Лев Виленчик - Эволюция с позиций теоретической физики

В общем случае, все системы, находящиеся в неравновесном состоянии, начинают эволюционировать. В ходе эволюции энтропия увеличивается, что приводит системы к более хаотическому состоянию. Однако, в неравновесных условиях, когда свободная энергия уменьшается за счет связанного с взаимодействием уменьшения внутренней энергии, возрастание энтропии может привести не только к деградации и хаосу, но и к порядку, организации и, в конечном итоге, к жизни. То есть неравновесное состояние может быть источником порядка, который порождается как «порядок из хаоса» /18/. В случае же, когда уменьшение свободной энергии обязано росту энтропии, а не уменьшению внутренней энергии, развитие идет по принципу « хаос из порядка». При этом энергии взаимодействия систем (или их подсистем) оказывается недостаточно для компенсации роста энтропии. Именно по этому принципу, идет общая эволюция нашей Вселенной, хотя в отдельных ее частях реализуется принцип «порядок из хаоса» , приведший, в частности, к возникновению жизни на Земле.

Под состоянием термодинамической системы понимается набор всех ее параметров. Изменение хотя бы одного из них означает изменение состояния всей системы. Эволюция термодинамических систем изменяет эти параметры. Основным из них является величина свободной энергии системы. В равновесном состоянии она минимальна. Если же система каким-либо способом выведена из равновесного состояния, она стремится вернуться в него, понижая свою свободную энергию до присущего ей минимального значения. При этом, о термодинамической системе нельзя сказать, что она находится в том или ином состоянии. Вместо этого следует говорить о вероятности ее пребывания в данном состоянии и о вероятности перехода в другое состояние. Величина этой вероятности определяется соответствующим изменением свободной энергии, то есть изменением термодинамических характеристик системы, ее энтальпийной и энтропийной составляющих. Таким образом, эволюция любой термодинамической системы и Природы в целом имеет стохастический характер.

Это хорошо видно, на примере прогнозов погоды. Они не говорят нам, что будет дождь или снег, а сообщают лишь вероятность этих событий. И это происходит не из-за недостатка соответствующих данных или компьютерных возможностей, а из-за вероятностной реализации того или иного состояния Природы, связанного с энтальпийными и энтропийными изменениями в данной конкретной местности.

Как происходит эволюция изолированной термодинамической системы? Она стремится перейти в более вероятное состояние, уменьшая свободную энергию. Согласно Первому Началу термодинамики (Закону сохранения энергии), ее энергия должна оставаться постоянной и для изменения состояния у системы существует только одна возможность – увеличить свою энтропию (как требуется Вторым Началом термодинамики). А как это можно сделать? «Включить» физические, химические или какие-либо другие процессы, которые изменят ее состояние, увеличат значение энтропии всей системы и выравняют значение энтропии для каждой части системы. Но в основе всех процессов лежат взаимодействия между объектами, составляющими систему. Это – (так называемые) фундаментальные взаимодействия: гравитационные, электромагнитные, слабые и сильные (ядерные). Их следует рассматривать как вторичные, реализующие тенденцию к возрастанию энтропии и являющиеся дочерними от энтропийного взаимодействи я между отдельными микро и макро частями системы.

Понятие энтропийного взаимодействия использовалось ранее в сослагательном наклонении. Например, макромолекулярные звенья как бы энтропийно отталкиваются друг от друга на близких расстояниях и энтропийно притягиваются на больших расстояниях /25, 26/. В современных научных подходах энтропийное взаимодействие рассматривается как реально существующее /18, 27—31/.

Под ним понимается взаимное влияние открытых термодинамических систем друг на друга путем передачи информации об их состояниях, согласованных изменениях энтропии и взаимного стремления к переходу в более вероятные состояния .

Энтропийное взаимодействие не является следствием существования какого-либо энтропийного заряда и сопутствующего поля. О нем нельзя сказать, что оно распространяется в пространстве «из точки в точку» и переносит энергию. Оно просто отражает определенный «порядок» в пространстве, его «структуру», «состояние» пространства и находящихся в нем физических систем, определяет энергию, поведение и эволюцию этих систем и всего пространства в целом. Энтропийное взаимодействие приводит к нарушению симметрии, изменению свободной энергии, энтропии и других характеристик физической системы. Под его влиянием изменение энтропии в любой части термодинамической системы становится одновременно изменением энтропии всей системы, т.е энтропийное взаимодействие является дальнодействующим /29/.

Полезно напомнить, что подход с дальнодействием использовался в теории Ландау для описания фазового перехода второго рода с использованием самосогласованного поля. Согласно этой теории, изменение симметрии в любой части системы приводит к изменению, мгновенно известному всем частям системы.

Подобный подход был использован методом Хартри-Фока в квантовой механике для решения уравнения Шредингера путем сведения многочастичной задачи к одночастичной задаче в предположении, что каждая частица движется в некотором однородном самосогласованном поле, созданном всеми другие частицы системы. При этом любое изменение состояния только одной частицы немедленно коррелирует с соответствующими изменениями состояний всех частиц системы. Другими словами, дальнодействие использовалось здесь для передачи соответствующей физической информации.

Другим примером дальнодействия в квантовой механике является квантовая запутанность. Обычно она рассматривается как следствие квантовой суперпозиции и является физическим явлением, которое возникает, когда пары или группы частиц генерируются или взаимодействуют таким образом, что квантовое состояние каждой частицы не может быть описано независимо от других, даже когда частицы разделены большим расстоянием. Вместо этого квантовое состояние должно быть описано для системы в целом и на изменение состояния любой части системы мгновенно реагирует вся система.

Эти примеры представляют собой реализацию энтропийного взаимодействия между различными частями соответствующей термодинамической системы.

Все системы, находящиеся в неравновесном состоянии, начинают эволюционировать. В ходе эволюции энтропия увеличивается, что приводит системы к более хаотическому состоянию. Однако, в неравновесных условиях, когда свободная энергия уменьшается за счет уменьшения внутренней энергии, возрастание энтропии может привести не только к деградации и хаосу, но и к порядку, организации и, в конечном итоге, к жизни. То есть неравновесное состояние может быть источником порядка, который порождается как «порядок из хаоса»