Оживлённый перекрёсток без светофора. Машины едут, тормозят, перестраиваются — и со стороны кажется, что царит полный хаос. Но если понаблюдать подольше, можно заметить ритм: поток то густеет, то редеет. В физике такой ритм беспорядка называют энтропией — она показывает, насколько система далека от спокойного равновесия, как вода в закипающем чайнике.
До сих пор, чтобы измерить скорость нарастания энтропии, нужно было знать все правила движения — словно иметь подробную карту перекрёстка с повадками каждого водителя. Но в живой клетке или турбулентном потоке эти правила слишком сложны или вовсе неизвестны. Автор новой работы предлагает обойтись без карты: достаточно записывать, в каком состоянии находится система (например, «машин много — затор» или «машин мало — свободно») и сколько длилось наблюдение. Моменты переключений и их причины не важны — метод работает как терпеливый наблюдатель на балконе, который считает не отдельные манёвры, а общую картину.
Секрет метода в том, что он опирается на простую идею: если система часто мечется между одними и теми же состояниями, энтропия растёт быстро; если застывает надолго — медленно. Не нужно знать, почему она переходит из одного состояния в другое, — только последовательность этих состояний. Это похоже на подсчёт калорий в блюде без рецепта: вы не знаете ингредиентов, но видите, как меняется вес тарелки.
Такой подход особенно ценен для биологии и нанотехнологий, где крошечные моторы вроде белка кинезина шагают по внутриклеточным рельсам. Теперь можно оценить их эффективность, просто следя за положением мотора, а не разбирая его до винтика. Или, скажем, понять, насколько расточительно работает раковая клетка по сравнению со здоровой — по одной лишь хронике её состояний.
Тот самый перекрёсток из первого примера теперь можно изучать, не зная правил дорожного движения. Достаточно смотреть из окна и засекать время — и вы узнаете, насколько далёк этот поток от тихой ночной улицы.
Скорость роста энтропии у живых организмов поразительно мала: если бы человек тратил энергию с такой же эффективностью, как лампочка, ему хватало бы одного бутерброда на целый день.