Процессы упорядочения и закон возрастания энтропии.

Когда система находится в неравновесном состоянии, и нет внешнего воздействия, то возникающие процессы переноса приводят систему в состояние ТД равновесия в соответствии с законом возрастания энтропии. Если же состояние неравновесно, и процессы переноса достаточно интенсивны, то на фоне общего стремления к равновесию могут возникать подсистемы, в которых энтропия локально убывает, а упорядоченность возрастает. В изолированной системе локальное уменьшение энтропии является временным, в открытой системе возможно возникновение стабильных диссипативных упорядоченных структур.

Локальной понижение энтропии, соответствующее локальной упорядоченности, обычно ничтожно мало по сравнению с суммарным увеличением энтропии системы в целом. Рождение локальных упорядоченных структур приводит к ускорению общего увеличения энтропии.

Необходимо отметить, что процесс образования упорядоченных структур в сильнонеравновесных системах неизбежен, он отражает стремление системы перейти к равновесному состоянию. Упорядоченные структуры реагируют на изменение внешних условий более чутко и разнообразно. Они могут легко разрушаться или превращаться в новые структуры. Нередко образование новой структуры невозможно без наличия предыдущей. В этом случае изменение состояний системы при изменении условий ее существования представляет собой однонаправленный процесс смены в ней одного порядка а другой, т.е. эволюцию .

В результате эволюции возникают новые упорядоченные системы, которые заменяют собой старые, когда происходит изменение внешних условий. Эти изменений могут быть вызваны, в том числе, и существованием данной упорядоченной подсистемы. В этом случае появляется основа для развития иерархических упорядоченных структур: на базе упорядоченность первого порядка возникает следующая, на базе упорядоченности второго порядка – упорядоченность третьего порядка и т.д., причем структуры высоких порядков должны приобретать качественно новые свойства, например, обратные связи, управляющие изменениями и упорядоченных структурах.

Таким образом, в случае достаточно мощных и длительных потоков через неравновесные системы появляется возможность (а в определенном смысле – необходимость) для самопроизвольного возникновения и развития локальной упорядоченности. При этом неустойчивость остается их характерным свойством.

Проведенный термодинамический анализ показывает, что явления, соответствующие эволюции живой природы, могут наблюдаться в любых сильнонеравновесных системах.

Природа полна проявлений самоорганизации в различных открытых неравновесных системах: в масштабе Вселенной самоорганизация проявилась в эволюции космологических систем; при формировании геологического облика Земли – в геологической эволюции; живые организмы, биологические виды и популяции представляют собой открытые системы, далекие от равновесия. К процессам самоорганизации относятся корпоративное поведение насекомых, регенерация живых тканей, вся жизнь на Земле, а также ее возникновение.

Необходимо отметить, что проблема возникновения жизни составляет предмет исторической дискуссии между естествознанием и религией. Эволюционная теория достаточно хорошо описывает развитие жизни, но не ее зарождение. Согласно равновесной термодинамике вероятность флуктуаций, приводящих к образованию высокоорганизованного белкового вещества из неорганической среды, чрезвычайно мала. Неравновесная термодинамика, наоборот, предполагает зарождение жизни не только принципиально возможным, но и необходимым. Жизнь представляется как высшее на данный момент проявление происходящей в природе самоорганизации.

Многообразие проявлений самоорганизации и возможность их исследования на основе единых принципов привели к развитию нового научного направления, названного синергетикой.

Эволюция и стрелы времени.

С понятием эволюции тесно связано понятие времени как возраста природных систем. В рамках эволюционной концепции для любого объекта необходимо рассматривать рождение (самоорганизация), развитие (смена упорядоченных форм) и распад (переход к неупорядоченному равновесному состоянию). Последовательность этих стадий задает стрелу времени.

Различным иерархическим уровням организации материи соответствует различный масштаб шкалы времени. Направленность же стрелы времени едина и определяется сутью процессов эволюции. Эволюционные процессы необратимы, необратимо и время.

В различных науках о природе эволюционные представления о природе формировались достаточно независимо, поэтому выделяют биологическую стрелу времени (развитие живых организмов), геологическую стрелу времени (формирование Земли), гелиологическую стрелу времени (возникновение и эволюция Солнечной системы), и наконец космологическую стрелу времени (эволюция Вселенной). При этом эволюционные процессы всех подсистем Вселенной можно рассматривать как составляющие единого эволюционного процесса. По мере расширения и остывания Вселенной происходит последовательный рост разнообразия и сложности форм материи.

Приведенная схема является, по сути, бифуркационной структурой. В точках бифуркации возникают новые материальные структуры, имеющие свою стрелу времени. Такое представление демонстрирует единство всего материального мира, а также увеличение разнообразия и сложности создаваемых Природой материальных объектов.