Александр Болонкин
Принцип возрастания хаоса во Вселенной
В связи с развитием теплотехники ученые в прошлом веке пришли к простому, но удивительному закону, потрясшему человечество. Это закон (иногда его называют принцип) возрастания энтропии (хаоса) во Вселенной. Этот закон не опровергнут до сих пор, все попытки его обойти, хитроумные опровержения, неизменно рассыпались при тщательном научном рассмотрении.
Говоря проще, этот закон утверждает, что любая сложная структура может только упрощаться, т.е. разрушаться.
Другими словами, это значит, что энергия в материальном мире может только рассеиваться, но не может сама собой концентрироваться.
По отношению к термодинамическим системам этот закон был уточнен ученым Л.Больцманом. Иногда его еще называют математической формулировкой второго закона термодинамики. Популярно его можно пояснить следующим образом. Пусть в замкнутом объеме мы имеем газ в равновесном состоянии без теплообмена с окружающей средой (т.е. стенки жесткого сосуда имеют туже температуру, что и газ). Тогда никакими ухищрениями невозможно разделить этот газ на горячий и холодный.
Скептики тут же возразили. Газ, как известно, состоит из молекул, имеющих разные скорости движения. Скорость молекул и есть однозначная функция их температуры. Если мы перегородим этот сосуд, сделаем в стенке маленькое отверстие с заслонкой, поставим там наблюдателя, который молекулы с большой скоростью будет пропускать в одну сторону, а с маленькой скоростью в другую, то мы и разделим газ на горячий и холодный. Это рассуждение получило в науке название «Демон Максвелла» и в свое время вызвало бурные дискуссии его сторонников и противников. Но оно так и осталось только досужим теоретическим вывертом. Ибо молекула есть, как известно, мельчайшая частица вещества и соорудить отверстие размером с молекулу, затем заслонку, а тем более разумного наблюдателя такого размера, просто невозможно.
Из закона возрастания энтропии (второго закона термодинамики), в частности, следует, что тепловая энергия может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, но никак не наоборот. Отсюда вытекает очевидное следствие, что рано или поздно наступит так называемая «Тепловая смерть Вселенной», т.е. температура всех её частей выровняется, все процессы (включая жизнь) прекратятся и Вселенная застынет в мертвом вечном равновесии.
Однако этот закон справедлив только для изолированной однородной системы, т.е. системы без притока или оттока энергии, имеющей однотипную структуру. Земля, к счастью, как и многие другие планеты, относится к так называемым открытым системам. Она непрерывно получает мощный поток лучистой энергии от Солнца и избыток этой энергии также непрерывно излучает обратно в космическое пространство. Причем разные части Земли получают и отдают энергию неодинаково. Энтропия этих частей разная, между ними происходит обмен энергией, переход её из одной формы в другую. Вот почему мы наблюдаем течение рек, дожди, ветры, грозы, бури, землетрясения и другие природные явления.
Закон возрастания сложности систем
Для удобства дальнейших рассуждений мы введем понятие в некотором смысле обратное энтропии, а именно – степень сложности системы.
Природа поднесла нам удивительное «нарушение» закона возрастания (точнее неубывания) энтропии. Слово «нарушение» взято в кавычки потому, что это «нарушение» мы видим только в открытых неравновесных системах. Это способность к воспроизводству, размножению, неограниченному тиражированию систем повышенной сложности. Системы, обладающие этим свойством, становятся устойчивыми, жизнеспособными, заполняют все доступное им пространство и существуют до тех пор, пока резко не изменятся породившие их внешние условия. Никакого нарушения закона возрастания энтропии здесь нет, ибо понижение энтропии (упорядочивание) в одной системе, сопровождается повышением энтропии (хаоса) в другой, связанной с первой.
На базе одних упорядоченных систем могут возникнуть другие более сложные системы второго уровня, повышающие степень своей сложности за счет понижения сложности (разрушения, повышения энтропии) систем более низкого уровня, либо поглощения энергии.
На их основе могут возникать системы третьего, четверного, пятого и т.д. уровней со все более и более усложняющейся структурой. Какие-то более низкие уровни могут при этом гибнуть, исчезать. Но это уже неважно, ибо они выполнили свою историческую роль – породили более высокий уровень.
Однако обязательным условием существования любого уровня сложности является его способность к воспроизводству, к беспрерывному тиражированию самих себя, ограниченному только внешними ограничениями и физическими границами.
Я утверждаю, что это есть основной, главный закон, смысл существования природы. Этот утверждение можно сформулировать в следующем виде:
Закон возрастания сложности самокопирующихся систем при постоянных внешних условиях.
Под постоянством внешних условий понимается изменение внешних условий более медленное, чем скорость приспособляемости к ним самокопирующихся систем. Обычная периодическая смена дня и ночи, времен года, влажного и засушливого сезонов относятся к постоянным внешним условиям, ибо они повторяются тысячи, миллионы лет и системы успевают к ним приспособиться.
Этот закон полностью подтверждает история возникновения жизни на Земле.
По закону вероятности в доисторические времена. как только появилась благоприятная возможность. стали возникать органические молекулы. Те из них, которые обладали способностью к тиражированию самых себя, заполнили пространство. На их основе возникли микроорганизмы, способные синтезировать органические и неорганические вещества и неограниченно размножаться. На базе их появился растительный мир. Употребляя в пищу растения, появились многообразные травоядные животные, а поедая последних, возник класс хищников. Венцом этой пирамиды стал человек, сумевший по своему уму резко оторваться даже от своих ближайших предков – обезьян, и использовать для своего развития и роста не только все предыдущие уровни, но и нулевой уровень – неживую природу.
Рождение электронной эры
Именно ум, способность к абстрактному мышлению, к созданию механических приспособлений, резко увеличивающих производительность труда, позволяют нам утверждать, что человечество есть следующий уровень развития биологического животного мира. Но в стремительном прогрессе последнего столетия (авиация, космос, освоение ядерной энергии) как-то незаметно прошел тот факт, что в недрах того же человечества зародился новый более высокий уровень сложных систем, если хотите цивилизации, основанный не на биологической основе, а на несравненно более высоком электронном принципе. Я имею в виду создание в конце 40-х годов 20-го столетия первой электронно – счетной машины.
Правда, в 50...60 годы среди фантастов, да и ученых, разгорелись бурные дискуссии об электронном мозге, но большинство пришло к выводу, что компьютер не более, чем электронный калькулятор, может работать только по заданной программе и никогда с человеческим мозгом сравняться не в состоянии. Характерны высказывания на эту тему даже современных ученых. Так, доктор наук американец Глен Учи (Glenn I.Ouchi), составивший немало пакетов программ для компьютеров, в книге «Персональные компьютеры для научных работников» (Москва, «Мир», 1990г., стр.9) пишет:
«Компьютеры как таковые – это всего лишь глупые машины, они ничуть не более «интеллектуальны», чем консервные ножи».
Роботы с электронным мозгом неизменно (и до сих пор) изображаются некими слугами человека, могущими, в лучшем случае, выполнять его команды. Писатель-фантаст А.Азимов даже сформулировал «законы» робототехники, главным среди которых был таков: робот должен прежде всего спасать человека, а уже потом думать о себе.
Между тем за эти неполные 50 лет электроника стремительно развивалась, пройдя четыре поколения. Если первые громоздкие и медленные компьютеры были ламповыми, то второе поколение уже базировалось на транзисторах, третье – на интегральных схемах, а четвертое – на больших и сверхбольших интегральных схемах, на маленьких чипах, включавших в себя тысячи, десятки тысяч микронных элементов. Если первые компьютеры имели быстродействие порядка 100 операций в секунду (первый электронный калькулятор, сконструированный фирмой АйБиЭм в 1948г., имел 23000 реле, 13000 электронных ламп и выполнял одно умножение в секунду) и память в тысячу бит, то в настоящее время быстродействие компьютеров четвертого поколения подходит к миллиардам операций в секунду. Американский компьютер 4-го поколения «Crey J-90» выполняет 3,2 миллиарда операций в секунду и имеет память 4 миллиарда байт. Память лазерных компакт-дисков достигает нескольких миллиардов бит. Примерно каждые 3...5 лет быстродействие и память компьютеров удваиваются, а габариты уменьшаются вдвое. За неполных 50 лет быстродействие и память увеличились в миллион раз. Если первый компьютер требовал для размещения комнату не менее 100 кв. метров, то нынешние модели персональных компьютеров можно разместить буквально в чемодане, а портативные – в портфеле или сумке.
На подходе 5-е поколение компьютеров, основанное на совершенно другом (световом) принципе работы, обещающее резкий скачок в быстродействии. Над этим усиленно работают во всех развитых странах мира, включая США, Японию, Западную Европу и Россию.
Более того, с 50-х годов бурными темпами стали развиваться область науки, называемая «искусственный интеллект», и отрасль инженерии, называемая «робототехника».
Роботы, руководимые компьютерами, могут, в определенной степени, распознавать зрительные образы, узнавать речь, корректировать свои движения, выполнять сложные работы. Создано огромное число самых разных программ, включая игры.