Жизнь - это энтропийный агент?

Комментарий к посту Вани Замесина про жизнь как энтропийный агент. https://www.facebook.com/zamesin.ivan/posts/10157949965212499

Связь между вторым началом термодинамики, предпринимательством и смыслом жизни путем помощи вселенной как можно быстрее прийти к тепловой смерти очень интересная и заманчивая. Ведь действительно, для производства пластиковой бутылки нужно затратить энергию, причем КПД этого производства далек от 100%, так что энергия (как правило большой процент) рассеивается в виде тепла, которое пытается равномерно рассеяться по вселенной…

Но с другой стороны, если холодным взглядом посмотреть на данные вокруг, то примерно за 4 миллиарда лет жизнь смогла получить примерно $10^{41}$ эрг энергии от Солнца (примерно 4 миллиона эксаджоулей в год и на 4 миллиарда лет). На фотосинтез уходит менее 0.01% процента этой энергии. При КДП рассеивания этой энергии в 10% - жизнь ну так себе приближает тепловую смерть вселенной.

Статистически, масса черной дыры это ее средняя энергия, таким образом для полного теплового рассеивания деятельности жизни за 4 миллиарда лет нужна всего одна черная дыра массой миллион миллиардов грамм ($10^{15}$ г), что есть не так много и такими могли быть первичные черные дыры. Классикой считаются черные дыры в несколько масс Солнца, что есть $10^{33}$ г. Одна из гипотез повествует, что первичных черных дыр очень и очень много в нашей вселенной.

Почему сравнение с черной дырой - это состояние вещества с максимальной энтропией, как гравитационной, так и термодинамической и информационной. Ниже будет подробнее.

Поэтому если жизнь и приближает тепловую смерть вселенной, то такими маленькими шажками, что они абсолютно незаметны. Это как песчинка на многокилометровом песчанном пляже. Хотя известная нам жизнь развивается треть времени жизни вселенной. Возможно Жизнь 3.0 по Тегмарку сможет придумать способ “быстро” высасать всю энергию из родительсткой звезды и распространиться по возможному видимому горизонту, но это точно не человек в нашем смысле.

Я не говорю, что жизнь не делает вклад в увеличение общей энтропии. Наоборот, делает. Я же утверждаю, что одного тезиса недостаточно для понимания феномена жизни и целей жизни, для понимания целей человеческой деятельности.

Гипотеза связи энтропии с жизнью была высказана Шредингером примерно 70 лет назад. Он был очень вдохновлен исследованиями метаболизма у людей и животных, которые показали, что на самом деле энергоэффективность пищеварительных процессов очень мала (не могу сходу цифру найти). Большая часть энергии у нас уходит даже не в тепло, а скорее на поддержание микрофлоры кишечника (где бактерий больше чем клеток во всем организме человека). Да и те забирают только часть энергии. Основную массу энергии мы все-же спускаем в унитаз. Зачем тогда мы едим, если это далеко не самый эффективный канал потребления энергии? Вот он и пришел к идеи энтропии, что жизнь тесно связана с энтропией.

Жизнь является организацией вещества с низкой энтропией и эту низкую энтропию нужно поддерживать, но как? Ответ простой - нужно потреблять вещества с более низкой или как минимум равной энтропией. Зачем мы готовим еду? Почему нам нравиться сервировка блюд в ресторане (ведь в мозгу абсолютно не зашита эта сервировка)? Нам нужно потреблять более упорядоченные системы для поддержания низкого уровня энтропии (тут привет всему потреблению, в частности информационному). Из них мы извлекаем энергию для перестройки своей системы, чтобы поддерживать ее в низко-энтропийном состоянии. Это физическая причина готовки и поедания лакомств, которая через сложные цепочки трансформируется в то, что мы называем современной кухней.

Это я к тому, что в этой вселенной существует миллиарды способов ускорить рост энтропии, и совершенно непонятно, почему жизнь может быть одним из основных способов. Для более точного ответа нужно понимание, зачем вселенной важно растить энтропию.

До сих пор остается неясным вопрос, почему во время зарождения вселенной энтропия была минимальной, чтобы мочь расти до максимума. Квантовая механика дает объяснение реликтовому излучению только в случае термодинамического равновесия - а в этом состоянии энтропия максимальна. Еще раз, примерно до 400к лет с момента рождения вселенной термодинамическая! энтропия была максимальна. Создание любых структур невозможно в такой системе.

Сейчас же мы видим как энтропия растет. Налицо противоречие - энтропия была максимальной, а сейчас далека от максимума. Значит у нас либо неправильное понимание физики (это маловероятно, так как бензиновые двигатели работают как часы). Либо помимо термодинамической энтропии есть еще что-то, и вот их сумма - также должна не убывать в замкнутой системе. Р. Пенроуз, предложил использовать гравитационную энтропию (квадрат тензора Вейеля), но это до сих пор туманно, так как нет ни одного подтверждения и возможные выводы из этой теории можно проверить вблизи черных дыр. По видимому, в этой вселенной есть более общий закон “неубывания чего-то”, и энтропия, как и время, являются частными случаями. Эти парадоксы пытается разрешить концепция мульти-вселенных, или других моделей реальности с более чем 5 измерениями.

Итого, энергию жизнь поглощает не очень то и много (кпд очень маленький), вклад в общее увеличение энтропии по сравнению с другими объектами во вселенной очень мал. Но вообще, зачем системе потребовалось так бороться за энтропию? Ну типо пусть она растет и все такое. Зачем образовываться жизни? Классический ответ - для самовоспроизводства - слабо подходит. Мемчик в тиктоке воспроизводиться колоссально быстро и качественно, но у нас и мысли не возникает назвать воспроизводство мемов жизнью. Причины должны быть гораздо более фундаментальны.

Одной из таких фундаментальных причин, как заметил Норберт Виннер, может быть информация. Знания это упорядоченная, сжатая форма информации. Согласно этой концепции в этой вселенной первичная не столько энергия (оттуда и пространство и материя и все все все), сколько информация. А энергия это лишь способ хранения информации и вычислений. С этой точки зрения самовоспроизводство жизни это лишь способ хранения информации вопреки второму началу термодинамики. Ну да, клетку скоро разнесет броуновским движением, но не страшно. Информация скопирована и не исчезнет.

Возьмем например обычный глаз. Мы смотрим на мир и особо не задумываемся, насколько сложный это орган. Глаз был придуман очень давно, еще до динозавров! Тогда корпускулярно волновой дуализм еще не был открыт (миллионов 500 лет назад), но глаз уже использовал принципы геометрической оптики для преломления света в хрусталике (свет = волна) и поглощения электромагнитных квантов для деполяризации ионных каналов (свет = частица, поглощается как квант). Однажды обнаружившийся корпускулярно волновой дуализм света начал реплицироваться со страшной силой. Форма глаза как только не менялась (и их количество тоже), но принципы оставались неизменными. Каким-то образом жизнь смогла разобраться с устройством света, понять, что является самым важным, критически необходимым, а что можно менять как угодно, но это тема другого обсуждения.

С этой же позиции, что первична информация, можно объяснить, зачем жизни потреблять больше энергии. Хранение и обработка информации требует энергии. Чем ее больше, тем больше энергии надо. Зачем нужен естественный отбор? Среди огромного количества информации нужно оставлять только то, что содержит фундаментальные сгустки информации (как знания о структуре света в примере выше) и информацию, которая поможет для сохранения фундаментальной информации в текущих условиях. Остальная информация не нужна, и различные ветки эволюции являются заключительными.

Виды на этой планете исчезают по простой причине - они не обладают той информацией, которая помогает им сохранить оставшуюся информацию в меняющихся условиях среды. Если на землю упадет большая комета, то текущие формы жизни могут исчезнуть. И причина в том, что у жизни на земле нет знаний о том, как противостоять комете. Если знание есть, то истеребление жизни становиться менее вероятным.

Мы не знаем как безопасно летать на другие планеты. Мы не знаем как лечить рак да и что это такое. Мы просто не знаем как бороться с глобальным потеплением. Мы не знаем как растить бизнес в условиях кризиса и как правильно выбрать следующую фичу в разработку. В конце концов, когда у человека психологическая проблема, он просто не знает об этой проблеме ничего, что может сильно влиять на его поведение. И так далее.

Может показаться, что мы знаем ответ на многие такие вопросы. Ну как же, чтобы предотвратить глобальное потепление нужно перестать сжигать нефть в таких количествах и поставить на заводы фильтры. Но такое решение имеет последствия второго порядка сложности (и более). Это может затормозить не только экономику, но и привести к очень серьезным проблемам (нехватка еды, воды как пример). Жесткие меры могут дать видимый результат в краткосрочной перспективе, но в долгосрочной можно сильно проиграть. Просто потому, что мы не знаем, как рассчитать возможные последствия принятия решений. Мы можем знать, что траекторию кометы можно изменить направленными ядерным взрывами. Но суммарной ядерной энергии может потребоваться столько, что на земле не хватит урана.

Мы далеко не все фундаментальные знания прокопали, нам еще много предстоит открыть. И также нам предстоит приобрести и отсеять много знаний о меняющихся условиях окружающей среды. Знания, как сжатая форма информации и есть одно из начал бесконечности (привет Д. Дойч 😀)

Я абсолютно солидарен с Ваней, что понимание энтропии и второго начала термодинамики критически важно не только для успешной сдачи ЕГЭ 😉, но и для понимания места человека в этой вселенной. Для понимания деятельности человека. Но одной энтропии мало. Информация (знания) дополняют дополняют эту картину и не противоречат законам физики. Наоборот, нейронные сети сейчас показывают удивительные результаты, хотя сильно отличаются по структуре от мозга и обучаются они немного по другому, чем мозг.

Возвращаясь к посту, где затрагивается вопросы КПД, роста прибыли как метрика на пути к тепловой смерти. Прибыль растет тогда, когда предприниматель а) знает какой продукт продавать какому сегменту и по какой цене б) знает как настроить производство этого продукта, перерабатывая доступную ему энергию в этот продукт в) знает как доставить этот продукт покупателю, перерабатывая доступную ему энергию на доставку г) реализует пункты б и в. А КПД растет, когда предприниматель тратит на производство единицы продукта минимум из доступной ему энергии. Также для единицы доставки продукта к потребителю.

Знания сами по себе бесполезны, нужно еще что-то делать. И вот уменьшение энтропии - ее нельзя уменьшить без совершения работы - может служить индикатором, что знания верные и КПД выжимается по максимуму.

Если прям покопать, то модели производства Форда, Тойоты, Голдратовская теория ограничений как раз про это. КПД высокий там, где чаще в прод деплоют при наличии знаний о продукте и сегменте 🙂. А увеличение этого КПД само собой приведет к росту глобальной энтропии. А это знание, если оно фундаментально или оно помогает “выжить” в среде, попадая в нужную среду будет реплицироваться (ну кто не хочет как Google или Apple?), и появятся другие компании, нагружающие дата центры, логистические фирмы, приводя к еще большему росту глобальной энтропии.

Новые знания ищутся, отсеиваются, реплицируются - на все это уходит кучу энергии и все это ведет к росту энтропии. Но как эти знания извлекать то? Как Ваня заметил, астрофизика может помочь с этим ответом. Только этот метод пришел в астофизику из философии, из проблемы роста научного знания, которой занимался Карл Поппер. Дэвид Дойч развил идеи Поппера и рассказал их более современным языком, добавляя туда больше про вычисления. Согласно Попперу рост знаний возможен благодаря обычному методу проб и ошибок, которым пользуются все, от амебы до людей - выдвигается гипотеза и проверяется. И так по кругу. Но это отдельная тема беседы, про рост знаний, их отделение, проверку гипотез.

Итого - с помощью гипотез достаем кучу новых знаний, совершаем работу, измеряем энтропию. Если локально уменьшили с ростом прибыли, значит на верном пути :)