Александр Садохин - Концепции современного естествознания

Иногда используется отрицательная величина энтропии – негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Эта величина может быть только отрицательной. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, энтропии – росту хаоса.

В соответствии со вторым началом термодинамики в случае изолированной системы (не обменивающейся веществом, энергией или информацией с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. Представим себе закрытую систему, в которой вся энергия находится в упорядоченном состоянии (энергия – работа). Если в этой системе начнется процесс преобразования энергии, то мы увидим, что вся энергия – работа постепенно перейдет в энергию – тепло. Полученное тепло может быть использовано для совершения какой-либо полезной работы, но не полностью. Так появится энтропия. При следующем цикле преобразования работа опять полностью перейдет в тепло, но тепло вновь не сможет полностью превратиться в работу, и поэтому энтропия вновь увеличится. Так будет происходить до тех пор, пока вся энергия системы не превратится в тепло и не установится состояние термодинамического равновесия. Таким образом, в изолированной системе энтропия может только расти. Поэтому второе начало термодинамики еще называют принципом возрастания энтропии. Эта более точная формулировка второго начала термодинамики утверждает, что при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Иными словами, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.

Именно из этого принципа вытекали пессимистические представления о развитии Вселенной, характерные для второй половины XIX в. Они воплотились в идею тепловой смерти Вселенной, сформулированную В. Томсоном в 1851 г. Упорядоченными источниками энергии во Вселенной являются звезды, возраст которых хотя и велик, но не бесконечен. До открытия второго начала термодинамики считалось, что на смену погасшим звездам возникают новые, и процесс этот будет идти бесконечно. Но тот факт, что все виды энергии деградируют, постепенно превращаясь в тепло, требовал признать, что новых звезд должно загораться меньше, чем погасло старых. Поэтому со временем должны закончить существование все звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и вся Вселенная придет в состояние хаоса – термодинамического равновесия с температурой, которая лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд. Не будет источников энергии – не будет жизни.

Становление современной концепции развития (идея самоорганизации материи).Первая крупная брешь в классической концепции развития была пробита в 1920-е гг. в результате создания новой модели расширяющейся Вселенной, которая сменила старую стационарную модель. Согласно новым представлениям, наша Вселенная возникла 15–20 млрд лет назад в результате Большого взрыва и лишь постепенно пришла к современному состоянию, которое также не является стабильным. При этом эволюция шла от простейшего хаотического состояния к современному упорядоченному состоянию.

Затем новые эволюционные идеи утвердились в химии, геологии, экологии и в других науках. Но до середины XX в. по-прежнему считалось, что для неживой материи основной тенденцией является стремление к разрушению, и только жизнь, представляющая стремление к упорядоченности и организованности, противостоит этой тенденции. Данное противоречие впервые было четко зафиксировано в книге известного физика-теоретика Э. Шредингера «Что такое жизнь?». Он предположил, что во Вселенной происходят процессы развития. Так был дан толчок исследованиям, позволившим по-новому посмотреть на процессы в неживой природе.

Также к середине XX в. были сформулированы общая теория систем и основы кибернетики, установившие, что все известные нам системы являются открытыми, т. е. постоянно обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Поэтому найти подходы к решению вопроса о тепловой смерти Вселенной удалось лишь тогда, когда физика обратилась к понятию открытой системы. Было установлено, что при определенных условиях в открытых системах может возникать процесс самоорганизации, переводящий открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние – состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития. Ключ к пониманию процесса самоорганизации находится в исследовании взаимодействия открытых систем с окружающей средой.

Примеров процессов самоорганизации можно привести много. Так, лазеры создают высокоорганизованное оптическое излучение. Оно отличается от традиционных источников света – ламп накаливания, газоразрядных ламп, которые действуют за основе статических законов (в нагретой до высокой температуры среде возбужденные атомы и ионы излучают кванты света с различными длинами волн во всех направлениях, причем только малую их часть мы воспринимаем как видимый свет). В лазере в активной среде резонатора под воздействием внешнего светового поля (при «накачке») благодаря поступлению энергии извне частицы начинают колебаться в одной фазе. В результате возникает когерентное (согласованное) взаимодействие, формирующее узконаправленный луч почти монохроматических квантов света.

Хотя процессы самоорганизации стали известны ученым достаточно давно, общие теории самоорганизации появились лишь в 1970-е гг. К их созданию ученые шли разными путями: создатель синергетики Г. Хакен – из квантовой электроники и радиофизики, основатель неравновесной термодинамики И. Пригожин – из анализа специфических химических реакций. Эти процессы в биологии изучал М. Эйген, в метеорологии – Е. Лоренц, в теории катастроф – Р. Том. Постепенно ученые начали выходить за рамки своих узких дисциплин, замечая аналогию между математическими моделями и концептуальными системами, описывающими такие разные на первый взгляд процессы.

Стало формироваться убеждение, что во всех явлениях есть единая основа, позволяющая создать общую теорию самоорганизации материи. Сегодня эта теория развивается в основном в рамках двух наук – синергетики и неравновесной термодинамики, во многом дополняющих друг друга.

Основы синергетики и неравновесной термодинамики.Синергетика – кооперативность, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы – по определению ее создателя Г. Хакена, занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем различной природы (атомы, молекулы, клетки, механические элементы, органы, животные и даже люди). Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.