Введение. В последние десятилетия в научной и околонаучной литературе все чаще встречается противопоставление понятий "энергообмен" и "информационный обмен". Культивируется представление о том, что информация в природе существует независимо от энергии и в отличие от нее может существовать и извлекаться как угодно долго [1-6]. В результате в сознании людей происходит постепенное смещение представлений об информации от ее чисто служебной роли как инструмента познания до ее понимания как фундаментальной сущности природы, связывающей материальную и духовную ипостаси мироздания. Словосочетания "энергоинформационный обмен", "биоэнергоинформационный обмен", "эниология", "информациология" и т.п. встречаются все чаще. Появились даже попытки соединить далекие друг от друга области науки - термодинамику, теорию информации, квантовую физику, биологию и психологию в единое "научное" направление - биоэнергоинформатику. При этом под энергоинформационными понимаются взаимодействия, не связанные с обменом какими-либо формами энергии, т.е. как существующие наряду с "энергоматериальньми" взаимодействиями [7]. Особенно настойчиво неэнергетический характер биоинформационных взаимодействий подчеркивается апологетами торсионных полей [8-12].

Среди множества вопросов, возникающих в связи с этим, одним из первых является вопрос о физической сущности биоэнергоинформационного обмена. Или более конкретно: чем обмениваются субъекты в процессе энергоинформационного взаимодействия? При попытке ответить на этот вопрос возникает необходимость прежде всего осветить существующие трактовки понятия информации, полагая, что понятия энергии и энергообмена более-менее определенны.

О многозначности понятия информация. Понятие информации является скорее общенаучным, и его трактовка с различных точек зрения оказывается, естественно, далеко не однозначной. Одно из ранних определений этого понятия - семантическое (смысловое) - означает новое знание, полученное извне. Это определение довольно субъективно, т.к. количество информации в одном и том же сообщении различно для людей, имеющих разные знания [15]. Совсем иной смысл имеет информация в смысле Фишера [16], полностью исключающая из рассмотрения содержательную (смысловую) сторону вопроса. Она связана с ожиданием разрешения какой-либо неопределенности и математически выражается отрицательным логарифмом вероятности какого-либо исхода эксперимента. Чем выше математическое ожидание какого - либо результата эксперимента, тем меньше новой информации можно извлечь из этого результата. И наоборот, чем выше энтропия S источника информации, тем больше информации можно получить от него. Иного рода информация в смысле Шеннона [17], понимаемая в теории связи как вероятность получения достоверной информации по какому-либо каналу связи с учетом неизбежных помех. Четвертый вид информации - это информация в смысле Бриллюэна, называемая также "структурной" или связанной [18]. Под ней понимают разность энтропии системы S в её текущем и равновесном состоянии, т.е. "дефицит энтропии" по сравнению с ее максимальной величиной в состоянии равновесия. Структурная информация связана с понятием информационной энтропии как меры неопределенности наших знаний о системе, так что ее дефицит воспринимается многими как мера порядка, еще сохранившегося в какой-либо системе. Заметим, что в отличие от предыдущих определений, характеризующих информацию как функцию процесса (познания, получения результатов эксперимента, передачи информации и т.п.), структурная информация ближе к понятию функции состояния, которым оперирует термодинамика. Действительно, чем выше уровень организации системы (т.е. чем дальше система от равновесия), тем больше будущий прирост её энтропии в процессе перехода к равновесию (т.е. дефицит энтропии). В этом смысле передача системе структурной информации связана некоторым образом с её упорядочиванием. Близость к функциям состояния придает понятию "информационного обмена" некоторый смысл, поскольку обмениваться в принципе можно только тем, чем располагает тот или иной субъект.

Таким образом, диапазон применения термина "информация" очень широк - от меры упорядоченности элементов какой-либо системы до содержательности сигналов, воспринимаемых живым существом из внешнего мира. Вместе с тем ни одна из приведенных трактовок информации не дает количественной меры субстрата обмена. Казалось бы, ближе всего к этому информация в смысле Бриллюэна. Однако и она не является мерой воздействия на систему. В самом деле, согласно законам термодинамики вывести систему из состояния равновесия и сделать ее способной к какой-либо деятельности можно только путем совершения над ней обратимой работы. Последняя относится к адиабатическим воздействиям и не изменяет, как известно, энтропии системы. Но она отдаляет систему от состояния равновесия и делает возрастание энтропии в процессе последующей релаксации системы к равновесию более значительным. Это действительно увеличивает дефицит энтропии. Однако структурная информация при этом зависит от будущего равновесного состояния системы (которое может и не настать) и потому не является функцией текущего состояния системы (в отличие от энергии). Поэтому структурная (и любая другая) информация не может заменить обратимой работы (свободной энергии) как действительной причины упорядочивания системы. В этом смысле добавление к термину "энергообмен" термина "информационный" не дает никакого нового знания, поскольку обмен "структурной информацией" есть не что иное, как обмен свободной энергией. Именно это и выясняется при ближайшем рассмотрении конкретных примеров энергоинформационного обмена. Так, в теории торсионных полей под "информационно-энергетическим обменом" понимается в конечном счете... "передача информации практически без затрат энергии" [9]. В [19] также подчеркивается, что "энергоинформационный обмен" является "низкоэнергетическим". Еще более конкретно об этом говорит биолог С. Зенин, который в своей докторской диссертации называет энергоинфор-ма-ци-он-ными такие изменения состояния, в результате которых происходит переста-новка структурных элементов объекта [12].

Возникает естественный вопрос: так что же стоит за понятием энергоинформационного обмена? Какова природа столь заметного влияния на пространственную структуру, функционирование и жизнедеятельность объектов, которое приписывается энергооинформационному (или информационноэнергетическому) воздействию? Ответы на эти вопросы дает энергодинамика: особого вида энергообмена, который следовало бы назвать энергоинформационным, не существует - любая форма неравновесного энергообмена содержит упорядоченную составляющую, воспринимаемую системой как совершенная над ней полезная работа. Иными словами, информационная составляющая имеет свой энергетический эквивалент.

Классическая (равновесная) термодинамика закрытых систем делила внешние воздействия на теплоту и работу, понимая под ними соответственно неупорядоченную (хаотическую) и упорядоченную (направ-лен-ную) форму энергообмена. Эти формы энергообмена рассматривались как качественно различные способы воздействия на термодинамическую систему, поскольку представлялось совершенно очевидным, что совершенная над системой работа "может непосредственно пойти на увеличение любой формы ее энергии, в то время как теплота - только на пополнение внутренней энергии" [20]. С этих позиций все адиабатические воздействия на систему рассматривались как упорядоченные, так что необходимость поиска другой меры упорядоченного воздействия на систему не возникала. Положение изменилось, когда стали изучаться открытые, сложные, находящиеся во внешних силовых полях и пространственно неоднородные системы. В них наряду с работой расширения стали рассматриваться другие виды работ, например, работа поверхностного натяжения, поляризации, намагничивания, работа ввода вещества или заряда, техническая работа (газа в потоке) и т.п. Одни из этих видов работ, подобно теплообмену и массообмену, выражаются произведением скалярных величин, другие - векторных. Некоторые из них связаны с преодолением результирующей каких-либо сил; в других эта сила равна нулю. Часть этих видов работы представляет собой количественную меру процесса превращения одних видов энергии в другие; остальные являются количественной мерой переноса энергии в одной и той же форме [21] (Здесь). Кроме того, стала учитываться и работа диссипативного характера, являющаяся антиподом упорядоченным формам энергообмена. Стало ясно, что "работа работе рознь" и далеко не всякая работа является упорядоченной формой энергообмена. Именно это обстоятельство и явилось, по нашему мнению, причиной введения не вполне адекватных существу дела терминов типа "энергоинформационный обмен" для обозначения той части энергообмена, которая способна вызвать в системе перестройку ее структуры, появление у нее новых функциональных возможностей (новых степеней свободы) и эволюцию системы в направлении ее "самоорганизации". Выделение упорядоченной части энергообмена стало возможным лишь с обобщением неравновесной термодинамики на процессы полезного преобразования энергии [21].

Для того, чтобы найти энергетический эквивалент "информационного обмена" при минимальном объеме математических средств, воспользуемся выражением закона сохранения энергии для произвольной области континуума, предложенным Н. Умовым (1873 г.):

Это выражение равносильно утверждению, что изменение энергии какой-либо области системы обусловлено исключительно потоком энергии через её границы. Развернутую форму этого уравнения для системы с произвольным числом степеней свободы i =1,2,...,n можно получить, представляя в нем поток внутренней энергии j_u в виде суммы потоков энергии всех её степеней свободы Σ_i ψ_ij_i , где ψ_i - обобщенные потенциалы (абсолютная температура Т, давление р, химические потенциалы k-х веществ, электрический потенциал области φ и т.д.); j_i =ρ_iv_i - плотность потока i-го энергоносителя (энтропии S, массы k-го вещества М_k, заряда Θ_е и т.п.), выражающаяся произведением плотности ρ_i = ∂Θ_i/∂V переносимой величины Θ_i на скорость ее переноса v_i в неподвижной системе координат [21] .

Это уравнение, полученное ранее несколько иным путем [21] Здесь, делит каждый вид энергообмена (теплообмена, энергообмена с k-м веществом, работы i - го рода и т.д.) на неупорядоченную и упорядоченную составляющие. Члены его первой суммы получены разложением div(ψ_ij_i) в условиях gradψ_i = 0, т.е. характеризуют энергообмен пространственно однородной (внутренне равновесной) системы. Такого рода процессы рассматривались классической (равновесной) термодинамикой и характеризуют обратимый (равновесный) теплообмен и массообмен, работу всестороннего сжатия, работу ввода электрического заряда и т.п. Все эти процессы отличаются тем, что не нарушают внутреннего равновесия в системе и не вызывают появления в ней градиентов или перепадов обобщенного потенциала ψ_i (т.е. возникновения термодинамических сил X_i). Специфика этих процессов состоит в переносе энергии из системы в окружающую среду (или наоборот) в одной и той же форме (без её превращения). Такого рода изменения состояния носят скалярный (ненаправленный) характер и затрагивают равновесную (непревратимую часть энергии системы - её анергию (Здесь).

Таким образом, в природе не существует заведомо упорядоченных и неупорядочен-ных видов энергообмена - каждый его вид (будь то теплообмен, массообмен или работа) содержит в общем случае упорядоченную и неупорядоченную составляющие, выраженные в (2) соответственно скалярными и векторными переменными. Для понимания специфики этих процессов весьма полезно предпринятое нами обобщение понятия свободной энергии Гиббса на случай открытой и пространственно неоднородной системы. При этом превратимая часть энергии неравновесной системы, будучи выраженной исключительно через параметры пространственной неоднородности (силы X_i и сопряженные с ними координаты работ r_i), была названа нами "собственной эксергией неравновесной системы" [21], а затем для краткости инергией Y (в противоположность непревратимой части энергии системы - ее анергии А) (Здесь). Введение понятий инергии и анергии облегчает понимание качественного различия первой и второй сумм закона сохранения энергии в форме (2). Становится очевидным, что воздействия, описываемые первой суммой (2), пополняют непревратимую часть внутренней энергии системы (ее анергию), т.е. описывают анергообмен. Напротив, члены второй суммы (2) пополняют превратимую (способную к совершению полезной работы) часть энергии системы, т.е. характеризуют "инергообмен".

Именно инергообмен как предельно упорядоченная часть энергообмена и характеризует то, что исследователи разных специальностей называют лишенными точного физического смысла терминами "энергоинформационный или информационно-энергетический обмен". Следует заметить, что было бы весьма заманчивым вообще обойтись без введения дополнительных терминов и трактовать инергообмен или энергоинформационный обмен как результат обмена между системой и окружающей средой свободной энергией. Однако понятие свободной энергии (Гиббса или Гельмгольца) было определено в классической термодинамике только для закрытых и пространственно однородных систем, так что их использование за рамками применимости этих понятий может привести к еще большим недоразумениям.

Как следует из выражения (2), результат внешнего энергообмена зависит не от того, каким путем (теплообмена, массообмена или работы) подведена энергия к системе, а в том, каким образом эта энергия воспринята системой. Иными словами, в общем случае каждый из этих видов энергообмена содержит упорядоченную составляющую, воспринимаемую системой как совершенная над ней полезная работа. Например, теплота, подведенная к какой-либо части термически однородной системы и вызвавшая тем самым повышение температуры этой части, делает систему в целом термически неоднородной и потому способной к совершению полезной работы. Таким образом, часть неравновесного теплообмена воспринимается так же, как и совершенная над "расширенной" системой (с помощью, например, теплового трансформатора) полезная работа. То же самое будет наблюдаться, если теплота отводится от части системы, понижая ее температуру. Эта часть может составлять незначительную долю от общего теплообмена, однако именно такого рода "полезные" составляющие ответственны за то, что сейчас называют "самоорганизацией" системы (Здесь). В сравнении с равновесным теплообменом, массообменом, работой всестороннего сжатия или ввода в систему вещества или заряда, которые вообще не пополняют запасов инергии системы, даже небольшие количества полезной работы, пополняющие запасы упорядоченной энергии системы (её инергии), представляются несущими огромный поток информации, под которой следовало бы понимать, если угодно, безэнтропийный (полностью упорядоченный) поток энергии.

Будем исходить из изначального определения работы в механике как количественной меры процесса, связанного с преодолением каких-либо сил F. Силы имеют различную (i-ю) природу и соответственно подразделяются на механические, термические, химические, электрические, магнитные, гравитационные и т.п. Мы будем обозначать их через F_i. Различают также силы массовые, объемные, поверхностные и т.п. - в зависимости от того, какой количественной мере Θ_i объекта ее приложения они пропорциональны (массе M, объему V, поверхности f и т.д.). К параметрам Θ_i можно отнести также заряд Θ_е , энтропию S, импульс Mv и т.д. Эти параметры - величины экстенсивные, т.е. Θ_i = Σ_k Θ_ik , где Θ_ik - значение параметра Θ_i для одной частицы k-го рода, являющейся носителем данной формы энергии (в дальнейшем для краткости - энергоносителем). Удельное значение этой силы F_i/Θ_i (отнесенное к переносимой ею величине Θ_i), представляет собой термодинамическую силу X_i . В общем случае силы i-й природы действуют на любую k-ю частицу, образующую данный иерархический уровень строения материи (ядра, атомы, молекулы, клетки и т.п.). Обозначив эту "элементарную" силу через F_ik, результирующую силу F_i, действующую на все частицы данного рода, найдем как сумму F_i = Σ_kF_ik. Эти силы можно подразделять на внешние и внутренние в зависимости от того, действуют ли они между частицами системы или между системой и окружающей средой.

Этих общих соображений достаточно, чтобы установить существование двух категорий работ, отличающихся наличием или отсутствием результирующей преодолеваемых сил. Рассмотрим случай, когда элементарные силы F_ik вызывают смещение dr_ik одного знака у объектов её приложения, т.е. работа носит упорядоченный, направленный характер. В таком случае силы F_ik имеют результирующую F_i даже в однородных системах. Такова, например, работа ускорения системы как целого. Такой же упорядоченный характер носит работа над неоднородной системой, когда силы F_ik приложены к подсистемам с противоположным знаком какого-либо свойства Θ_ik , например, к положительным и отрицательным зарядам, северным и южным полюсам магнитных диполей, электронам и дыркам в металлах, областям с пониженной и повышенной (по сравнению со средней) плотностью параметра Θ_i и т.п. Такого рода полезная работа совершается при поляризации диэлектриков и магнетиков, диссоциации и ионизации газов, растяжении стержня, перераспределении зарядов, веществ, импульсов и энтропии между частями изначально однородной системы. Разбивая для такого случая сумму Σ_k Θ_ikdr_ik на две части, имеющие одинаковый знак величин Θ_ik и dr_ik, снова получим отличную от нуля результирующую силу F_i . Работу такого рода называют обычно полезной W_i^е.

Иной характер приобретает работа, когда объект приложения силы F_ik движется или ориентирован хаотично. В таком случае наличие результирующей зависит как от величины элементарных сил F_ik , так и от их направления. Силы F_ik , ориентированные хаотично, называют обычно силами рассеяния, а работу против таких сил - диссипативной W^д. Совершение такой работы вызывает нагрев системы, деструкцию вещества и другие явления. Именно к такого рода работе следует отнести и микроработу, сопровождающую теплообмен.

Результирующая F_i будет отсутствовать и в том случае, если силы F_ik упорядочены, однако вызванные ими перемещения dr_ik взаимно компенсируются. Покажем, например, что работа всестороннего расширения относятся к той же категории воздействий, не имеющих результирующей, что и обратимый теплообмен. Рассматривая локальное давление p как силу p, действующую на элемент поверхности df в направлении нормали n, на основании теоремы о дивергенции находим, что равнодействующая сил давления в однородной системе равна нулю:

Таким образом, работа всестороннего расширения также не связана с преодолением результирующей сил давления. К этой же категории работ относится работа равномерного ввода в систему вещества, заряда и т.п., поскольку этот ввод также не нарушает внутреннего равновесия в системе. Поскольку же однородная (внутренне равновесная) система сама по себе не может совершать полезной работы, есть основание назвать эту работу также диссипативной. Заметим также, что несмотря на отсутствие результирующей силы F_i сумма модулей элементарных сил при совершении дисспативной работы имеет конечную величину. Эта скалярная велична получила название обобщенного потенциала Ψ_i [21]. Такими потенциалами являются, в частности, абсолютная температура T и давление p, а также электрический φ и химический μ_k потенциалы, входящие в первую сумму уравнения (2).

Как видим, на микроуровне (в каждом элементарном акте воздействия) любой процесс связан с преодолением каких-либо сил F_ik , т.е. носит векторный (упорядоченный) характер. Иными словами, все виды равновесного энергообмена, будь то теплообмен, работа всестороннего сжатия или ввода, осуществляются путем совершения микроработы. Однако на макроуровне все эти виды микроработы утрачивают свою векторную природу, становясь неупорядоченными. Происходит так называемая диссипация энергии, состоящая в переходе упорядоченных форм энергии в неупорядоченные (в том числе в тепловую). Математически это выражается в "скаляризации" процесса - утрате его векторной природы.

Таким образом, согласно (2) в неравновесных системах классическое деление энергообмена на теплоту и работу утрачивает свою эвристическую ценность и уступает место работе как единой количественной мере всех воздействий. Именно это обстоятельство и имел в виду Дж. К. Максвелл, определяя энергию как сумму всех действий, которые может произвести система над окружающей средой. Речь идет не только о том, что различные по своей природе силы могут вызвать одни и те же изменения состояния (например, диссипацию энергии), но и о том, что одна и та же внешняя сила может вызвать совершенно различные изменения состояния в зависимости от характера преодолеваемых сил. Например, лучистый энергообмен оказывает на тела различное действие, воспринимаясь ими частично в форме работы (вызывающей фотосинтез растений, появление фототока, ионизацию и т.п.), а частично - в форме теплоты диссипации (эта часть спектра носит название "теплового излучения"). Аналогичным образом электромагнитная энергия, подводится к телам в упорядоченной форме, воспринимается частично как работа поляризации или намагничивания, а при высокочастотном или индукционном нагреве - в форме тепла.

Итак, существует возможность различать полезную W_i^е и диссипативную W_i^д работу по тому, имеют ли преодолеваемые силы результирующую F_i, или нет. Полезная работа, совершаемая над какой-либо совокупностью взаимодействующих (взаимно движущихся) тел или частей тела, с необходимостью нарушает равновесие в такой системе, даже если процессы квазистатичны (бесконечно медленны). Она отличается тем, что приводит к противоположным по характеру изменениям состояния в этих подсистемах: к появлению разноименных зарядов или полюсов, противоположному по направлению смещению различных частей тела, повышению температуры, давления, концентрации каких-либо веществ и т.п. в одних частях системы, и понижению их - в других. Иными словами, эта работа приводит к поляризации системы в самом общем понимании этого термина, т.е. к появлению в отдельных частях системы новых свойств, обусловливающих их способность к совершению внешней работы или к внутренним превращениям энергии, т.е. в конечном счете - способность к действию. К такому же результату в принципе приводит и совершение полезной внутренней работы (против внутренних сил системы F_i). Происходящее при этом упорядочивание отдельных частей или степеней свободы неравновесной системы обычно воспринимается как ее "самоорганизация". Именно об этом свидетельствует существование так называемых "диссипативных структур", поддерживаемых за счет протекания диссипативных процессов.

Таким образом, так называемое энергоинформационное воздействие на поверку оказывается ничем иным, как обычным неравновесным энергообменом, несущим в себе упорядоченную составляющую. Именно эта составляющая совершает полезную работу и поддерживает систему в неравновесном состоянии. Поэтому разговоры о некотором особом "информационном" воздействии (без передачи энергии), из чьих бы уст (ученика или академика) они бы ни исходили, нельзя расценивать иначе, как заблуждение.

Вывод: Противопоставление понятий "информационный обмен" и "энерго-обмен" является недоразумением, обусловленным затруднительностью выделить в рамках классической термодинамики упорядоченную составляющую внешнего энергообмена. Упорядочивание состояния какой-либо системы (её структурная и любая другая организация) осуществляется не за счет подвода к ней "информации" или уменьшения её энтропии, а путем совершения над ней полезной работы, т.е. подпитки ее извне свободной энергией (инергией).