Физиката твърди, че Вселената се стреми към разпад. Вторият закон на термодинамиката гласи, че всяка затворена система с времето губи своята подреденост. Енергията постепенно се разсейва, сложните структури се разрушават, а материята се разпределя все по-хаотично и равномерно. Ако оставим нещата на техния собствен ход, те не стават по-сложни. Те се разрушават. Въпреки това светът около нас демонстрира точно обратния процес.
Веднага след Големия взрив Вселената се е състояла от най-прост газ, предимно от водород и хелий. Милиарди години по-късно от тази еднородна мъгла са възникнали тежките химически елементи, планетите, хилядите видове минерали, най-сложните органични молекули, биосферата и, накрая, човешкият мозък. Тоест редът и сложността около нас не намаляват, а нарастват.
Как да обясним това противоречие? Дали нарастването на сложността е само случайно локално изключение от правилата, или пък пропускаме някакъв фундаментален механизъм на Вселената?
В книгата Time’s Second Arrow („Втората стрела на времето“) минералогът Робърт Хейзен и планетологът Майкъл Уонг твърдят, че е време науката да признае още един универсален принцип. Според тях във Вселената действа допълнително правило, което е законът за естествения подбор на материята, който работи еднакво ефективно както за животните и растенията, така и за атомите, минералите и звездите.
Дарвин за неживия свят: трите стъпки към усложняванетоИдеята за еволюцията асоциираме с Чарлз Дарвин и живата природа. Биологичният естествен подбор обяснява как от опростените едноклетъчни организми в течение на милиарди години са се развили сложните животни. Живите същества се размножават, мутират, а околната среда подбира онези, които са по-добре приспособени към оцеляването.
Хейзен и Вонг предлагат да разглеждаме еволюцията като универсален физичен процес. Според тяхната хипотеза неживата материя преминава през аналогичен подбор, ако системата отговаря на три прости изисквания:
Многообразие на вариантите. В системата трябва да има множество начини, по които отделните елементи могат да се свързват помежду си. Атомите могат да се събират в различни молекули, минералите, да образуват различни кристални решетки, а звуците да се съчетават в различни комбинации от шумове. Способноста да създава нещо ново. В системата трябва непрекъснато да протича процес на смесване или химическо взаимодействие, който генерира все нови и нови варианти на комбинации. Наличие на филтър. Външната среда трябва да подбира само малка част от всички създадени варианти. Оцеляват онези комбинации, които се оказват устойчиви в текущите условия, било то определена температура, налягане или химична среда.Ако тези условия са изпълнени, неживата система неизбежно започва да се усложнява.
Минералогията е добър пример за това. В зората на формирането на Слънчевата система в космическия прах е имало не повече от десетина основни минерала. Основно това са били микрокристали от диамант, графит и най-прости силикати. С образуването на планетите обаче, появата на вулканизъм, вода и кислород, условията на Земята постоянно са се променяли. Всяка нова среда е действала като филтър. Различните химични елементи са се съединявали по милиони начини, но са се запазили само онези структури, които са могли да издържат на налягането и температурата на конкретния слой на Земята. Днес учените познават вече над шест хиляди вида минерали. Неживата материя е преминала през истински еволюционен път.
Подобен принцип се проследява и в развитието на човешката реч. Човешките гласови струни са способни да издават огромно количество случайни звуци. Но в процеса на социалното взаимодействие са оцелели и се са утвърдили само онези звукови комбинации, които са се оказали удобни за произношението и полезни за предаване на информацията. Езикът се е усложнявал и структурирал по същите принципи, по които са се усложнявали минералите на младата планета.
Как да измерим сложността: концепцията за функционалната информацияЕдин от основните проблеми при обсъждането на въпросите за реда и сложността винаги е била неяснотата на тези понятия. Какво точно имаме предвид, когато казваме, че дадена система е станала по-сложна?
Авторите на книгата предлагат да се използва понятието „функционална информация“. Това не е просто количеството данни, а показател за това колко строг трябва да бъде подборът, за да може системата да запази своята форма и да изпълни определена задача.
Представете си, че натискате случайно клавишите на клавиатурата. Вероятността в резултат да се получи смислен текст е изключително малка. От милионите възможни комбинации от букви само незначителна част има смисъл. Ако системата генерира само смислен текст, това означава, че в нея действа строг филтър.
Функционалната информация нараства, когато от огромния брой теоретично възможни състояния на материята системата избира и запазва само тясна група варианти, способни да функционират или да поддържат стабилност в конкретна среда. Колкото по-малък е делът на оцелелите конфигурации спрямо всички възможни, толкова по-висока е функционалната информация, а оттам и нивото на организация на системата.
Защо физиците подхождат към идеята с предпазливостВъпреки привлекателността на хипотезата, научната общност посрещна предложението на Хейзен и Вонг с голяма доза скептицизъм. Основните възражения на критиците могат да бъдат разделени на две категории: термодинамична и методологична.
1. Проблемът с втория закон на термодинамиката
Класическата физика забранява на затворените системи да се усложняват спонтанно. Всяка локална организация на материята, било то растеж на кристал или развитие на жив организъм, изисква постоянен приток на енергия отвън.
Земята става по-сложна единствено защото постоянно получава енергия от Слънцето и излъчва излишната топлина в космоса. В мащаба обаче на една цялостна система, включваща както Слънцето, така и Земята, хаосът продължава да нараства. Физиците с право посочват: нарастването на сложността в отделни точки на Вселената не нарушава втория закон на термодинамиката и не изисква създаването на ново правило. Това е отдавна известен резултат от действието на отворените системи, през които преминава енергия.
2. Зависимост от контекстаФундаменталните закони на физиката са универсални. Законът за вселенското притегляне или законите на електродинамиката действат по един и същ начин във всяка точка на Вселената, независимо от това кой и къде ги наблюдава. Те са абсолютни.
Понятието за функция или устойчивост, върху което Хайзен и Вонг изграждат своята теория, винаги зависи от контекста. Молекула, която е устойчива при температура от хиляда градуса, незабавно ще се разруши в киселинна среда. Минерал, който запазва формата си в недрата на планетата, ще се разпадне на нейната повърхност.
Ако ефективността или устойчивостта на структурата се определят от външни условия, тогава показателят на функционалната информация ще бъде постоянен само за дадена конкретна точка в пространството и времето. Но може ли правило, зависещо от местните условия, да претендира за статут на универсален закон на природата? За много физици отговорът е очевиден: не.
Проверка чрез историята: как това е сработило на Земята
Анализирайки книгата на Хейзен и Вонг, можем да проверим техните заключения въз основа на реалната история на нашата планета. Геоложката и палеонтологичната хроника на Земята ни дава възможност да видим как се е променяла сложността на системите при промяна на условията.
Епоха на застой: период на стабилностВ историята на Земята е имало дълъг период, приблизително от 1,8 до 0,8 милиарда години назад, който геолозите наричат период на стагнация. В продължение на тези хиляди милиони години на планетата практически нищо не се е променяло. Климатът е оставал стабилен, нивото на кислород в атмосферата не се е повишавало, а в океаните са обитавали най-прости едноклетъчни организми.
От гледна точка на теорията на Хейзен и Вонг през този период естественият подбор е бил преустановен. Външните условия не създавали нови изисквания за оцеляване. В резултат на това нивото на функционалната информация се е задържало на едно и също ниво. Системата е престанала да се усложнява, защото са изчезнали стимулите за подбор на нови конфигурации.
Епохата на резкия скок: Кембрийският периодПреди около 550 милиона години ситуацията се промени рязко. На планетата са започнали мащабни климатични колебания, променил се е химичният състав на океаните, нивото на кислорода се е повишило. Появили са се първите хищници.
Външната среда е поставила строги изисквания за оцеляване. В отговор на това възниква мощен прилив на усложняване: животните развиват скелети, броня, мускули и зрителни органи. Силният натиск на външната среда е елиминирал простите форми и е довел до рязък ръст на сложността на организмите.
Ролята на катастрофите
Историята на живота на Земята включва няколко масови измирания, при които рязката промяна в условията е унищожила преобладаващата част от съществуващите видове.
Според Хейзен и Вонг масовото измиране представлява рязко свиване на филтъра.
Изчезването на специализираните организми критично намалява броя на съществуващите форми. Обаче освободените екосистеми дават старт на нов цикъл на генериране на варианти. Милиони години след катастрофата системата е достигнала ново, още по-високо ниво на сложност.
Закони на природата или удобен език за описание?Основната стойност на работата на учените не се състои в това, че тя окончателно решава въпроса за устройството на Вселената, а в това, че ни кара да преосмислим границите между научните дисциплини.
Истинският закон на природата трябва да притежава предсказуема сила. Законът на гравитацията позволява с точност до m да се изчисли траекторията на космическия апарат. Законът за запазване на енергията дава възможност да се предскаже резултатът от химична реакция.
Може ли хипотезата на Хейзен и Вонг да предскаже каква точно сложност ще възникне в нежива система след един милион години? Засега не. Тя само обяснява със задна дата защо едни или други системи са станали по-сложни, отколкото са били в началото.
Ето защо днес предложението на авторите се намира на кръстопът
От една страна, ако изследователите успеят да превърнат понятието „функционална информация“ в строги математически модели и се научат да изчисляват развитието на системите предварително, физиката ще получи един пълноценен нов закон. Той ще обясни защо хаотичният космос неизбежно поражда структури с висока сложност.
От друга страна, ако идеята остава само като качествено описание, тя все пак запазва огромна стойност като аналитичен инструмент. Тя позволява да се заличи изкуствената граница между неживата материя и биологичния живот, като показва, че усложняването на минерала, развитието на органичната клетка и еволюцията на човешката реч се подчиняват на една и съща логика на селекцията.
Вселената наистина се движи към хаоса, както го изисква термодинамиката. Но в рамките на това глобално движение съществуват локални зони, където материята, подчинявайки се на правилата на селекцията, стъпка по стъпка изгражда все по-сложни и организирани форми. А разбирането на механизмите на това изграждане е една от най-увлекателните задачи на съвременната наука.