Вселенная стремится к хаосу, но создает мозг и минералы. Зачем камням и атомам естественный отбор?

Физика утверждает, что Вселенная стремится к распаду. Второй закон термодинамики говорит о том, что любая замкнутая система со временем теряет порядок. Энергия постепенно рассеивается, сложные структуры разрушаются, а материя распределяется всё более хаотично и равномерно. Если предоставить вещи самим себе, они не становятся сложнее. Они разрушаются.

Однако окружающий нас мир демонстрирует прямо противоположный процесс.

Сразу после Большого взрыва Вселенная состояла из простейшего газа — в основном из водорода и гелия. Спустя миллиарды лет из этого однородного тумана возникли тяжелые химические элементы, планеты, тысячи видов минералов, сложнейшие органические молекулы, биосфера и, наконец, человеческий мозг. Порядок и сложность вокруг нас не уменьшаются, а растут.

Как объяснить это противоречие? Является ли рост сложности лишь случайным локальным исключением из правил, или же мы упускаем фундаментальный механизм мироздания?

В книге Time's Second Arrow («Вторая стрела времени») минералог Роберт Хейзен и планетолог Майкл Вонг утверждают, что науке пора признать еще один универсальный принцип. По их мнению, во Вселенной действует дополнительное правило — закон естественного отбора материи, который работает одинаково эффективно как для животных и растений, так и для атомов, минералов и звезд.

Дарвин для неживого мира: три шага к усложнению

Идея эволюции ассоциируется у нас с Чарльзом Дарвином и живой природой. Биологический естественный отбор объясняет, как из простых одноклеточных организмов за миллиарды лет развились сложные животные. Живые существа размножаются, мутируют, а окружающая среда отбирает тех, кто лучше приспособлен к выживанию.

Хейзен и Вонг предлагают посмотреть на эволюцию как на универсальный физический процесс. По их гипотезе, неживая материя проходит через аналогичный отбор, если система отвечает трем простым требованиям:

1. Многообразие вариантов. В системе должно быть множество способов, которыми отдельные элементы могут соединяться друг с другом. Атомы могут собираться в разные молекулы, минералы — образуют разные кристаллические решетки, а звуки — складываться в разное сочетание шумов.
2. Способность создавать новое. В системе должен непрерывно идти процесс перемешивания или химического взаимодействия, который генерирует все новые и новые варианты комбинаций.
3. Наличие фильтра. Внешняя среда должна отбирать из всех созданных вариантов лишь немногие. Выживают те комбинации, которые оказываются устойчивыми в текущих условиях — будь то определенная температура, давление или химическое окружение.

Если эти условия выполняются, неживая система неизбежно начинает усложняться.

Хорошим примером служит минералогия. На заре формирования Солнечной системы в космической пыли существовало не более десятка базовых минералов. В основном это были микрокристаллы алмаза, графита и простейших силикатов. Однако по мере образования планеты, появления вулканизма, воды и кислорода условия на Земле постоянно менялись. Каждая новая среда выступала в роли фильтра. Разные химические элементы соединялись миллионами способов, но сохранялись только те структуры, которые могли выдержать давление и температуру конкретного слоя Земли. Сегодня ученым известно уже более шести тысяч видов минералов. Неживое вещество прошло через настоящий эволюционный путь.

Аналогичный принцип прослеживается и в развитии человеческой речи. Человеческие связки способны издавать огромное количество случайных звуков. Но в процессе социального взаимодействия выжили и закрепились только те звуковые комбинации, которые оказались удобными для произношения и полезными для передачи информации. Язык усложнялся и структурировался по тем же принципам, по которым усложнялись минералы на молодой планете.

Как измерить сложность: концепция функциональной информации

Одной из главных проблем при обсуждении вопросов порядка и сложности всегда была неопределенность этих понятий. Что именно мы имеем в виду, когда говорим, что система стала сложнее?

Авторы книги предлагают использовать понятие функциональной информации. Это не просто объем данных, а показатель того, насколько строгим должен быть отбор, чтобы система сохраняла свою форму или выполняла определенную задачу.

Представьте, что вы случайно нажимаете на клавиши клавиатуры. Вероятность того, что в результате получится осмысленный текст, крайне мала. Из миллионов возможных комбинаций букв лишь ничтожная доля имеет смысл. Если система производит только осмысленный текст, значит, в ней действует жесткий фильтр.

Функциональная информация растет тогда, когда из огромного числа теоретически возможных состояний материи система выбирает и сохраняет лишь узкую группу вариантов, способных работать или сохранять устойчивость в конкретной среде. Чем меньше доля выживших конфигураций относительно всех возможных, тем выше функциональная информация, а значит — и уровень организации системы.

Почему физики относятся к идее с осторожностью

Несмотря на привлекательность гипотезы, научное сообщество встретило предложение Хейзена и Вонга с большой долей скепсиса. Главные возражения критиков можно разделить на две категории: термодинамическую и методологическую.

1. Проблема второго закона термодинамики

Классическая физика запрещает замкнутым системам усложняться самопроизвольно. Всякая локальная организация материи — будь то рост кристалла или развитие живого организма — требует постоянного притока энергии извне.

Земля становится сложнее только потому, что она постоянно получает энергию от Солнца и сбрасывает излишки тепла в космос. В масштабах же единой системы, включающей и Солнце, и Землю, хаос продолжает расти. Физики справедливо указывают: рост сложности в отдельных точках Вселенной не нарушает второй закон термодинамики и не требует создания нового правила. Это давно известный результат работы открытых систем, через которые протекает энергия.

2. Зависимость от контекста

Фундаментальные законы физики универсальны. Закон всемирного тяготения или законы электродинамики работают одинаково в любой точке Вселенной, независимо от того, кто и где за ними наблюдает. Они абсолютны.

Понятие функции или устойчивости, на котором строят свою теорию Хейзен и Вонг, всегда зависит от контекста. Молекула, устойчивая при температуре в тысячу градусов, моментально разрушится в кислотной среде. Минерал, сохраняющий форму в недрах планеты, рассыплется на ее поверхности.

Если эффективность или устойчивость структуры определяется внешними условиями, то и показатель функциональной информации будет постоянным только для данной конкретной точки пространства и времени. Но может ли правило, зависящее от местной обстановки, претендовать на статус универсального закона природы? Для многих физиков ответ очевиден: нет.

Проверка историей: как это работало на Земле

Анализируя книгу Хейзена и Вонга, можно проверить их выводы на реальной истории нашей планеты. Геологическая и палеонтологическая летопись Земли дает возможность увидеть, как менялась сложность систем при смене условий.

Эпоха застоя: период стабильности

В истории Земли был длительный период — примерно от 1,8 до 0,8 миллиарда лет назад, который геологи называют периодом стагнации. На протяжении этой тысячи миллионов лет на планете практически ничего не менялось. Климат оставался стабильным, уровень кислорода в атмосфере не возрастал, а в океанах обитали простейшие одноклеточные организмы.

С точки зрения теории Хейзена и Вонга, в этот период отбор остановлен. Внешние условия не создавали новых требований к выживанию. В результате уровень функциональной информации застыл на одной отметке. Система перестала усложняться, потому что исчезли стимулы для отбора новых конфигураций.

Эпоха резкого скачка: Кембрийский период

Около 550 миллионов лет назад ситуация резко изменилась. На планете начались масштабные колебания климата, изменился химический состав океанов, вырос уровень кислорода. Появились первые хищники.

Внешняя среда выдвинула жесткие требования к выживанию. В ответ на это возник мощный всплеск усложнения: животные развили скелеты, панцири, мышцы и органы зрения. Сильное давление внешней среды отсеяло простые формы и привело к резкому росту сложности организаций.

Роль катастроф

История жизни на Земле включает в себя несколько массовых вымираний, когда резкое изменение условий уничтожало подавляющее большинство существующих видов.

В терминах Хейзена и Вонга массовое вымирание — это резкое сжатие фильтра. Гибель специализированных организмов критически уменьшает число существующих форм. Однако освободившиеся экосистемы дают старт новому витку генерации вариантов. Спустя миллионы лет после катастрофы система выходила на новый, еще более высокий уровень сложности.

Законы природы или удобный язык описания?

Главная ценность работы ученых заключается не в том, что она окончательно закрывает вопрос об устройстве Вселенной, а в том, что она заставляет переосмыслить границы между научными дисциплинами.

Настоящий закон природы должен обладать предсказательной силой. Закон тяготения позволяет с точностью до метра рассчитать траекторию космического аппарата. Закон сохранения энергии дает возможность предсказать результат химической реакции.

Может ли гипотеза Хейзена и Вонга предсказать, какая именно сложность возникнет в неживой системе через миллион лет? Пока нет. Она лишь объясняет задним числом, почему те или иные системы стали сложнее, чем были вначале.

Поэтому сегодня предложение авторов находится на перепутье.

С одной стороны, если исследователи смогут перевести понятие функциональной информации в строгие математические модели и научатся просчитывать развитие систем наперед, физика получит полноценный новый закон. Он объяснит, почему хаотичный космос неизбежно порождает структуры высокой сложности.

С другой стороны, если идея останется только качественным описанием, она все равно сохранит огромную ценность как аналитический инструмент. Она позволяет стереть искусственную грань между неживой материей и биологической жизнью, показывая, что усложнение минерала, развитие органической клетки и эволюция человеческой речи подчиняются одной и той же логике отбора.

Вселенная действительно движется в сторону хаоса, как того требует термодинамика. Но внутри этого глобального движения существуют локальные зоны, где материя, подчиняясь правилам отбора, шаг за шагом выстраивает всё более сложные и организованные формы. И понимание механизмов этого строительства — одна из самых увлекательных задач современной науки.