О втором законе термодинамики
— А чем вам не нравится второй закон термодинамики?
— Ну, хотя бы тем, что Больцман1 повесился.
Классическая термодинамика изучает закрытые системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией.
Именно по отношению к закрытым системам были сформулированы два начала термодинамики. В соответствии с первым началом в закрытой системе энергия сохраняется, хотя может приобретать различные формы. Второе начало термодинамики — раздела физики, изучающего превращения энергии во всех ее формах (теплота, работа, электричество и др.), формулируется так: все естественные процессы в природе сопровождаются ростом энтропии2 — функции состояния термодинамической системы, характеризующей меру преобразования порядка в беспорядок (хаос, деградация).
Иными словами, второе начало (закон) термодинамики устанавливает наличие в Природе фундаментальной асимметрии, то есть однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Такая однонаправленность означает, что все виды энергии во Вселенной необратимо превращаются в теплоту, которая, в свою очередь, передается от тел более нагретых к телам менее нагретым. В результате температура всех тел во Вселенной выравнивается на низком уровне и наступает так называемая «тепловая смерть», обусловленная прекращением всех форм движения материи.
Британский химик Питер Эткинс пишет: «Основываясь на втором начале термодинамики, мы считаем, что качество энергии неуклонно понижается; по мере того как она все более вырождается и наступает состояние хаоса, все события и явления становятся существенно необратимыми. Энергия диссипирует3 везде и всегда; мир — это средоточие явлений вырождения. Мы — дети хаоса, и глубоко в основе каждого изменения скрыт распад. Изначально существует только процесс рассеяния, деградация; все захлестывает волна хаоса, не имеющего причины и объяснений. В этом процессе отсутствует какая-либо изначальная цель, в нем есть только непрерывное движение» [1].
Лучше передать суть второго начала термодинамики просто невозможно. Вот этот процесс деградации энергии, стремление всего окружающего нас Мира и нас самих к хаосу, к распаду, к смерти и характеризуется ростом энтропии.
Одним из наиболее видных ученых, стремящихся распространить принцип возрастания энтропии на Вселенную, следует признать Л. Больцмана, который дал статистическое толкование второго начала термодинамики. Больцман рассмотрел Вселенную как механическую систему, состоящую из огромного числа частиц и существующую неизмеримо долго. В этой системе наиболее вероятными являются состояние равновесия и, как его следствие, смерть. Менее вероятны, но принципиально возможны случаи, когда в отдельных областях системы возникают неравновесные состояния. Такие вспышки жизни возникают (по Больцману) в различных областях Вселенной и в разное время. В любой момент времени имеются области, в которых разгорается жизнь и в которых она затухает. Мы живем в той области Вселенной, где происходит замирание жизни, поэтому для наших условий характерно возрастание энтропии. В других областях, где имеет место вспышка жизни, энтропия должна уменьшаться.
Иными словами, чтобы сохранить второе начало и энтропию, Больцман предложил нам такое развитие Вселенной, где жизнь миров представляет собой кратковременные вспышки на фоне всеобщей смерти [2]. Второй закон термодинамики, закон возрастания энтропии, описывает мир как непрестанно эволюционирующий от порядка к хаосу.
Однако астрофизик, доктор физико-математических наук Н. А. Козырев в результате многолетних теоретических и экспериментальных исследований мироздания пришел к выводу: «Во Вселенной же нет никаких признаков деградации, которая вытекает из второго начала. Мир сверкает неисчерпаемым разнообразием, мы не находим в нем и следов приближения тепловой и радиоактивной смерти. Следовательно, мы должны признать, что в Природе существуют постоянно действующие причины, препятствующие возрастанию энтропии... Всюду в сверкающем разнообразием мире идут не предусмотренные механикой процессы, препятствующие его смерти. Эти процессы должны быть подобны биологическим процессам, поддерживающим жизнь организмов. Поэтому их можно назвать процессами Жизни» [3]. Козырев оказался прав!
Во второй половине ХХ века ученые пришли к выводу, что эволюция Вселенной, которая представляет собой множество открытых и сложных систем, не приводит к снижению уровня упорядоченности и обеднению разнообразия форм материи. Наоборот, Вселенная развивается от простого к сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному.
Во Вселенной доминируют не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. Благодаря этому Вселенная оказывается способной к развитию, эволюции, к самоорганизации. Иначе говоря, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию.
Чем принципиально отличается сложная система от простой? Ответ прост: энергией связи. Дело в том, что для объединения простых систем в сложные им требуется энергия связи, которая объединит все простые, теперь уже, подсистемы в единую сложную систему. Откуда берется эта энергия? Только из внешней среды.
Правда, возникает вопрос: каким образом из хаоса может возникнуть система? Ответ был найден: система самоорганизовалась! Просто взяла и организовалась сама. Оказывается, источником порядка может быть неравновесность — поток вещества или энергии.
Среди сложных систем самоорганизующиеся системы вызывают особый интерес. К такого рода сложным открытым самоорганизующимся системам относятся не только Вселенная, но и биологические и социальные системы, которые более всего значимы для человека. И сам человек! [4].
Синергетика
В 70-е годы прошлого столетия начала активно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем, и в результате родилось новое направление в науке — синергетика.
Википедия дает такое толкование этого направления: «Синергетика — это междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем (состоящих из подсистем)» [5].
Можно сказать более подробно, что синергетика это:
- наука о самоорганизации самых различных процессов;
- термодинамика открытых систем вдали от равновесия;
- наука о катастрофах;
- наука об универсальных законах эволюции в природе и в обществе [6].
Иными словами, синергетика изучает и объясняет те процессы, которые оказались не по силам равновесной технической термодинамике. При этом синергетика рассматривает мир в его целостности как единую систему; в этой системе присутствуют идеи общего закона и общего пути развития, которому следует весь мир в целом, и человек в том числе. Поэтому главные принципы эволюции, выработанные синергетикой, справедливы для косной, живой и социальной Природы. Ни одна наука до синергетики (если не считать научной эзотерики Пифагора, которая была забыта) не могла сформулировать общие универсальные законы эволюции, справедливые для всех ее уровней. Это оказалось под силу только синергетике [7].
В развитие синергетики огромный вклад внесли немецкий ученый Герман Хакен и бельгийско-американский ученый русского происхождения, лауреат Нобелевской премии 1977 года Илья Романович Пригожин.
Синергетическая картина мира принципиально отличается от физической. В таблице 1 сопоставлены изучаемые объекты и их свойства в физической и синергетической картине мира.
Таблица 1
|
№
|
Объекты, свойства
|
Физическая картина мира
|
Синергетическая картина мира
|
|
1
|
Объекты исследования
|
Системы неживой природы
|
Системы живой и неживой природы
|
|
2
|
Характер системы
|
Замкнутый
|
Открытый
|
|
3
|
Состояние системы
|
Равновесное
|
Неравновесное
|
|
4
|
Основные процессы
|
Обратимые
|
Необратимые
|
|
5
|
Зависимость между причиной и следствием
|
Линейная
|
Нелинейная
|
|
6
|
Поведение системы
|
Детерминированное
|
Детерминированное и случайное
|
|
7
|
Направление времени
|
Равнозначно в прошлое и в будущее
|
Только в будущее
|
|
8
|
Величина флуктуаций1
|
Малая
|
Большая и малая
|
|
9
|
Роль хаоса
|
Деструктивная
|
Конструктивная и деструктивная
|
1 Флуктуация (от лат. fluctuatio — колебание) — термин, характеризующий любое колебание или любое периодическое изменение. При этом либо все тело колеблется в пространстве как единое целое, не изменяя своей формы, либо колеблются частицы, составляющие тело. Оба вида колебаний могут существовать как раздельно, так и совместно (Википедия).
Предметом изучения синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы.
О самоорганизующихся системах
Что такое самоорганизующаяся система? Как трактует философская энциклопедия, самоорганизующаяся система — это сложная динамическая система, способная при изменении внешних или внутренних условий ее функционирования и развития сохранять или совершенствовать свою организацию с учетом прошлого опыта. Примерами таких систем являются живая клетка, организм, биологическая популяция, человеческий коллектив [8]. Но не только! Это и вся Вселенная со своими метагалактиками, галактиками, солнечными системами и планетами!
Самоорганизующейся системой может быть только открытая система, способная обмениваться энергией с окружающей средой.
По определению Хакена, самоорганизация — это спонтанное (самопроизвольное) образование высокоупорядоченных структур из хаоса, спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного (синхронного) действия многих подсистем. Именно таким образом при самоорганизации из хаоса рождается порядок [9].
Необходимо отметить, что в настоящее время существуют два подхода к рассмотрению физической сущности явления самоорганизации. Один из них связывает эту сущность с диссипацией (неравновесная термодинамика И. Р. Пригожина), а второй — с внутренней полезной работой против равновесия (концепция эволюционного катализа А. П. Руденко).
И. Р. Пригожин о самоорганизующихся системах
Согласно подходу И. Пригожина, автора теории неравновесной термодинамики, директора отделения физики и химии Брюссельского университета, лауреата Нобелевской премии 1977 года, главным условием самоорганизации, принимается необратимость процесса, причиной считается диссипация, а движущей силой — негэнтропия4, поглощаемая открытой системой из окружающей среды при обмене веществ [10].
И. Р. Пригожин полагает, что процессы самоорганизации систем могут происходить произвольно, но только в результате случайных флуктуаций. За их образование несет ответственность та самая диссипативная энергия, которая рассеивается в пространстве при превращении энергии в тепловую. С точки зрения Пригожина, диссипативная энергия способна порождать сложные системы из простых, а энтропия оказывается тем самым «сырьем», из которого диссипативные структуры могут создать (а могут и не создать — это дело случая!) более высокую, чем прежде, упорядоченность (подробнее об этом рассказывается в главе 5, разделе «Диссипативная энергия»).
— Возможность случайного появления Вселенной исключается?
Аструс: Нет.
— А случайное зарождение жизни на Земле?
Аструс: Нет. Жизнь возникла не случайно.
— Значит, жизнь на Земле создавалась целенаправленно?
Аструс: Да. Высшей духовной силой.
— Значит, для процессов жизни на Земле случайность исключается?
Аструс: Так.
Для того чтобы в некой системе начались процессы самоорганизации, она должна быть, как минимум, выведена из состояния стабильного равновесия. Важным результатом новой неравновесной термодинамики, разработанной И. Пригожиным, является возможность получения устойчивых решений, далеких от состояния равновесия. Расчет таких систем (открытых, диссипативных, неравновесных) стал возможным благодаря работам И. Пригожина.
И. Р. Пригожин внес существенный вклад в термодинамику нелинейных необратимых процессов, то есть в термодинамику систем, далеких от равновесия (1947), выдвинув принцип локального равновесия.
Этот принцип заключается в следующем. Рассматриваемая система может быть мысленно разделена в пространстве на множество элементарных ячеек, достаточно больших, чтобы рассматривать их как макроскопические системы, но в то же время достаточно малых для того, чтобы состояние каждой из них было близко к состоянию равновесия. Такое предположение справедливо для очень широкого класса физических систем, что и определяет успех классической формулировки неравновесной термодинамики.
И. Пригожин в 1947 году доказал теорему о неравновесных процессах, которая гласит: «Если открытую термодинамическую систему при неизменных во времени условиях предоставить самой себе, то прирост энтропии будет уменьшаться до тех пор, пока система не достигнет стационарного состояния динамического равновесия; в этом состоянии прирост энтропии будет минимальным» [10].
Иными словами: производство энтропии для необратимых процессов в открытой системе стремится к минимуму.
Еще в 1943 году знаменитый физик, лауреат Нобелевской премии Э. Шредингер опубликовал свои лекции, прочитанные в Тринити-колледже в Дублине, в которых поставил вопрос: что такое Жизнь с точки зрения физики? Он писал:
«Жизнь — это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время. Средством, при помощи которого организм поддерживает себя на высоком уровне упорядоченности, (равно на достаточно низком уровне энтропии) является энергия, получаемая организмом из окружающей среды с продуктами питания... Живая материя избегает прихода к равновесию5» [11].
Шредингер обратил внимание на то, что живой организм как открытая система в процессе жизнедеятельности может как увеличивать, так и уменьшать энтропию.
Если мы удерживаем систему от равновесия, то должны постоянно компенсировать рост энтропии, то есть «питать» систему свободной энергией или веществом, богатым энергией. Эта энергия используется для поддержания определенных реакций, которые не дают системе прийти в инертное или «мертвое» состояние равновесия. Иными словами, упорядоченность в организме должна поддерживаться за счет использования упорядоченности извне. Но Шредингер не объяснил, как одна упорядоченность поддерживается другой упорядоченностью, которая сама каким-то образом возникла из неупорядоченности.
Трудность возникает в связи с тем, что недостаточно разделить мир живого только на «упорядоченность» и «неупорядоченность». Однако можно четко разделить мир по двум физическим принципам, управляющим процессами, имеющими разную направленность: к равновесию и против равновесия.
А. П. Руденко о самоорганизации систем
Все материальные объекты можно разделить на объекты с равновесной и неравновесной структурной организацией вещества. Равновесная структурная организация вещества образуется в ходе процесса, стремящегося к равновесию (энтропийный процесс) и сопровождается выделением энергии, а неравновесная образуется в ходе процесса, стремящегося к неравновесию (антиэнтропийный процесс) и сопровождающегося поглощением энергии [12].
Автор теории эволюционного катализа А. П. Руденко считает, что необратимость не играет основополагающей роли в самоорганизации, и утверждает, что причиной самоорганизации является внутренняя полезная работа, направленная против равновесия, а не диссипация.
В любой открытой системе поступающая извне энергия разделяется на два потока: поток свободной энергии, затрачиваемый на внутреннюю полезную работу, направленную против равновесия, и на поток энергии, которая в виде теплоты рассеивается в окружающей среде.
То есть за счет свободной энергии обменного процесса, стремящегося к равновесию (энтропийного процесса), совершается процесс, стремящийся к неравновесию (антиэнтропийный процесс), который и приводит к самоорганизации системы (к ее неравновесному упорядочению).
— В настоящее время в науке существуют две теории самоорганизующихся систем: теория И. Р. Пригожина и теория эволюционного катализа А. П. Руденко...
Аструс: Первая верна на 70%, а вторая — на 90%.
— И. Пригожин считает, что диссипативная энергия способна порождать сложные системы из простых, а энтропия оказывается тем самым «сырьем», из которого диссипативные структуры могут создать (а могут и не создать — это дело случая!)...
Аструс: Вот «дело случая» — это неверно.
— ...более высокую, чем прежде, упорядоченность. Мерой самоорганизации является диссипация и ее функция. Самоорганизация по Пригожину проявляется в образовании диссипативных структур. При этом возникает необходимость системе «питаться» отрицательной энтропией, поглощаемой из внешней среды.
Аструс: Это верно.
— Руденко ставит под сомнение, что движущей силой самоорганизации является «отрицательная энтропия».
Аструс: Руденко верно ставит вопрос, но он рассматривает только одну сторону.
— Руденко считает, что необратимость не играет предполагаемой конструктивной роли ни в возникновении, ни в росте самоорганизации. Играет необратимость конструктивную роль или нет?
Аструс: Играет и не играет. Он подходит к этому верно, но не учитывает вторую половину.
— Зато он учитывает неравновесность. С его точки зрения, действительной причиной самоорганизации может быть только внутренняя полезная работа против равновесия, а не диссипация.
Аструс: Опять он половину рассматривает.
— Что же порождает самоорганизацию: неравновесность или необратимость? Пригожин говорит, что в основе самоорганизации лежит необратимость, а Руденко — что неравновесность.
Аструс: И то, и другое верно.
Татьяна: Раз Руденко прав на 90%, значит, все-таки неравновесность играет большую роль?
Аструс: И то, и другое правильно.
— А нельзя сказать, что необратимость большую роль играет для макромира, а неравновесность — для микромира и нашего мира?
Аструс: Можно так сказать.
— Значит, теория Пригожина пригодна для макромира, например для Вселенной, а теория Руденко — для локального мира, например для организма?
Аструс: Это очень верно.
Итак, существуют два типа самоорганизации: когерентный для коллективных (макро-) открытых систем (по Пригожину) и континуальный для индивидуальных (микро) систем (по Руденко). Эволюция с естественным отбором возможна только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных систем.
В том и в другом случае основными свойствами самоорганизующихся систем являются: открытость, необратимость, неравновесность, нелинейность и диссипативность.
Свойства самоорганизующихся систем
Открытость системы
Открытые системы — это системы, которые способны постоянно обмениваться веществом (энергией, информацией) с окружающей средой и обладать как «источниками» — зонами подпитки системы энергией окружающей среды, так и «стоками» — зонами рассеяния, «сброса» энергии вовне.
Действие «источников» (притока энергии извне) способствует наращиванию структурной неоднородности данной системы, а действие «стоков» (сброс энергии вовне) приводит к сглаживанию структурных неоднородностей в системе.
Приток и сток обычно носят объемный характер, то есть происходят в каждой точке данной системы. Например, во всех компонентах биологического организма (ткани, органы, клетки и т. д.) происходит обмен веществ, приток и отток вещества (с помощью кровеносных сосудов, эндокринной и других систем). Постоянный приток (и сток) вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных, неустойчивых состояний.
Способность живых организмов поддерживать на определенном уровне состояние своего внутреннего порядка есть не что иное, как борьба с повышением энтропии, или борьба за свое существование. Живые организмы (клетка, сообщество людей, город и т. д.) не только открытые системы, но они и существуют только потому, что открытые. Их питают потоки энергии и вещества, которые поступают из внешнего мира. Так, например, закрытую систему «кристалл» можно изолировать, но если изолировать клетку или город от внешнего мира, они погибнут.
Открытые системы — это системы необратимые; и в них важен фактор времени.
Необратимость
Процессы могут быть обратимые и необратимые. Как трактует Википедия, обратимый процесс (то есть равновесный) — это термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.
Необходимое условие обратимости термодинамическ…
