Готовый перевод Richard Dawkins The Oxford Book of Modern Science Writing / Ричард Докинз Оксфордская книга публикаций современной науки: Erwin Schrödinger from WHAT IS LIFE? / Эрвин Шредингер из "Что такое жизнь?"

Эрвин Шредингер из "Что такое жизнь?"

Австрийский физик Эрвин Шредингер (он описал вероятностного кота) сделал значительный вклад в квантовую теорию, но биологам он известен также своим влиянием на таких известных вершителей революции в молекулярной биологии, как Моррис Вилкинс и Френсис Крик

В самом деле, Мэтт Ридли, в его биографии Крика, говорит, что маленькая книга Шрёдингера "Что такое жизнь?", основанная на цикле лекций, прочитанных в Тринити колледже в Дублине в 1943 г., подтолкнула целое поколение физиков пойти в биологию.

Далее следует выдержка из этой книги, в которой Шрёдингер рассматривает энтропию и развивает идею, что живые субстанции впитывают порядок из окружающей их среды.

Живая материя избегает перехода к равновесию

Что является характерной особенностью жизни? Когда мы считаем материю живой? Тогда, когда она продолжает «делать что-либо», двигаться, участвовать в обмене веществ с окружающей средой и т. д., — все это в течение более длительного отрезка времени, чем, по нашим ожиданиям, могла бы делать неодушевленная материя в подобных условиях.

Если неживую систему изолировать или поместить в однородные условия, всякое движение обычно очень скоро прекращается в результате различного рода трения; разность электрических или химических потенциалов выравнивается; вещества, которые имеют тенденцию образовывать химические соединения, образуют их; температура выравнивается вследствие теплопроводности.

Затем система в целом угасает, превращается в мертвую инертную массу материи.

Достигается состояние, при котором не происходит никаких заметных событий.

Физик называет это состояние термодинамическим равновесием, или состоянием максимальной энтропии.

Практически такое состояние обычно достигается весьма быстро.

Теоретически очень часто это состояние еще не истинное равновесие, еще не действительный максимум энтропии.

Окончательное установление равновесия происходит очень медленно.

Оно может потребовать несколько часов, лет, столетий ...

Приведем пример, когда приближение к равновесию происходит все же достаточно быстро. Если стакан, наполненный чистой водой, и другой, наполненный подслащенной водой, поместить в герметически закрытый ящик при постоянной температуре, то сначала как будто ничего не происходит, возникает впечатление полного равновесия.

Но через день становится заметным, как чистая вода вследствие более высокого давления ее паров постепенно испаряется и конденсируется на поверхности раствора сахара; последний переливается через край стакана.

Только после того как чистая вода испарится полностью, сахар равномерно распределится по всему доступному ему объему.

Эти конечные этапы медленного приближения к равновесию никогда не могут быть приняты за жизнь, и мы можем пренебречь ими здесь.

Я упоминаю о них, чтобы оградить себя от обвинения в неточности.

Питание «отрицательной энтропией»

Именно потому, что организм избегает быстрого перехода в инертное состояние «равновесия», он и кажется загадочным. Настолько загадочным, что с древнейших времен человеческая мысль допускала действие в организме особой, какой-то не физической, а сверхъестественной силы (vis viva, энтелехия).

Как же живой организм избегает перехода к равновесию? Ответ достаточно прост: благодаря тому, что он питается, дышит и (в случае растений) ассимилирует.

Для всего этого есть специальный термин — метаболизм.

(Греческое слово μεταβάλλειν -означает обмен.)

Обмен чего? Первоначально, без сомнения, подразумевался обмен веществ (например, метаболизм, по-немецки Stoffwechsel.)
Буквально — обмен веществ. — Прим. перев.

Но представляется нелепостью, чтобы главным был именно обмен веществ.

Любой атом азота, кислорода, серы и т. п. так же хорош, как любой другой атом того же элемента. Что же достигается их обменом?

Одно время наше любопытство удовлетворялось утверждением, что мы питаемся энергией.

В ресторанах некоторых стран вы могли бы найти карточки-меню, указывающие цену каждого блюда и содержание в нем энергии (калорий).

Нечего и говорить, что это нелепость, ибо во взрослом организме содержание энергии так же постоянно, как и содержание материи.

Каждая калория, конечно, имеет ту же ценность, что и любая другая, поэтому нельзя понять, чему может помочь простой обмен этих калорий.

Что же тогда составляет то драгоценное нечто, содержащееся в нашей пище, что предохраняет нас от смерти? На это легко ответить.

Каждый процесс, явление, событие (назовите это, как хотите), короче говоря, все, что происходит в Природе, означает увеличение энтропии в той части Вселенной, где это имеет место.

Так и живой организм непрерывно увеличивает свою энтропию, или, иначе, производит положительную энтропию и, таким образом, приближается к опасному состоянию максимальной энтропии, представляющему собой смерть.

Он может избежать этого состояния, то есть оставаться живым, только постоянно извлекая из окружающей его среды отрицательную энтропию, которая представляет собой нечто весьма положительное, как мы сейчас увидим.

Отрицательная энтропия — это то, чем организм питается.

Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождаться от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока жив.

Что такое энтропия"!

Разрешите сначала подчеркнуть, что это не туманное представление или идея, а измеримая физическая величина, совершенно такая же, как длина стержня, температура любой точки тела, скрытая теплота плавления данного кристалла или удельная теплоемкость любого вещества.

При температуре абсолютного нуля (грубо —273°С) энтропия любого вещества равна нулю.

Если вы будете медленно переводить вещество в любое другое состояние обратимыми небольшими этапами (даже если при этом вещество изменит свою физическую или химическую природу, распадется на две или большее число частей с различными физическими или химическими характеристиками), то энтропия возрастет на величину, которая определяется делением каждой малой порции тепла, затрачиваемой во время этой операции, на абсолютную температуру, при которой это тепло затрачено, и затем суммированием всех полученных величин.

Например, когда вы расплавляете твердое тело, энтропия возрастает на величину теплоты плавления, деленной на температуру при точке плавления.

Таким образом, вы видите, что единица измерения энтропии есть калория на градус (совершенно так же, как калория есть единица измерения тепла или сантиметр есть единица измерения длины).

Статистическое значение энтропии

Я привел это специальное определение для того, чтобы освободить энтропию от той атмосферы туманной загадочности, которой ее часто окружают.

Гораздо более важна для нас связь энтропии со статистической концепцией упорядоченности и неупорядоченности, — связь, открытая Больцманом и Гиббсом на основе данных статистической физики.

Она также является точной количественной связью и и ее можно выразить
Энтропия = кlg D,
где к — так называемая постоянная Больцмана, равная 3, 2983 • 10 (в минус 24) калорий на градус Цельсия; D — количественная мера неупорядоченности атомов в рассматриваемом теле.

Дать точное объяснение величины D в кратких и не специальных терминах почти невозможно.

Неупорядоченность, которую она выражает, отчасти заключается в тепловом движении, отчасти в том, что атомы и молекулы разного сорта смешиваются чисто случайно вместо того, чтобы быть полностью разделенными, как в недавно приведенном примере молекулы сахара и воды.

Уравнение Больцмана хорошо иллюстрируется этим примером.

Постепенное «распространение» сахара по всему объему воды увеличивает неупорядоченность D и поэтому (поскольку логарифм D возрастает с увеличением D) возрастает и энтропия.

Совершенно ясно, что всякий приток тепла извне увеличивает интенсивность теплового движения, то есть, иначе, увеличивает D и таким образом повышает энтропию. Что это именно так и есть, особенно наглядно проявляется тогда, когда вы расплавляете кристалл. При этом нарушается изящное и устойчивое расположение атомов или молекул и кристаллическая решетка превращается в непрерывно меняющееся случайное распределение атомов.

Изолированная система или система в однородных условиях (для наших рассуждений ее лучше учитывать как часть рассматриваемой системы) увеличивает свою энтропию и более или менее быстро приближается к инертному состоянию максимальной энтропии.

Мы узнаем теперь в этом основном законе физики естественное стремление материи приближаться к хаотическому состоянию, если мы не препятствуем этому.

(Аналогом беспорядочному тепловому движению в данном случае служит наше пользование этими предметами без заботы о том, что-бы класть их назад в надлежащие места).

Организация, поддерживаемая извлечением «упорядоченности» из окружающей среды

Как в терминах статистической теории выразить ту удивительную способность живого организма, с помощью которой он задерживает переход к термодинамическому равновесию (смерти)? Выше мы сказали: «Он питается отрицательной энтропией», как бы привлекая на себя ее поток, чтобы компенсировать этим увеличение энтропии, производимое им в процессе жизни, и таким образом поддерживать себя на постоянном и достаточно низком уровне энтропии.

Если D — мера неупорядоченности, то обратную величину 1/D можно рассматривать как прямую меру упорядоченности.

Поскольку логарифм 1/D есть то ж е, что и отрицательный логарифм D, мы можем написать уравнение Больцмана таким образом :

— (Энтропия) = k lg (l/D).

Теперь неуклюжее выражение отрицательная энтропия можно заменить более изящным: энтропия, взятая с отрицательным знаком, есть сама по себе мера упорядоченности.

Таким образом, средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды

Это заключение менее парадоксально, чем кажется на первый взгляд.

Скорее, оно тривиально.

В самом деле, у высших животных мы достаточно хорошо знаем тот вид упорядоченности, которым они питаются, а именно: крайне хорошо упорядоченное состояние материи в более или менее сложных органических соединениях, которые служат им пищей.

После использования животные возвращают эти вещества в очень деградированной форме, однако не вполне деградированной, так как их еще могут употреблять растения.

(Для растений мощным источником «отрицательной энтропии» является, конечно, солнечный свет.)

примечание к главе 6

Замечание об отрицательной энтропии было встречено сомнением и неприятием коллег-физиков.

Позвольте мне сначала сказать, что если бы я старался только для них одних, я бы повёл дискуссию в терминах свободной энергии.

Это более знакомое понятие в данном контексте.

Но этот крайне технический термин лингвистически кажется слишком близким к энергии, чтобы заставить среднего читателя ощущать различие между этими двумя понятиями.

Он скорее воспримет слово "свободная" как некий эпитет без особого значения, тогда как на на самом деле это довольно сложная концепция, для которой отношение к принципу порядка-беспорядка Больцмана проследить сложнее, чем для энтропии и "энтропии с обратным знаком", которая, между прочим, и не моё изобретение.

Она оказалась в точности той вещью, на которую был направлен исходный аргумент Больцмана.

Но Френсис Саймон очень уместно указал мне, что мои простые термодинамические соображения не могут объяснить, что мы имеем необходимость питаться материей "в очень хорошо упорядоченном состоянии более или менее сложных органических соединений», а не углем или алмазной пульпой.

Он прав.

Но непрофессиональному читателю я должен объяснить, что кусок несожженного угля или алмаза, вместе с количеством кислорода, необходимого для его сгорания, находится также в чрезвычайно упорядоченном состоянии, насколько физик понимает его.

Свидетельство этого: если вы допустите реакцию горения угля будет произведено большое количество тепла.

Испуская его в среду, система избавляется от очень значительного увеличения энтропии, вызванного реакцией, и достигает состояния, в котором она, по сути, имеет примерно ту же энтропию что и раньше.

Все же мы не могли питаться углекислым газом, который следует из реакции.

И таким образом, Саймон совершенно прав указывая мне, что он и сделал, что на самом деле содержание энергии в нашей пище имеет значение, так что мои издевательства над содержанием меню, были не к месту.

Энергия необходима, чтобы заменить не только механическую энергию наших физических применений, но также и высокую температуру, которую мы все время испускаем к окружающую среду.

И то, что мы испускаем высокую температуру, не случайно и важно.

Это именно тот способ, которым мы избавляемся от избыточной энтропии, которую мы все время производим в нашем физическом жизненном процессе.

Можно предположить, что более высокая температура теплокровных животных включает то преимущество, что позволяет избавиться от своей энтропии более быстрыми темпами, так что они могут позволить себе более интенсивный жизненный процесс.

Я не уверен, сколько правды в этом аргументе (за которую несу ответственность я, а не Саймон).

Можно привести конраргумент, что, с другой стороны, многие теплокровные защищены от быстрой потери тепла покрывалом из меха или перьев.

Таким образом, параллелизм между температурой тела и "интенсивностью жизни», в существование которого я верю, возможно придется объяснить более непосредственно законом Вант-Гоффа.

Более высокие температуры, сами ускоряют химические реакции участвующие в жизни.

(То, что это на самом деле так, было подтверждено экспериментально на видах, которые принимают температуру окружающей среды.)

Внимание! Этот перевод, возможно, ещё не готов.
Его статус: перевод редактируется

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/35417/126974

Переводчики: Irina73, ilyich08, borisano