Концепции современного естествознания

                           Открытие энтропии  дало возможность  от общих рассуждений о качестве  энергии перейти к его точной количественной характеристике. Установлено, что если система обладает запасом энергии, то в полезную работу можно превратить не весь этот запас, а лишь его часть, которая называется свободной энергией и является мерой качества энергетического запаса системы. Она тем меньше, чем больше энтропия. Поэтому энтропия системы и является мерой некачественности ее энергетического запаса. Из выше изложенного видно, что понятие энтропии как физической величины имеет много аспектов и смыслов: энергетический, вероятностный, структурный, информационный.     

4. Концепция необратимости и закон возрастания энтропии. Проблема «тепловой смерти» Вселенной.

                           Открытое в середине 19 века второе начало (закон) термодинамики выделяется среди других фундаментальных физических законов. Во-первых, эти законы, как правило, являются законами сохранения физических величин: энергии, импульса, электрического заряда и др. Сохранение, постоянство чего либо означает эквивалентность прошлого и будущего, их полную симметричность. В неизменном мире классической физики только такие законы и имели право на существование. Хотя реальное время, в отличие от пространства, анизотропно,  и реальные процессы необратимы, основные уравнения механики инвариантны относительно времени, что теоретически приравнивало прямые и обратные  во времени процессы. Эволюционные процессы действительности противоречили механической картине мира. Второй же закон термодинамики можно сформулировать как утверждение о невозможности сохранения определенной физической величины.

                         Во-вторых, известно много формулировок  второго закона формально эквивалентных,  но раскрывающих его действие  в разных аспектах. Второе начало  термодинамики прошло определенную  эволюцию – от тепловой аксиомы, выражающей опытный факт о невозможности самопроизвольного перехода теплоты от холодного тела к горячему (1850г.), к принципу эквивалентности превращений энергии (1854г.) и к принципу существования и                     возрастания энтропии (1865г.).

                        Наиболее общая формулировка  второго начала термодинамики,  основанная на использовании  понятия энтропии, представляет  собой закон возрастания энтропии:  при всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессах ее энтропия возрастает и достигает максимально возможного значения в состоянии теплового равновесия. Отсюда следует, что прошлое и будущее такой системы разное. Поэтому, второе начало термодинамики можно рассматривать как физическое утверждение о направленности, анизотропности времени.

                        В классической механике в законах движения  не обращалось внимание на характер времени, посредством которого, описываются процессы изменений в этих теориях. Время в них выступало как особый переменный параметр, знак которого можно менять на обратный. Если заданы начальное состояние системы (координаты и импульсы) и известны уравнения движения, то в механике можно однозначно определить любое ее состояние, как в будущем, так и в прошлом. То же и в квантовой механике, хотя предсказание в ней имеет лишь вероятностный характер. Входя в качестве переменной во все уравнения классической квантовой механики, время не отражало внутренних изменений в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как к будущему, так и к прошлому. Такое понимание времени резко противоречило необратимым процессам, изучаемым биологией и социальными науками: эволюции, развитию, прогрессу. 

                         Все изменилось после того, как физика занялась изучением тепловых процессов. Законы, установленные термодинамикой, доказали, что распространение тепла это необратимый процесс. Из второго закона термодинамики, утверждавшего, что энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается со средой ни энергией, ни материей, постоянно возрастает, следовало, что такие системы изменяются лишь в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным. Поскольку, об изменении систем в классической термодинамике, мы судим по увеличению их энтропии, то последняя, и выступает в качестве своеобразной стрелы времени. Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени, в весьма  своеобразной форме, как необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия в системе, тем больше временной промежуток прошла система в своей эволюции. Но в отличие от биологических и социальных процессов, эволюция в термодинамике означала не организацию и усложнение, дезорганизацию и упрощение систем. Это противоречие  теории и реальности оставалось не разрешенным вплоть до середины 20 века, пока не появилась новая неклассическая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов.

                           Если вспомнить о разных аспектах  понятия энтропии, то и закон  возрастания энтропии можно сформулировать  по-разному, акцентируя разные  его смыслы:

• Энергетический. Если энтропия системы является мерой некачественности ее энергетического запаса, то энергетический запас замкнутой системы, оставаясь неизменным количественно, с течением времени неуклонно ухудшается качественно;
• Вероятностный. Если энтропия является мерой вероятности, обнаружить систему в данном состоянии, то с течением времени замкнутая система самопроизвольно переходит из менее вероятных в более вероятные состояния;
• Структурный. Если энтропия системы есть мера  неупорядоченности состояния, в котором находится система, то с течением времени степень упорядоченности замкнутой системы неизбежно понижается, а имеющиеся в ней структуры разрушаются;
• Информационный. Если, энтропия системы есть мера отсутствия информации о ее внутреннем устройстве, то количество доступной информации о замкнутой системе, с течением времени уменьшается.

                          Общий смысл приведенных формулировок второго закона термодинамики сводится к утверждению о том, что неизбежным результатом любых процессов в замкнутой системе является сглаживание неоднородностей, разрушения организованных структур, упрощения системы и понижения качества запасенной в ней энергии. Таким образом, классическая термодинамика доказывала, что в мировых процессах  преобладает деградация, а не развитие.

                         Основоположники классической термодинамики – Кельвин и Клазиус – считали,  что оба начала пригодны для любой изолированной системы, в том числе и для всей Вселенной. Клазиус выдвинул два постулата: энергия Вселенной всегда постоянна; энтропия Вселенной всегда возрастает. Из второго постулата следовало, что все процессы во Вселенной направлены к достижению состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, т.е. состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизаций. В таком случае во Вселенной наступит «тепловая смерть» и никакой полезной работы в ней произвести будет невозможно. Отсюда вытекал вывод и об ограниченности времени существования мира.

                         Такой  мрачный прогноз вызвал  бурную дискуссию. Так, Ранкин выдвинул гипотезу реконцентрации энергии  за счет особой эфирной оболочки, окружавшей Вселенную и обладающей свойствами отражающей зеркальной поверхности, концентрирующей энергию в разных центрах Вселенной. Папа Пий Х11 считал, что эта гипотеза о начале и конце мира свидетельствует о существовании Бога. Ф.Энгельс в своей «Диалектике природы» противоречит закону сохранения энергии. Больцман выдвинул флуктуационную гипотезу: на фоне всеобщей «тепловой смерти»  возникают и эволюционируют отдельные миры, переходя из маловероятных состояний, в более вероятные, что обуславливает протекание необходимых процессов. Это была попытка объяснить существование необратимых процессов во Вселенной на основе обратимых элементарных законов природы. В этом хоре возражений лишь немногие  догадывались, что надо пересмотреть само понятие системы, что  закрытая, изолированная от внешней среды система, есть такая же идеализация, как «абсолютно черное тело», «идеально гладкая плоскость» и т.п. в реальном мире не существующая. Реальные же природные системы должны иметь совершенно иную природу, в которой  происходят иные энерго-информационные процессы.

Открытые системы  и новая (неравновесная) термодинамика. Возрастание энтропии и эволюционные процессы в природе.

                             В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы, обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все природные реальные системы являются именно открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой, которая также состоит из разных систем, энергией и веществом. В биологических и социальных системах к этому добавляется обмен информацией. 

                             В открытых системах также  производится энтропия,  так как  в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку, энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды. Примером такой открытой системы может быть любая биологическая структура. Австрийский физик Эрвин Шредингер в своей книге «Что такое жизнь? С точки зрения физика» показал, что в основе любого организма лежат физические законы обмена энергией и веществом с окружающей его средой, из которой он для поддержания своей структуры непрерывно извлекает упорядоченность. Взаимодействие со средой, такая открытая система не может оставаться замкнутой, так как она вынуждена заимствовать извне либо новое вещество, либо свежую энергию, и одновременно выводить в среду использованное вещество и отработанную энергию. В ходе своей эволюции система, постоянно обмениваясь энергией со средой, производит энтропию. Но, в противоположность закрытым системам эта энтропия, выражающая степень беспорядка в системе, не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Таким образом, использованная отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен ее  из среды  извлекается новая, свежая энергия, способная производить полезную работу. 

                        Такого рода материальные структуры  способны рассеивать  (диссипировать)  энергию, называются диссипативными. Отсюда понятно, что открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия, система извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду (например, холодильник, кондиционер, организм).

                        Еще в середине 20 века были  открыты  яркие примеры таких  неравновесных систем: разветвленные  цепные реакции окисления фосфора  академиком Семеновым, колебательные  реакции «химических часов», изученные  отечественными учеными Б.Белоусовым и А.Жаботинским, внешне подобные поведению живых организмов, но представляющие собой макромолекулярный саморегулирующийся процесс.  Отличия неравновесной системы от равновесной состоят в следующем:

1. Система реагирует на внешние условия (гравитационное, электромагнитное поле и т.п.).
2. Поведение случайно и не зависит от начальных условий, но зависит от предыстории.
3. Приток энергии создает в системе порядок, и стало быть энтропия ее уменьшается.
4. Наличествует бифуркация – переломная точка в развитии системы.
5. Система когерентна, т.е. ведет себя, как единое целое и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил (есть такая гипотеза в физике). Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (10 в минус восьмой степени см.), система структурируется так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии системы в целом.       

                          Система может пребывать как  в области равновесности, так  и в области неравновесности, существенно меняя свое поведение при этом. Если в равновесном состоянии для перехода из одной структуры к другой требуются сильные возмущения или изменения пограничных условий, то неравновесная система адаптируется к внешним условиям, изменяя свою структуру. В равновесной области система характеризует одно стационарное состояние и нечувствительность к флуктуациям, в неравновесной области – имеется множество стационарных состояний и  чувствительность к флуктуациям, когда небольшие и внутренние влияния приводят к большим последствиям. В равновесности элементы системы ведут себя независимо друг от друга, а ее поведение определяют линейные зависимости, неравновесность же системы – источник порядка (все части действуют согласованно) и сложности, а ее поведение характеризуется фундаментальной неопределенностью.

                            Отличительная черта моделей,  описывающих открытые системы,  состоит в том, что в них  используются  нелинейные математические  уравнения, в которые входят  переменные в степени выше первой (линейной), так как линейные уравнения оказываются неадекватными для описания открытых неравновесных систем с интенсивными возмущениями. Именно с подобными системами и процессами имеет дело новая термодинамика, которую поэтому часто называют неравновесной или, нелинейной. Переход от термодинамики  (правильные термостатики) равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов стало очередной научной революцией.

                          Современная научная картина  мира базируется на принципе глобального эволюционизма, исходящего из непрерывного развития Вселенной в целом и всех ее составляющих как единственно возможной формы ее существования. Идея эволюции  мира высказывалась задолго до появления в 19 веке первой эволюционной теории в лице дарвинизма, оказавшего глубочайшее воздействие на науку и ее методологию и приобретшего в ней   неисчислимых сторонников. Однако, фундаментальные науки, в первую очередь физика и астрономия, остались  вне эволюционных идей, продолжая служить нерушимой основой классической механической картины мира – рассматривая Вселенную и все ее элементы неизменяемыми во времени, находящимися в равновесии. Потребовалось немало времени для возникновения новой эволюционной картины мира.

                          Проникновение идей эволюции в физику было связано с необходимостью преодоления явного противоречия между постулатами классической физики  и очевидными процессами развития живой природы, закономерности которых были выражены теорией эволюции. Та идеализация, к которой прибегает классическая физика для того, чтобы обеспечить возможность применение математического аппарата, приводит,  как выяснилось, к неадекватному отображению реальности. Понятие обратимых процессов в классической механике  связано с описанием движения с помощью системы дифференциальных уравнений, позволяющих определить положение тела в любой момент времени будущего или прошлого. Поэтому фактор времени не играет никакой роли в классической механике.