сама Вселенная, или материя (как мы видели выше, для материалистов это одно и то же), которая представляет собой абсолютно замкнутую систему. Ни сама Вселенная, ни любая ее часть, не может ни с чем взаимодействовать, поскольку по определению помимо Вселенной (материи) ничего больше нет, так что взаимодействовать просто не с чем.