Лев Виленчик - Эволюция с позиций теоретической физики

Третье Начало термодинамики (теорема Нернста) говорит, что при приближении температуры к абсолютному нулю (-273 оС) энтропия равновесной системы не изменяется.

Следует отметить, что после введения Фарадеем и Максвеллом концепции электромагнитного поля в физику, а затем введения Эйнштейном гравитационного поля считается, что все электрически, магнитно, «гравитационно» или иным образом «заряженные» тела взаимодействуют посредством своих полей, каждое из которых представляет собой некую непрерывную среду, передающую «от точки к точке» силовое воздействие соответствующих зарядов друг на друга. Появление квантовой механики, а затем и ядерной физики внесло в концепцию поля существенное дополнение. Оказалось, что все физические поля состоят из квантов (фотонов, мезонов, еще не обнаруженных гравитонов, глюонов и других элементарных частиц), которые передают энергию поля между взаимодействующими объектами. Таким образом, появился «Корпускулярно-полевой дуализм»: с одной стороны, поле является сплошной средой, а с другой – средой, состоящей из дискретных квантов энергии. Этот дуализм, в отличие от хорошо известного Корпускулярно-волнового дуализма (суть которого в том, что луч света, как и пучок элементарных частиц, скажем электронов, демонстрирует волновые свойства в опытах по интерференции и дифракции, а в опытах по рассеянию ведет себя, как поток частиц , т.е. фотонов или электронов), практически не обсуждается в научной литературе, хотя он присутствует там самым непосредственным образом.

Оба названных дуализма являются реализацией двух основополагающих принципов: Принципа дополнительности /22/ и Принципа эквивалентности /23/, которые можно попытаться обобщить на широкий круг явлений следующим образом:

В определенных экспериментах одно и то же качество материальных объектов, может проявляться принципиально различными способами, которые не могут реализовываться и наблюдаться одновременно.

В квантовой механике и теории поля это проявляет себя в явлениях интерференции и рассеяния, а в теории относительности – в существовании гравитационной и инертной масс. В классической механике близкий к этому принцип работает во Втором законе Ньютона, где одно и то же качество проявляет себя либо как сила, либо как ускорение, а в Третьем законе Ньютона как действие и противодействие.

Для термодинамической системы таким качеством обладает изменение её свободной энергии, которое ответственно за эволюцию системы и может происходить либо путем энтропийных изменений, либо энтальпийных, либо и тех и других одновременно.

Корпускулярно-полевой формализм и перечисленные выше аксиоматические принципы будут применяться ко всем рассматриваемым в книге явлениям органического и неорганического мира. Такой подход основан на уверенности, что законы Природы являются общими для обоих миров, а органический мир лишь более организован, происходящие в нем процессы отличаются большей скоростью и поэтому он более изменчив и эволюционирует значительно быстрее мира неорганического.

Объектом исследований в физике являются физические системы. Они состоят из материальных объектов. Когда физическая система (имеющая большое число степеней свободы), рассматривается как единое целое без привлечения характеристик составляющих ее объектов, ее называют термодинамической. К таким системам можно отнести твердые, жидкие и газообразные тела, отдельные макромолекулы, галактики, Вселенную. Любой объект живой природы, включая человека, также подходит под это определение.

Согласно Принципу Маха, все объекты Природы взаимосвязаны. Они оказывают друг на друга определенное влияние, независимо от разделяющего их расстояния. Т.е. они взаимодействуют. Удаленные объекты взаимодействуют слабее, соседние сильнее. Основной научной дисциплиной, описывающей взаимодействие материальных объектов является физика. В классической механике объекты взаимодействуют при непосредственном контакте. В электродинамике и общей теории относительности они воздействуют друг на друга посредством полей (электрического, магнитного, электромагнитного, гравитационного). В ядерной физике, квантовой механике и квантовой теории поля объекты взаимодействуют посредством квантов энергии, излучаемых в виде фотонов, глюонов, мезонов. Здесь работают сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. В термодинамике, статистической физике и квантовой механике, по сравнению с классической физикой, появляются дополнительные характеристики взаимодействия: термодинамические потенциалы, температура, свободная и внутренняя энергии, энтропия, волновая функция, а физические законы приобретают вероятностную (стохастическую) природу. Мы будем рассматривать, главным образом, термодинамические системы. Поэтому имеет смысл сразу дать определение их основных характеристик, упомянутых выше.

Под внутренней энергией Н термодинамической системы (часто называемой энтальпией) в контексте данной книги следует понимать энергию, включающую энергию массы покоя m 0системы, её кинетическую энергию mv 2/2, количество тепла Q и энергию взаимодействия с силовым полем F, действующим в системе.

Свободная энергия G это – часть внутренней энергии системы, которая может быть использована для совершения работы. Она равна разности внутренней энергии H и произведения температуры системы T в абсолютной шкале на характеристику системы, называемую энтропией s и отражающею её состояние и тенденцию к эволюции.

G=H-sT (1)

В равновесном процессе энтропия равна количеству теплоты, полученному системой или отведенному от нее, деленному на температуру в абсолютной шкале, где ноль градусов достигается при -273 градусах Цельсия.

Энтропия устанавливает связь между макро и микро состояниями системы. Это единственная функция в физике, которая показывает направленность процессов. Поскольку энтропия является функцией состояния, то она не зависит от того, как осуществлен переход из одного состояния системы в другое, а определяется только начальным и конечным состояниями системы.

С другой стороны, что особенно важно для нас, энтропия характеризует, степень упорядоченности системы, степень ее однородности по всем параметрам. Чем больше система упорядочена (структурирована) и неоднородна, тем меньше ее энтропия. С точки зрения статистической физики, энтропия есть взятый с обратным знаком логарифм вероятности данного состояния системы ( H-теорема Больцмана) . Она является положительной счетно-аддитивной функцией, т. е. является суммой энтропий отдельных частей системы. Если изолированная система не находится в состоянии статистического равновесия, то с течением времени она переходит во все более равновесные, т.е. более вероятные состояния, характеризующиеся меньшей упорядоченностью, большей однородностью и более высоким значением энтропии. Этот закон возрастания энтропии является Вторым началом термодинамики. Однако, при этом стоит оговориться, что энтропия возрастает только в результате необратимых процессов, т.е. таких, которые нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния. Все реальные процессы необратимы из-за взаимодействия участвующих в них объектов /24/. Примерами могут служить диффузия, теплопроводность, радиоактивный распад и многие другие.