Седьмое доказательство

«Философия зоологии» содержала и другое, не менее важное открытие. Ламарк не только открыл глаза на явление прогрессивного развития животных видов, он ещё и указал на движущую силу этого развития. По его мнению, причиной эволюции видов является «постоянное стремление к развитию и усложнению».

Правда, Ламарк до конца не разобрался в природе этой силы. Он считал её свойством самой природы, атрибутом материи, присущим ей изначально. Его последователи – эволюционисты и вовсе отказались от идеи ламарковой силы как причины развития, поскольку «постоянное стремление» предполагает наличие какого-то разумного начала к наперёд заданной цели, что противоречило материалистической парадигме, возобладавшей в науке того времени.

Ламарк не был первым, кому удалось подметить тенденцию к прогрессивному развитию мира.

За две тысячи лет до него эту идею высказал Аристотель, причем в гораздо более широком смысле. В трудах Аристотеля мы находим на удивление зрелую и детально проработанную эволюционную теорию, включающую в себя как органическую, так и неорганическую природу, в то время как учение Ламарка ограничивалось только животным миром.

Аристотель уподобил эволюцию лестнице, состоящей из нескольких ступеней (этапов), на которых в восходящем порядке выстроились все формы существования, от примитивных до наиболее развитых. На первой ступени аристотелевой «лестницы существ» расположилась неорганическая материя, выше – растения, затем зоофиты13, еще выше – животные, а на вершине лестницы – человек. Развитие материальных форм, учил Аристотель, происходит путём их восхождения по ступенькам лестницы – от низших к высшим.

Впрочем, и у Аристотеля были предшественники.

Более раннюю, но при этом еще более всеобъемлющую версию эволюционной теории можно обнаружить… на первых страницах Библии!

Первая глава первой книги Моисея, называемой «Генезис»14, описывает полный цикл эволюции мира из шести последовательных этапов, начиная от создания материи как таковой, через стадию космогонической и геологической эволюции – до появления разумного существа. Согласно Библии этапами сотворения мира являются: первозданный свет (протоматерия в состоянии высокотемпературной плазмы и электромагнитного излучения) – минеральное царство (суша и море, атмосфера) – растения (трава и деревья) – низшие животные (рыбы, пресмыкающиеся, птицы) – высшие животные (травоядные и хищники) – человек.

В наше время эволюционное развитие мира мало у кого вызывает сомнения. Следы эволюционного развития обнаруживаются повсюду.

Астрономы фиксируют факты рождения новых звезд и целых галактик. В среднем только в нашей Галактике ежегодно рождается десяток звезд с массой около 5 масс Солнца.

Периодический закон, открытый Д. И. Менделеевым, наглядно изображает эволюцию элементов от простейшего атома водорода, состоящего из ядра с одним электроном до атомов редкоземельных металлов, в которых больше сотни электронов.

Семейство органических соединений демонстрирует тенденцию к усложнению от молекулы простейшего спирта метанола до молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, несущей в себе генетический код человека.

Биологи рисуют генеалогические древа развития растительных и животных видов от простейших одноклеточных до высших млекопитающих.

История цивилизации наглядно демонстрирует развитие человеческого общества от первобытного стада до постиндустриального общества, а история техники – развитие орудий труда от каменного рубила до оптического квантового генератора (лазера).

Везде и всюду мы находим свидетельства прогресса, возникновение все более и более совершенных материальных систем, как живых, так и неживых.

Наблюдение и непосредственный опыт убеждают: материальный мир развивается, эволюционирует.

Глава 4. Ошибка

Соединение, рождение и рост составляют цикл жизни, так же как цикл смерти состоит из прекращения роста, из дезинтеграции и распада.

Эрих Фромм

То, что мир эволюционирует – это факт, в настоящее время достоверно установленный Наукой. Но задача Науки не только констатировать факты, но и объяснить их.

Подметив, что существа не пребывают в неизменном состоянии, а восходят по лестнице эволюции, Аристотель объяснил это восхождение «естественной причиной» – наличием якобы присущей материи «склонности к самосовершенствованию».

Ламарк также полагал «постоянное стремление к развитию и усложнению» свойством самой природы.

Можно ли согласиться с их предположениями? Можно ли признать материю наделенной естественной склонностью к усложнению и совершенствованию?

В первой главе мы установили, что материи присуще вовсе не «стремление к совершенствованию», а совсем наоборот – стремление к упрощению и разрушению.

Не может материя, стремящаяся по своей природе к разрушению, быть причиной эволюционного развития.

Аристотель и Ламарк ошиблись. Ошиблись не в том, что заметили эволюцию, тут-то они правы, а в том, что неверно определили её причину.

Их ошибка простительна. В их времена наука находилась еще в зачаточном состоянии и не имела достаточных знаний о свойствах материи. Наблюдая за окружающим миром, они видели лишь внешний (суммарный) эффект, но не поняли природы и направления производящих этот эффект внутренних сил.

Объяснять причину эволюции материального мира свойством самой материи – это все равно, что, наблюдая корпус летящего в небе самолета, полагать, будто движение есть врожденное свойство его корпуса. Или материала, из которого сделан корпус. Это ошибочное предположение.

Предоставьте корпус самолета самому себе. Что произойдет? Он просто рухнет на землю под действием своего веса.

Если свойством корпуса движение самолета объяснит нельзя, надо искать другую причину, пусть и скрытую внутри и не видную на первый взгляд. И такая причина есть. Движение воздушного судна обеспечивает не корпус, а двигатель. Двигателю присуще движение, это его главная функция, и он осуществляет ее, преодолевая торможение и стремление к падению.

Если свойством материи объяснить эволюцию нельзя, значит надо искать другую причину.

Если материальный мир эволюционирует, но его материал (материя) стремится к разрушению и распаду, ничего не остается, как предположить наличие, кроме материи, другого фактора.

Этот второй фактор должен быть противоположен материи. То есть – это должен быть нематериальный фактор. Фактор, не принадлежащий к материальному миру, внешний по отношению к нему, но способный оказать на него воздействие.

Но если мы признаем существование такого фактора, значит, должны признать существование двух Начал, как их называют философы: материального и нематериального.

Не все согласны это признать. Есть достаточно многочисленная группа людей, убежденных, что есть только одно Начало – Материя. А кроме нее больше ничего нет. Никакого второго Начала, никакого нематериального фактора. Эта позиция получила название «материализм».

Может, они правы? Может, надо руководствоваться принципом, провозглашенным францисканским монахом Оккамом, который называют «бритвой Оккама». Принцип формулируется следующим образом: «Не следует умножать сущности без необходимости». Это означает, что если что-то можно объяснить, пользуясь имеющимися сущностями, то дополнительных сущностей привлекать не нужно.

Материалисты утверждают, что все явления мира можно объяснить действием одной лишь Материи, а потому привлекать для объяснения явлений природы нематериальный фактор нет необходимости.

Поскольку наличие нематериального фактора не для всех очевидно и не всеми признается, придется его доказывать. Этим мы и займемся.

Глава 5. Система, вещество и энергия

В отличие от предшественников, теологов и философов, мы будем строить наше доказательство, опираясь на законы физики с привлечением, при необходимости, данных других наук.

А для этого, рискуя сильно сократить читательскую аудиторию (кому захочется почувствовать себя вновь за школьной партой?) придется ненадолго погрузиться в физику и некоторые смежные с ней области науки. Можно было бы без этого обойтись, – мы бы, непременно, так и поступили. Но… Невозможно перейти брод, не замочившись. Невозможно формулировать доказательство на основе физики, не понимая язык физики. Единственно, чем мы можем утешить читателя, что наш экскурс будет по возможности кратким и не заумным.

В этой главе мы рассмотрим такие необходимые для доказательства понятия, как «система», «вещество» и «энергия».

Система

Системой называют совокупность элементов, находящихся в отношениях и связях между собой и образующих определенную целостность, единство.

Примером системы является совокупность небесных тел, сгруппированных возле Солнца и связанных гравитационными силами. Она так и называется: Солнечная система.

Системами являются: атом вещества, человек, планета Земля, Галактика, вся Вселенная в целом. Вообще любой материальный объект является системой. Почему? Да потому что все материальные объекты состоят из составных частей, элементов, частиц.

Если бы существовал цельный и неделимый объект, не имеющий внутри себя составных частей, его нельзя было бы назвать системой – это был бы просто единичный объект. Но такого объекта в материальном мире нет. Все материальные объекты – это системы.

Существует специальная научная дисциплина – Теория систем, которая изучает виды и типы систем, основные принципы и закономерности их функционирования и развития. В рамках этой дисциплины различают, например, системы биологические, термодинамические, социальные, механические. Для целей нашего доказательства значение имеют два вида систем: открытые и изолированные.

Изолированные системы, в отличие от открытых, не имеют возможности обмениваться веществом или энергией с другими системами или окружающей средой.

Примером механической изолированной системы являются механические часы, у которых потерян ключ. Отсутствие ключа делает невозможным поступление в них энергии извне.

С точки зрения термодинамики, изолированная система – это система, для которой невозможен обмен энергией с внешней средой путем совершения работы.

Примером термодинамической изолированной системы является термос, стенки которого устроены таким образом, что изолируют содержимое от внешней среды, препятствуя оттоку тепловой энергии.

Большинство систем можно назвать изолированными только условно, потому что в реальных условиях трудно обеспечить абсолютную изоляцию. Например, как бы ни был хорош термос, кофе в нем рано или поздно остынет вследствие утечек тепла. Термос – несовершенная изолированная система.

Вообще 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 является сама Вселенная, которая представляет собой абсолютно изолированную систему. Вселенная не может ни с чем взаимодействовать, поскольку по определению помимо нее ничего больше нет. Во всяком случае, ничего материального.

Взаимодействовать ей просто не с чем. Вселенная – абсолютно изолированная система.

Вещество

Вещество – это то, из чего состоят вещи, физические тела.

В этом смысле вещество как будто бы тождественно материи, ведь материя – это тоже материал, из которого состоит Вселенная, а стало быть, и все входящие в неё тела.

Однако понятие материи шире понятия вещества. Материя может существовать не только в виде вещества, но и в виде физического поля, не обладающего массой, но обладающего энергией, т.е. способностью совершать работу.

Основным свойством вещества является инерция, или, как выражались наши предки, косность – свойство физического тела сопротивляться изменению скорости, с которой оно движется.

В 1678 году Исаак Ньютон в книге «Математические начала натуральной философии» сформулировал Закон инерции (Первый закон Ньютона): «Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние».

В соответствии с этим законом любое вещественное тело, предоставленное самому себе, двигалось бы бесконечно долго по прямой траектории, если бы на него не влияли другие тела, которые изменяют скорость или направление его движения.

Мерой инерции является масса.

Чем больше масса, тем труднее изменить скорость движения тела, тем больше его инерция. То есть масса и инерция это, по сути, одно и то же.

С другой стороны, масса также является мерой количества вещества. Чем больше это количество – тем больше инерция, тем сильнее тело сопротивляется внешним воздействиям.

Отсюда видно, что главное свойство вещества – это косность. Само по себе вещество не способно ни к самостоятельному движению, ни к развитию, а, наоборот, по самой своей природе является тормозом и препятствие тому и другому.

Энергия

Древнегреческие натурфилософы, введшие в научный оборот термин «энергия» (от греч. energeia – деятельность, способность производить работу) подразумевали под этим словом «деятельную силу, соединенную с настойчивостью в достижении поставленной цели»15. В этом смысле мы говорим: «энергичный человек», подразумевая человека, настойчиво и деятельно осуществляющего свои замыслы.

Позже физики придали этому слову более отвлеченный смысл.

Сегодня под «энергией» подразумевают «общую количественную меру движения и взаимодействия различных видов материи». Другими словами, энергия – это способность тела или вещества производить какую-либо работу. Впервые в таком значении это слово употребил в 1807 году английский физик Томас Янг.

Первоначальный (древнегреческий) смысл этого понятия, однако, лучше отражает его сущность. Для преодоления инерции (косности) вещественной системы 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.

Способность системы производить работу возникает не сама собой, а вследствие приложения к системе деятельной силы (т.е. сообщения системе какого-то количества энергии извне).

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 порученное ей дело (приводит в движение часовой механизм) только после того, как вы её заведете, то есть сообщите ей необходимое количество энергии. Вы в этом случае выполняете роль источника 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 некоторую 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 реакций. 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.

Глава 6. Мера хаоса

Согласно древним мифам, первоначально мир представлял собой бесформенное, недифференцированное скопление вещества (или смешение стихий), в котором не было ни верха, ни низа, ни края, ни середины. Лишенный форм, безжизненный и неподвижный, хладным трупом лежал он во тьме, и в нем ничего не происходило. Существование этого первобытного мира более походило на несуществование.

Миф довольно точно передает представление о свойствах материи. Именно так выглядела бы материя, будь она предоставлена сама себе.

Такое состояние мира называется Хаосом.

От греческого слова «хаос» впоследствии возник термин «газ» – состояние вещества, при котором вещество равномерно заполняет весь предоставленный ему объем. Можно представить себе первобытный Хаос как некий газ из частиц материи, некое подобие которого мы обнаруживаем в космосе в виде газово – пылевых туманностей.

Согласно затейливой, но точной формулировке Платона, «Хаос есть такое состояние системы, которое остается по мере устранения возможностей проявления её свойств». Иначе говоря, Хаос не способен проявлять никакие свойства, он не обладает созидательной способностью.

Собственно, больше о Хаосе сказать нечего. Хаос – он и есть Хаос. Никому не нужный, ни на что не годный. Тут бы и мифу конец.

Единственное развитие, которое мог получить миф – это вмешательство в Хаос внешних сил. Какой другой выход был из этой безнадеги?

Согласно мифу, в дело вмешался Бог (аналог уже знакомого нам нематериального фактора). Бог использовал Хаос как материал для творчества: придал ему форму и упорядоченную структуру, создал из него звезды, планеты, Луну и Солнце, то есть учредил организованность и порядок.

Порядок по гречески называется «Космос».

Таким образом, первобытный Хаос был преобразован в Космос.

Хаос послужил материалом для создания Космоса, как песок служит материалом для песчаных замков или детских куличиков.

Песок способен принимать форму, которую ему придают. Но удерживать эту форму долгое время он не в состоянии.

Любой песчаный замок по истечении недолгого времени начинает разрушаться и в конечном итоге переходит в свое изначальное аморфное состояние, которое и есть естественное и наиболее вероятное состояние материи.

Бесформенная куча – более вероятное состояние песка, чем песчаный замок. Не каждая куча песка становится песчаным замком, но каждый песчаный замок становится кучей песка.

Песчаный замок отличается от кучи песка степенью разрушения или беспорядка. Наименьшей степенью разрушения обладает только что построенный песчаный замок. Когда он начинает осыпаться, степень разрушения увеличивается, и достигает своего максимума в состоянии кучи.

Физики выражают степень беспорядка (степень разрушения) величиной энтропии, обозначая ее латинской «S».

Рудольф Клаузиус

Термин «энтропия» был введен в научный оборот в 1865 году Рудольфом Клаузиусом, одним из основателей термодинамики. Клаузиус так объяснял значение изобретенного им слова. «Тропе» по-гречески означает «превращение»; к этому корню Клаузиус добавил приставку «эн», чтобы получившееся слово было созвучно слову «энергия», к которому энтропия близка по физической значимости.

Энтропия – мера беспорядка. Мера хаоса.

Энтропия выражает стремление материи к беспорядку и разрушению.

Австрийский физик Л. Больцман выразил связь между величиной энтропии изолированной системы и вероятностью состояния этой системы следующей формулой:

S = k ln N,

где k = 1,38 * 10—23 Джоуль/градус – постоянная Больцмана.

Не обращайте внимание, если формула покажется непонятной. Физический смысл ее прост: самым вероятным состоянием системы является состояние с максимальной энтропией. То есть состояние полного хаоса, полного разрушения. Такое состояние будет наиболее вероятным. А состояние с нулевой энтропией практически невероятно. Таких состояний в реальной жизни не бывает. Любая материальная система (любая!) имеет либо трещинку, либо червоточинку, либо скрытый дефект. Идеальных материальных систем в принципе быть не может.

Итак, энтропия воплощает главное свойство материи – стремление к разрушению. Значение энтропии показывает, насколько это свойство реализовано на данный момент.

Глава 7. Энергия против энтропии

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.

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.

Процесс разрушения любой материальной системы, её перехода в более простое состояние, приводящий к увеличению энтропии системы, совершается сам собой, в силу внутренне присущего материи свойства. Для этого не нужно прикладывать никаких усилий.

А вот для того, чтобы этот процесс замедлить, а более того, повернуть вспять – усилия, безусловно, потребуются. И немалые. Для того, чтобы противостоять энтропии, к системе должна быть приложена, как говорили древние греки, энергия – «деятельная сила, соединенная с настойчивостью в достижении поставленной цели».

Почему энтропия системы растет сама собой, без всякого усилия, а для того, чтобы противостоять ей нужно специально прикладывать к системе усилия, тратить энергию?

Понять это нам поможет Термодинамика с двумя ее фундаментальными законами.

Глава 8. Первое начало термодинамики

Термодинамика (греч. θέρμη – «тепло», δύναμις – «сила») – наука о движении теплоты.

Несмотря на скучное название, это весьма интересная наука. Она на многое открывает глаза.

Взять хотя бы тот факт, что на основании законов термодинамики была точно установлена невозможность создания perpetuum mobile – вечного двигателя, над которым во время óно ломали головы поколения энтузиастов, а теперь шутят поколения юмористов.

Термодинамика изучает превращения энергии в различных явлениях, сопровождающихся тепловыми эффектами.

А тепловая форма энергии является базовой по отношению к другим. При любом переходе энергии из одного вида в другой некоторая часть энергии (порой – довольно значительная) выделяется в виде теплоты.

Когда мы превращаем электрическую энергию в световую (включаем электролампочку), эта лампочка, кроме света, выделяет также и довольно много тепла, даже если это нам не требуется. Когда мы ту же электрическую энергию превращаем в механическую, например, пользуемся электрической дрелью, то и двигатель дрели и сверло вполне ощутимо нагреваются, что приводит к их ускоренному износу. Но поделать с этим ничего нельзя.

Тепловая энергия – универсальный вид энергии. Любой вид энергии в конечном итоге превращается в тепло.

Поэтому термодинамика и представляет для нас такой интерес.

Термодинамика основывается на эмпирических законах, которые называют Началами термодинамики.

Первое начало термодинамики описывает тот очевидный факт, что при наличии разности потенциалов (энергетических уровней) энергия всегда перемещается в направлении от более высокого уровня к более низкому, от избытка к недостатку.

Представьте себе водопад. В какую сторону течет вода? Конечно, с высокого уровня – на более низкий. При этом она совершает работу, которую можно использовать, например, заставив её крутить лопасти турбины и вырабатывать ток. На этом явлении, собственно, основана идея любой гидроэлектростанции.

А может ли вода двигаться в обратном направлении, снизу вверх?

Глупый вопрос. Конечно, не может.

Ну, это вода. Может быть, тепло ведет себя по-другому?

Возьмем два предмета, имеющих различную температуру. Например, чай (t=800С) и обычную чашку (t=200С) и приведем их в соприкосновение: нальем чай в чашку. Что будет происходить? Через какое-то время мы заметим, что чай остыл, так что его можно пить, а чашка нагрелась. Очевидно, часть тепла перешла от чая к чашке. Могло ли быть иначе?

Могла ли чашка передать свои 200С чаю так, чтобы он вскипел (t=1000С), а чашка бы охладилась до нуля градусов?

Нет, это уже похоже на фантастику.

Тепло, как и вода, переходит ВСЕГДА с более высокого уровня на более низкий, то есть от более нагретого тела к менее нагретому. И никогда иначе!

Этот простой факт и констатирует первое начало термодинамики.

Любой вид энергии (не только теплота) ВСЕГДА переходит с более высокого уровня на более низкий.