Принцип возрастания энтропии

Если вы хотите оправдаться за беспорядок в делах, самое подходящее обвинить в этом энтропию, которая «всегда только растет», символизируя рост беспорядка. В науку это понятие ввел немецкий физик Р. Клаузиус в 1865 г., формулируя законы термодинамики. Термодинамика изучает тепловые свойства макросистем в равновесных состояниях. Согласно первому началу термодинамики теплота, сообщенная системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и совершение работы. Фактически это закон сохранения энергии с учетом тепловых процессов: энергия может превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным.

Второе начало термодинамики указывает на существование разных форм энергии, отличающихся по своим качествам. Например, работу, связанную с упорядоченным движением молекул, всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло. В то же время теплоту, связанную с неупорядоченным, хаотическим движением молекул, в работу полностью превратить нельзя, всегда останется некоторое количество теплоты, которое пропадет бесполезно. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности или хаоса системы является энтропия. Установлено, что в изолированных системах (т.е. не обменивающихся энергией с окружающей средой) самопроизвольные процессы всегда сопровождаются ростом энтропии. Это утверждение называется вторым началом термодинамики, или принципом возрастания энтропии.

Первоначально второе начало термодинамики было сформулировано Клаузиусом следующим образом: тепло не может само собой переходить от холодного тела к горячему. Таким образом, энтропия характеризует направление протекания процессов в замкнутой системе и указывает, чтолюбая изолированная система стремится к состоянию термодинамического равновесия, при котором энтропия максимальна, а производство работы уже невозможно.

После открытия принципа возрастания энтропии в науке утвердилась идея, что Вселенной присуще развитие, но оно идет от порядка к хаосу – состоянию термодинамического равновесия. Это самое простое из всех возможных состояний закрытой системы, которой тогда считалась Вселенная. Господствующей тенденцией в развитии материи признавалось стремление к разрушению случайно возникшей упорядоченности и возвращение к исходному хаосу. Из принципа возрастания энтропии следовали пессимистические представления о развитии Вселенной, характерные для второй половины XIX в. В 1851 г. В. Томсон выдвинул гипотезу тепловой смерти Вселенной, согласно которой со временем все виды энергии деградируют, превратившись в тепло. Тепло рассеется в окружающем пространстве, и Вселенная придет в состояние хаоса – термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд.

Эту гипотезу пытались опровергнуть крупнейшие философы и ученые того времени. Но лишь в XX в., признав Вселенную открытой системой, удалось отказаться от идеи тепловой смерти. Как было показано в рамках синергетики, в открытых неравновесных системах могут протекать процессы самоорганизации и самоусложнения, направленные от хаоса к порядку и сопровождающиеся понижением энтропии. Но куда открыта Вселенная? Другим измерениям, вакууму или Богу? На этот вопрос у ученых пока нет однозначного ответа.

Синергетика

Слово «синергетика» происходит от греческого synergeia – содействие, сотрудничество. В широкое употребление этот термин ввел около 30 лет назад немецкий физик Г. Хакен, назвав так новое научное направление, объединяющее исследования по теории самоорганизации. Возникновение этой науки было подготовлено трудами многих выдающихся ученых: А.А.Богданова, Л. Берталанфи, Н. Винера, А. Пуанкаре, А.Н. Колмогорова и др. Тем не менее можно выделить три научные школы, которые являются корневыми для синергетики: 1) российская школа нелинейной динамики (Л.Мандельштам, С.П. Курдюмов, Г.Г. Малинецкий); 2) бельгийская школа неравновесной термодинамики (И. Пригожин); 3) немецкая школа лазерной физики (Г. Хакен).

Синергетика рассматривает процессы самоорганизации, устойчивости, образования и распада сложных упорядоченных систем как природных, так и социальных. С точки зрения синергетики процессы самоорганизации связаны с образованием коллективных типов поведения элементов в системах, их конкуренцией и отбором того типа поведения, который оказывается способным выжить в условиях конкуренции.

Процессы самоорганизации идут всюду, где есть жизнь. Рождение и развитие любого живого организма, образование и существование природных сообществ и социальных институтов (экономических, политических, правовых и др.) являются примерами самоорганизации. Факты образования упорядоченных структур из хаоса были известны и в неживой природе, но их трудно было объяснить с позиций принципа возрастания энтропии. Например, образование ячеек Бенара (1901), когда в горизонтальном слое вязкой жидкости, подогреваемой снизу, образуются ячейки гексагональной формы наподобие пчелиных сот. Или реакция Белоусова-Жаботинского, при которой в смеси некоторых химических веществ наблюдается периодическая смена цвета. Примером самоорганизации является и работа лазера (оптического квантового генератора) т.е. возникновение в активной среде энергетически возбужденных атомов самосогласованного монохроматического излучения.

Оказалось, что процессы самоорганизации могут протекать не в любых системах, а лишь в удовлетворяющих определенным требованиям. Во-первых, эти системы должны быть открытыми, т.е. способными к обмену с внешней средой энергией, веществом и информацией. Во-вторых, они должны находиться в состоянии, далеком от равновесия. Развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастания сложности и упорядоченности. В цикле развития выделяют две фазы:

1) период плавного развития с хорошо предсказуемыми изменениями, приводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию – точке бифуркации (разветвлению пути развития системы);

2) выход из критического состояния (скачком) и переход в новое состояние, как правило, более сложное и упорядоченное.

Процессы самоорганизации протекают необратимо, нелинейно, спонтанно и непредсказуемо. В точках бифуркации траектория разветвляется, и нет указаний на то, по какому пути следовать. Есть лишь спектр возможностей. Выбор пути и нового состояния происходит под воздействием флуктуаций и случайных факторов.

Синергетика объясняет самоорганизацию как результат взаимодействия таких противоположных тенденций, как неустойчивость и стабильность, случайность и необходимость, порядок и хаос. В греческой мифологии слово chaos означало первобытное состояние мира, из которого образовался космос. В современном представлении хаос – беспорядочное, бесформенное, неопределенное состояние вещей; бесструктурность, неустойчивость, стихийность. А порядок – это структурность, устойчивость, организованность. Напрашивается вывод, что хаос – это плохо, а порядок – хорошо. Однако, по словам Антуана де Сент-Экзюпери, «Жизнь создает порядок. Порядок же бессилен создать жизнь». Выходит, что какая-то доля хаоса для жизни необходима. И синергетика как раз раскрывает эту позитивную роль хаоса. Жизнь течет неравномерно. Спокойные периоды сменяются напряженными критическими состояниями, когда решается, каким будет дальнейший путь. В такие моменты определяющую роль играет не порядок, а хаос. Без этой неупорядоченной, неконтролируемой, случайной компоненты были бы невозможны качественные изменения, переходы в новые состояния. Хаос служит механизмом переключения режимов, средством борьбы со смертью.

Синергетический подход позволяет понять процессы усложнения и развития материи, единым образом описать процессы в живой и неживой природе, обществе, представить эволюцию Вселенной как единый процесс, в котором этапы космической, химической, биологической и социальной эволюции преемственны и связаны между собой. В рамках синергетики развитие жизни на Земле рассматривается как фрагмент единого грандиозного процесса самоорганизации материи в развивающейся Вселенной.

Синергетическая идеология позволяет взглянуть и на общество как на саморазвивающуюся систему. Огромное значение имеет вывод синергетики о неоднозначности путей эволюции природных и социальных систем, о том, что сложным системам нельзя навязывать пути их развития, а нужно обеспечивать условия для саморазвития и самоорганизации. Синергетический подход обнадеживает в тех ситуациях, которые кажутся безнадежными: даже малые усилия могут вывести систему на иную, более благоприятную траекторию развития из того спектра возможностей, которым обладает сложная система. В настоящее время синергетика, преодолевая междисциплинарные барьеры, быстро превращается в носителя новой научной парадигмы. Синергетические форумы и конференции собирают представителей самых разных специальностей, объединенных стремлением выработать и освоить современный стиль мышления. Синергетическая методология внедряется в технику, искусство, информатику, открывает свежие перспективы в экономике, психологии, прогностике.

Вопросы для самоконтроля

1. Что изучает физика? Какие наиболее значимые физические концепции вам известны?

2. Что такое материя? В каких формах она существует?

3. Опишите иерархию организации материи в природе.

4. Что такое мегамир, макромир, микромир?

5. Что такое время и пространство? Каковы их основные свойства?

6. Сравните представления о пространстве и времени, развитые в классической механике И.Ньютона и теории относительности А.Эйнштейна.

7. Что такое симметрия? Как она связана с законами сохранения?

8. Что такое энергия? Сформулируйте закон сохранения энергии.

9. Что такое энтропия? В чём суть принципа возрастания энтропии?

10. В чём состоит сущность корпускулярно-волнового дуализма? Сформулируйте принцип неопределённости и принцип дополнительности.

11. Каковы современные представления о строении атома?