Второе начало термодинамики запрещает эволюцию

Заявление CF001:

Второе начало термодинамики утверждает, что всё стремится к беспорядку, делая эволюцию невозможной.

Источник

Morris, Henry M., 1974. Scientific Creationism, Master Books, Arkansas, pp. 38-46.
Scott M. Huse, The Collapse of Evolution, Chick Publications, 1984.

Ответы

Верно лишь для изолированных систем. Постоянный источник организованной солнечной энергии и почти бесконечное хранилище открытого космоса (для утилизации отходов тепловой энергии) делает самоорганизацию на поверхности Земли неизбежной.
Очевидно, случайные мутации могут привести к наследуемому усложнению организма. Однако, это не имеет отношения к энтропии, учитывая её определение как физической характеристики состояния термодинамической системы, согласно которому энтропия конкретно взятого тела зависит лишь от распределения в нём температуры.
При определении термодинамической системы с целью вычисления изменений энтропии, необходимо накладывать на неё условие отсутствия внешних источников (т.е., изолированность системы). Биологическая жизнь не является изолированной системой. Жизнь потребляет энергию (еду) для функционирования и роста, будь то животные, поедающие других животных, либо растения, потребляющие энергию Солнца. Если система определена правильно, то станет видно, что видимое уменьшение энтропии частности формы жизни происходит за счёт увеличения энтропии в другом месте. Когда животное становится более организованным (скажем, взрослеет), оно делает это за счёт уничтожения другой жизни. Для того, чтобы небольшое количество солнечной энергии было использовано растениями, большое количество солнечной энергии теряется в космосе. Итоговый результат состоит во всеобщем возрастании энтропии в системе в соответствии со вторым началом термодинамики.
Начала термодинамики применимы к физическим событиям и химическим реакциям. Эволюция не является ни тем, ни другим; это процесс, происходящий в популяциях живых организмов, таких как бактерии и животные, равно как и вирусы. Эволюция является результатом воспроизведения, которое само по себе состоит из биохимических реакций, некоторые из которых увеличивают энтропию в организме, а некоторые уменьшают. Однако, воспроизведение не зависит от истинности эволюции или креационизма. Поскольку второе начало термодинамики не запрещает воспроизведение, как половое, так и любое другое, это означает, что он не может запрещать также и эволюцию.
Следует также отметить, что популяция организмов не образует термодинамическую систему. Эволюция имеет общего с термодинамикой не больше, чем написание книги, увлечение видео-играми либо участие в эво-креа дебатах.
Как второе начало запрещает эволюцию, но, вместе с тем, разрешает воспроизведение (размножение)? Воспроизведение приводит к новой копии организма — упорядоченное состояние.
Возьмём достаточно много поваренной соли и бросим в кипящую воду, подождав, пока всё растворится. Соль сейчас в крайне беспорядочном состоянии. Если переместить эту смесь в более прохладное место и подождать, то можно увидеть, что порядок спонтанно возникнет в форме кристаллов соли. Является ли это нарушением второго начала? Если на то пошло, то объясняет ли сотворение заявленный закон, учитывая то, что жизнь до сих пор существует и осуществляется размножение? Нет. Энтропия это не то же самое, что беспорядок: это упрощение с целью дальнейшего применения. Люди потребляют продукты питания и возвращают отходы, такие как диоксид углерода. То, что было пищей, теперь оказалось непригодным для человека. Растения используют энергию Солнца, предоставляя еду человеку, но Солнце соединяет атомы вместе с целью получения этой энергии, эти атомы, в конечном счёте, приводятся в состояние, непригодное для термоядерных реакций. Энтропия, разумеется, будет в этом случае увеличиваться.
В лучшем случае, наименьшей неискусственной замкнутой термодинамической системой во Вселенной является сама Вселенная (в действительности, чтобы она была замкнутой, необходимо, чтобы она была стационарной). Второе начало неприменимо к её меньшим подсистемам. Локальное уменьшение энтропии не противоречит всеобщему возрастанию энтропии.
Если принять во внимание другие формы эволюции, например эволюцию компьютеров и технологий, то они также нарушают второе начало термодинамики, если правы креационисты. Компьютеры современности являются гораздо более развитыми, чем они были ранее. Но пока никто не говорит, что они были созданы в один день.
Принципиальное различие между равновесными и неравновесными процессами заключается в том, что ко вторым такие категории классической термодинамики, как энтропия строго говоря, применимы только для близких к равновесию состояний, ибо только в этом случае можно считать, что дифференциал энтропии является полным. Большинство специалистов вслед за Нобелевскими лауреатами И. Р. Пригожиным и М. Эйгеном уверены, что эволюция жизни – это история существенно неравновесных процессов в существенно открытых системах.
Несмотря, на то, что связь между информационной энтропией (по Шенону) и термодинамической была установлена в квантовой механике - это всё же разные понятия, которые не следует смешивать. Особенно вне контекста квантовой механики, и особенно в контексте теории эволюции. И уж тем более будет ошибкой прямо применять законы термодинамической энтропии (второй и третий законы термодинамики) к энтропии информационной. У информационной энтропии - свои законы (Шенона, Котельникова и др.). Например, в информационной энтропии нет таких ключевых для термодинамики понятий как "температура", "энергия", "открытая/закрытая система", "равновесие".
В генах - да, переносится из поколения в поколения информация о строении организма. Но генетика всё же оперирует статистическими распределениями, а не битами информации. Само по себе распределение не является ни информацией, ни энтропией. Для того чтобы из того или иного распределения получить информацию надо сделать определённые (и зачастую - искусственные) предположения. Таким образом теория эволюции не оперирует (т.е. не производит вычислений) с информацией даже если опирается на генетику. И значит, ни о каких измерениях и изменениях энтропии речи не идёт.
Информационная энтропия "работает" немного иначе, чем термодинамическая. Это по сути, статистическое среднее объёма информации в сообщении. Если применить к эволюции - это статистическое среднее информации, например, в генотипе случайно отобранной особи. Поэтому чем "сложнее" устроены в среднем особи, тем больше в среднем информации требуется для описания, выше энтропия. Следовательно информационная энтропия генотипа в процессе эволюции от простейших до человека увеличивалась. Это не имеет отношения ко второму закону термодинамики - это просто наблюдение. Факт. В процессе эволюции виды могут и отбрасывать "ненужные" признаки (например, ноги у змей), что приводит к упрощению генотипа и снижению его информационной энтропии. Но так как генотип человека сложнее большинства простейших, то и информационная энтропия у него больше.
Если всё же рассматривать эволюцию как передачу генетической информации из поколения в поколения, то, из-за мутаций этот канал передачи будет каналом с помехами. И, согласно законам передачи информации, энтропия "сигнала" (т.е. генотипа) в среднем должна возрастать. Генотип должен усложнятся со временем. Т.е. если ошибочно "применить" второй закон термодинамики к информационной энтропии, то получится строго наоборот: этот второй закон не запрещает эволюцию живых организмов, а делает её неизбежной.
добавить ещё ответы

Креационизм и порядок в природе

Креационисты утверждают, что случайные мутации не могут привести к усложнению живых организмов, что такие мутации лишь вносят беспорядок. Но здесь кроется принципиальное непонимание механизмов эволюции. Случайные мутации создают разнообразие живых существ одни из которых более жизнеспособны, а другие — менее. В условиях ограниченных ресурсов (пространства, пищи, партнеров для полового размножения и т.д.) происходит естественный отбор: одни особи оставляют потомство и передают свой генетический материал в следующие поколения, а другие - нет. Из многообразия живых существ порожденных случайными мутациями отбираются более приспособленные. Таким образом, кроме случайных мутаций имеется естественный отбор - не случайный процесс и именно он может приводить к адаптации живых существ, в том числе к увеличению их сложности.

Многообразие видов является следствием случайных мутаций, уменьшающих порядок^[1], и отбора, увеличивающего его.

Ошибки в статье CreationWiki

Статья в CreationWiki содержит две главные ошибки относительно второго начала термодинамики. Во-первых, там утверждается, что энтропия является мерой беспорядка. Во-вторых, с ошибкой формулируется второе начало. В изложении есть ряд других ошибок, наиболее существенной из которых является заявление о случайности эволюции.

Является ли энтропия мерой беспорядка?

В статье на CreationWiki сказано, что формула статистической энтропии — это

$S=k\ln \Omega \quad$ ,

где $\Omega \quad$ — суть число эквивалентных равновероятных конфигураций.

Формула записана правильно, но утверждение неполно, а определение $\Omega \quad$ некорректно. Понятие энтропии применяется к равновесию макросостояния. $\Omega \quad$ — это некоторая мера числа микросостояний, соответствующих данному макросостоянию. Эти микросостояния иногда называют "конфигурациями", но они никогда не бывают "эквивалентными". Кроме того, во многих случаях $\Omega \quad$ — это не число конфигураций, а величина, пропорциональная объёму фазового пространства^[2].

Таким образом, понятие энтропии является достаточно тонким: чтобы понять энтропию, необходимо сначала иметь представления о таких понятиях как равновесие, макросостояние, микросостояние, фазовое пространство, ансамбль и микроканоничность, каждое из которых само по себе является тонким понятием. Также необходимо знать, что такое логарифм, но это понятие простое.

В статье игнорируются все эти тонкости и делается безапелляционное заявление, что "энтропия — это мера беспорядка". Далее, ввиду тонкости понятия энтропии, были разработаны многочисленные аналогии в попытке подать данное понятие конкретнее. Среди метафорических иллюстраций, посвящёные энтропии, имеются следующий: "беспорядок", "случайность", "гладкость", "дисперсия", "однородность", "хаос" и "свобода". В последние моменты своей жизни Джозайя Уиллард Гиббс упоминал "энтропию как перемешанность". Чтобы оценить эти метафоры, можно взять несколько кубиков льда из морозильника, разбить их, бросить осколки в миску, а затем пронаблюдать за таянием льда. Куча из ледяных осколков, определённо, представляется более беспорядочной, чем гладкий шар жидкой воды, хотя вода имеет большую энтропию.

Подобные иллюстрации не так плохи, пока они расцениваются как метафоры, но не как определения либо строгие выводы. Точно также будет прекрасным высказывание "моя любовь — это красная, красная роза", но если его воспринимать как точный результат и начать поиски любви к шипам, то это скорее уменьшит, чем увеличит романтические взаимоотношения.

Что утверждается во втором начале?

Согласно со статьёй в КреаВики, второй закон термодинамики гласит, что "энтропия стремится к возрастанию". В действительности, второй закон утверждает, что любые изменения во Вселенной приводят к возрастанию её энтропии (либо, хотя бы, оставляют её неизменной).

Во втором начале ничего не говорится о "стремлениях". Первое начало не утверждает, что "существует тенденция сохранения энергии Вселенной", а второе начало не утверждает, что "имеется стремление энтропии Вселенной к возрастанию". Эти законы являются, как это известно, скорее требованиями, чем предположениями^[3].
Во втором начале не говорится, что с любым изменением энтропия каждой части Вселенной возрастает. Очень часто энтропия уменьшается в одной части Вселенной, пока энтропия другой части Вселенной увеличивается ещё больше. Это встречается каждый раз во время роста кристаллов: энтропия кристаллов уменьшается, тогда как энтропия жидкости, окружающей кристалл, увеличивается ещё больше.

Если сместить внимание с энтропии на беспорядок, то можно найти многочисленные случаи, когда объекты природы становятся упорядоченными без чего-либо, организующего их: снежинки формируются в небе без инструкций, семь кусочков мрамора, брошенных в ёмкость, самоорганизуются в шестиугольник, пыль собирается в пылевые комочки под кроватью, явление неорганизованного низкого давления у берегов Африки превращается в спирально-структурированный ураган в Карибском бассейне. Подобные процессы происходят постоянно, и никакие из них не нарушают второе начало термодинамики.

В статье в КреаВики утверждается, что "поскольку энтропия проверенна статистически, то очевидно, что энергия должна быть применена организованным образом, чтобы уменьшить энтропию". Это не только не очевидно, но и неверно: энергия не применяется "организованным образом" при создании кристаллов, снежинок, мраморных кластеров, комков пыли либо ураганов.

Является ли эволюция случайной?

В статье утверждается, что эволюция отличается от сортирования молекул по размеру в том, что "сортировка не является полностью случайным событием", предполагая, что эволюция является полностью случайным событием. Трудно представить что-либо более далёкое от истины. Эволюция выбирает среди имеющейся вариации природы и просеивает из этих вариаций те из них, которые являются наиболее адаптивными. Результатом являются более адаптированные виды, а не случайные виды.

Это было ясно с самого начала. В Происхождении видов Чарльз Дарвин писал, что "чистая случайность ... в одиночку никогда не привлекалась бы для настолько обычных и многочисленных различий, имеющихся между сортами одного и того же вида." Как же КреаВики смогла допустить такую оплошность, считая, что эволюция является полностью случайной, когда верным является как раз противоположное?

Что утверждают креационисты?

Согласно со статьёй, "креационисты не утверждают, что увеличение порядка невозможно".

Судить об этом можно из следующего. Книга Scientific Creationism (под редакцией Генри Морриса) на странице 25 полагает, что "Второе начало (закон убывания энергии) утверждает, что каждая система, брошенная на самотёк, всегда стремится перейти от порядка к беспорядку, её энергия стремится к трансформации в менее доступные формы, окончательно достигая состояние полной случайности и недоступности для дальнейшей работы".

Можно оставить в стороне формальные претензии. (Второе начало термодинамики не называется законом убывания энергии. "Стремление к" означает "обычно, но не всегда", поэтому "всегда стремится" является противоречием. Что, в случае чего, означает "брошенная на самотёк"? Если ничем не пренебрегать, то можно утверждать, что совершенную случайность трудно достичь: действительно, совершенно идеальный генератор случайных чисел ещё не был построен.) Вполне очевидно, что данный пассаж в креационистских заявлениях, что увеличение порядка невозможно, весьма контрастен на фоне утверждения КреаВики.

Чего хотят креационисты?

В данной статье рассматривается, допускает ли второе начало эволюцию. Генри Моррис (выше) ошибочно заявлял, что это не так. После обнаружения ошибки Морриса, Дюэйн Гиш написал в Учёные креационисты отвечают своим критикам, что "увеличение сложности не нарушает второе начало". Признав этот момент, он продолжает говорить (дважды), что второе начало является "необходимым, но не достаточным", иными словами, что хотя термодинамика поддерживает эволюцию, она не делает её необходимой. Статья в КреаВики полагает, что для принятия эволюции учёные должны "продемонстрировать, что уменьшение в масштабах, необходимое для возникновения и эволюции жизни, может случится спонтанно".

Но это очевидно. Законы термодинамики применимы к Луне, но жизнь никогда не эволюционировала на Луне, поэтому, разумеется, законы термодинамики не делают эволюцию необходимой. Как локальное увеличение, так и уменьшение энтропии являются допустимыми — кристаллы формируются при одних обстоятельствах и растворяются при других.

Логические ошибки, содержащиеся в данном заявлении

Подавленное доказательство (Земля не является замкнутой системой)
(Ещё) Подавленное доказательство (второе начало термодинамики неприменимо к популяциям живущих организмов)
Добавить логические ошибки

См. также

Почему креационизм не является научной теорией?

Внешние ссылки

Страница ЭвоВики данного заявления [1].
Страница Марка Айзека на talk.origins данного заявления [2]
Комментарии на CreationWiki [3].
Второе начало термодинамики — Элементы.

Литература

Aranda-Espinoza et al., 1999. Electrostatic repulsion of positively charged vesicles and negatively charged objects. Science 285: 394-397.
Kestenbaum, David, 1998. Gentle force of entropy bridges disciplines. Science 279: 1849.
Han, J. & Craighead, H.G., 2000. Separation of long DNA molecules in a microfabricated entropic trap array. Science 288: 1026-1029.
Demetrius, Lloyd, 2000. Thermodynamics and evolution. Journal of Theoretical Biology 206(1): 1-16. [4]
McShea, Daniel W., 1998. Possible largest-scale trends in organismal evolution: eight live hypotheses. Annual Review of Ecology and Systematics 29: 293-318.
Schneider, Eric D. and James J. Kay, 1994. Life as a manifestation of the second law of thermodynamics. Mathematical and Computer Modeling 19(6-8): 25-48. [5]
Борисов Н.М. Эволюция, случайность, энтропия, или Как Дарвин и Клаузиус оказались правыми одновременно. — Доказательства эволюции. — 2010. [6]

Дальнейшее чтение

Morris, Edward A., 2001. Evolution and the Second Law of Thermodynamics. [7]
Harvey, Allen H., 2000. The second law of thermodynamics in the context of Christian faith. [8]
Lambert, Frank L., 1999. The second law of thermodynamics. [9]
Atkins, P.W., 1994. The Second Law. Scientific American Books, NY.
Kauffman, Stuart A., 1993. The Origins of Order, Oxford U. Press.
Brooks, Daniel and E. O. Wiley, 1988. Evolution As Entropy, University of Chicago Press.

Связанные заявления

Частные случаи заявления

Смежные заявления

Благодарности

Dr. Dan Styer, the Schiffer Professor of Physics, at Oberlin College.

Примечания

↑ Понятие использовано в контексте информационной энтропии. Т.е., полагается, что он возрастает, когда информационная энтропия уменьшается.
↑ см. стр. 42 в Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. — 616 с.
↑ см. стр. 48-49 в Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. (см. сноску выше).

[1] Понятие использовано в контексте информационной энтропии. Т.е., полагается, что он возрастает, когда информационная энтропия уменьшается.

[2] см. стр. 42 в Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. Часть 1. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. — 616 с.

[3] см. стр. 48-49 в Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. (см. сноску выше).

[1]

[2]

[3]