Принцип возрастания энтропии

2

РЕФЕРАТ

по курсу «Концепции современного естествознания»

по теме: «Принцип возрастания энтропии»

Содержание:

1. Идеальный цикл Карно

2. Энтропия и вероятность

3. Порядок и хаос. Стрела времени

4. «Демон Максвелла»

5. Проблема тепловой смерти Вселенной

6. Синергетика. Рождение порядка из хаоса

1. Идеальный цикл Карно

Принцип возрастания энтропии составляет сущность II начала термодинамики. II начало термодинамики, в общем-то, хорошо известно и понятно каждому человеку, ибо с ним каждый из нас сталкивается буквально на каждом шагу. Не удивительно потому, что II начало термодинамики было установлено даже раньше I начала термодинамики. Правда, первоначальная формулировка его еще не содержала понятия энтропии.

Существует точка зрения, что первая формулировка II закона термодинамики принадлежит Жану-Батисту Жозефу Фурье, префекту Изера, которому в 1811 году была присуждена премия французской Академии наук за математическую теорию распространения тепла. Фурье сформулировал закон теплопроводности, согласно которому количество теплоты, которое переносится в единицу времени через единицу площади поверхности вдоль какого-либо направления, прямо пропорционально величине изменения температуры вдоль этого направления. Причем, что характерно, количество теплоты переносится от тел с большей температурой в направлении к телам с меньшей температурой. Теплопроводность приводит к все большему выравниванию температур до тех пор, пока распределение температуры во всех точках пространства рассматриваемой изолированной системы станет одинаково.

Фурье оказался первым, кто количественно описал явление, составляющее элемент обыденного знания человека, и в то же время немыслимое с точки зрения классической ньютоновской механики, все законы которой являются обратимыми. Немыслимое по той причине, что явление теплопроводности описывает необратимые процессы.

Дальнейшая судьба понятия необратимости в науке связана с упоминаемой в предыдущей главе работе С. Карно «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Отец Никола Леонара Сади Карно -- знаменитый французский генерал, «организатор побед Великой французской революции» Лазар Никола Карно, инженер по образованию, проявлял значительный интерес к науке и практическому применению инженерных достижений. Он занимался анализом работы тепловых машин, и Сади Карно продолжил работу своего отца. Придерживаясь теплородной теории, С. Карно, тем не менее, сумел получить результаты, имеющие непреходящее значение для развития науки.

Во-первых, С. Карно ввел понятие циклического (кругового) процесса. Наблюдая действие паровой машины, он обратил внимание, что используемый для перемещения цилиндра пар затем выпускается в среду с меньшей температурой, где он снова превращается в воду (конденсат), причем конденсат в дальнейшем более не используется. Карно ставит вопрос о возможности использования отработанного конденсата, о возможности возвращения конденсата в котел, где он вновь нагреется, превратится в пар, который при своем дальнейшем расширении вновь совершит работу над поршнем. Таким образом, вода будет проходить полный цикл -- ряд процессов, в результате которых возвратится в исходное состояние.

Второй важный шаг состоял в том, что Карно установил, что подобный непрерывный циклический процесс возможен лишь при наличии двух нагревателей: нагревателя при высокой температуре Т2 и холодильника при более низкой температуре Т2. Кроме нагревателя и холодильника необходимо рабочее тело. Рабочее тело, забирая у нагревателя количество теплоты Qt, произведя работу, для восстановления своих исходных параметров (для обеспечения непрерывности цикла) должно отдать некоторое количество теплоты Q2 холодильнику. Основываясь на теплородной теории теплоты, Карно полагал, что «падение тепло-родной субстанции», обусловленное разностью температур нагревателя и холодильника, аналогично падению воды с более высокого уровня на низкий. Так что работа определяется перепадом между температурами теплорода в нагревателе и холодильнике.

Далее Карно вводит для характеристики тепловой машины понятие коэффициента полезного действия (КПД), рассматриваемого как отношение работы, совершаемой рабочим телом, к количеству теплоты Q1, взятой у нагревателя:

КПД = (A/Q1)400%.

Основная задача, решение которой являлось целью работы Карно, состояла в определении, от чего зависит КПД тепловой машины. При этом он демонстрирует поистине научно-теоретический подход, ибо пытается определить КПД машины независимо от «какого-либо механизма», «какого-либо определенного агента», то есть предлагает рассмотреть идеальную тепловую машину. Основная особенность этой идеальной машины состоит в том, что все изменения в ней должны происходить обратимым путем.

Обратимым называется процесс, который может идти как в прямом, так и в обратном направлении, и по возвращении системы в исходное состояние не происходит никаких изменений. Любой другой процесс называется необратимым. Оказывается, если исключить из рассмотрения явления, происходящие в микромире, то в природе строго обратимых процессов не существует. Еще Лазар Карно обратил внимание на то, что для достижения наивысшего КПД при постройке и эксплуатации механического устройства следует сводить до минимума удары, трение, иными словами, все процессы, которые приводят к потере «живой силы». Сади Карно строит свою теорию, рассматривая явление получения движения из тепла, исходя из самых общих соображений, отвлекаясь от разнообразных частных факторов в функционировании машины. Он пытается определить, от чего зависит максимальный КПД машины. Поэтому он и берет в рассмотрение идеализированную машину, существенной особенностью процесса которой является циклический и обратимый характер. В качестве рабочего тела Карно использует воздух, чтобы избежать сложностей, связанных с изменением фазы -- превращением воды в пар, а затем пара -- в воду. Более того, Карно приходит к верному заключению о том, что для повышения КПД надо исключить прямые контакты между нагревателем и холодильником, чтобы ни одно изменение температуры не было -обусловлено прямыми потоками тепла между двумя телами, находящимися при различных температурах. Эти потоки не производили бы никакой механической работы и приводили бы к снижению КПД.

Рассуждая подобным образом, Карно разделил цикл идеальной тепловой машины на четыре стадии.

1-я стадия. Рабочее тело, обладающее температурой нагревателя Т2, приводится в контакт с нагревателем и получает у него количество теплоты Qx, которое целиком расходуется на работу по расширению рабочего тела. Никакая часть от полученной теплоты не расходуется на увеличение внутренней энергии рабочего тела, не теряется зря вследствие равенства температур рабочего тела и нагревателя в начале цикла. 1-я стадия цикла протекает при постоянной температуре Т2, изотермически.

2-я стадия. Рабочее тело изолируется от источника, тепло не поступает и не уходит из системы. То есть количество теплоты не поглощается и не тратится. Говорят, что процесс на 2-й стадии протекает адиабатически, то есть без теплообмена. При этом рабочее тело продолжает расширяться, и работа по его расширению происходит за счет резервов внутренней энергии рабочего тела. Внутренняя энергия рабочего тела при его расширении уменьшается, и рабочее тело охлаждается. Такое адиабатическое расширение рабочего тела продолжается до тех пор, пока температура его не станет равной температуре холодильника.

3-я стадия. И вот тут-то рабочее тело с температурой Т2 подается в холодильник с такой же температурой Т2. Опять достигается экономия: теплота не растрачивается зря, так как нет переноса тепла между рабочим телом и холодильником, связанного с разностью их температур. Тем не менее, рабочее тело отдает некоторое количество теплоты Q2 холодильнику, вследствие чего уменьшается объем рабочего тела, оно сжимается. Процесс сжатия рабочего тела необходим для обеспечения цикличности работы машины, ибо при этом уменьшается объем рабочего тела. Вспомним, что в нагреватель на 1-й стадии рабочее тело поступало с меньшим объемом и только потом расширялось, совершая работу.

4-я стадия. И, наконец, на 4-й стадии рабочее тело адиабатически сжимается до первоначального объема. При этом внутренняя энергия его увеличивается. Процесс этот продолжается до тех пор, пока температура рабочего тела не становится равной температуре нагревателя Т.

Итак, цикл оказывается обратимым. Две изотермические стадии (1-я и 3-я) при постоянных температурах (соответственно, Т1 -- на 1-й стадии и Т2 -- на 3-й стадии) связаны между собой двумя адиабатическими стадиями.

И хотя Сади Карно не определил величину КПД идеальной обратимой машины, и сама его книга «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» содержит в себе всего 45 страниц, основные принципы, выдвинутые автором в этом труде оказались фундаментальным вкладом в генезис и развитие термодинамики. Карно пришел к совершенно верному выводу о том, что КПД идеальной машины зависит только от температур нагревателя и холодильника, а КПД любой другой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой машины.

Уже после смерти Сади Карно, в 1850 году, Клаузиус дал новое строго математическое описание цикла Карно с точки зрения сохранения энергии. Согласно I началу термодинамики количество теплоты, отдаваемое рабочим телом холодильнику Q2, должно быть меньше количества теплоты, взятого у нагревателя Qx на величину произведенной работы.

Напомним, что анализ Карно, основанный на представлениях о теплороде, предполагает равенство Qx и Q2.

Клаузиус определяет, что при работе тепловой машины не все количество теплоты, взятое у нагревателя, передается холодильнику. Часть этой теплоты превращается в работу, совершаемую машиной. Однако одного I начала термодинамики недостаточно для объяснения работы тепловой машины. Клаузиус показал, что объяснение превращения теплоты в работу основывается еще на одном принципе, сформулированном Карно, утверждающим, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от горячего нагревателя в работу непременно должна происходить отдача теплоты холодильнику. Таким образом, имеет место общее свойство теплоты, заключающееся в том, что теплота «всегда обнаруживает тенденцию к уравниванию температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным». Это положение Клаузиус предлагает назвать «вторым основным положением механической теории теплоты».

В 1852 году Уильям Томсон пришел к аналогичным выводам. Он указал на существование в природе универсальной тенденции к деградации механической энергии. Значение работ Клаузиуса и Томсона трудно переоценить. Фактически они объединили при анализе работы тепловой машины две концепции: концепцию Майера, Джоуля, Кольдинга о сохранении энергии и принцип Карно, утверждающий зависимость КПД машины от разности температур нагревателя и холодильника. Тем самым, были утверждены I и II начала термодинамики.

В 1865 году Клаузиус ввел новое понятие «энтропия» (entropia -- от греч. «поворот», «превращение»). Клаузис посчитал, что существует некоторая величина S, которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество теплоты AQ, то энтропия S возрастает на величину, равную AS = AQ/T.

В течение длительного времени ученые не делали различий между такими понятиями, как температура и теплота. Однако ряд явлений указывал на то, что эти понятия следует различать. Так, при таянии льда теплота расходуется, а температура льда не изменяется в процессе плавления. После введения Клаузиусом понятия энтропии стало понятно, где пролегает граница четкого различения таких понятий, как теплота и температура. Дело в том, что нельзя говорить о каком-то количестве теплоты, заключенном в теле. Это понятие не имеет смысла. Теплота может передаваться от гена к телу, переходить в работу, возникать при трении, но при этом она не является сохраняющейся величиной. Поэтому теплота определяется в физике не как вид энергии, а как мера изменения энергии. В то же время введенная Клаузиусом энтропия оказалась величиной, сохраняющейся в обратимых процессах. Это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы. Покажем, что в идеальном цикле Карно энтропия сохраняется.

Для описания термодинамических процессов I начала термодинамики оказывается недостаточно, ибо I начало термодинамики не позволяет определить направление протекания процессов в природе. Тот факт, что энтропия изолированной системы не может убывать, а только возрастает и достигает максимального значения в равновесном состоянии, является отражением того, что в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении-- в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.

Существуют различные формулировки II начала термодинамики. Все они являются эквивалентными. Приведем некоторые из них:

1. Невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

В природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении -- в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим,

2. КПД любой тепловой машины всегда меньше 100 %, то есть невозможен вечный двигатель (перпетуум-мобиле) II рода (так как невозможно построить тепловую машину, работающую не за счет перепада теплоты, а за счет теплоты одного нагревателя).

КПД любой реальной тепловой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой машины.

3. Энтропия изолированной системы при протекании необратимых процессов возрастает, ибо система, предоставленная самой себе, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Энтропия системы, находящийся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна.

Эту последнюю формулировку требуется обсудить более подробно.

2. Энтропия и вероятность

В основе термодинамики лежит различие между двумя типами процессов -- обратимыми и необратимыми.

Понятие энтропии позволяет отличать в случае изолированных систем обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых процессов (энтропия возрастает).

Благодаря работам великого австрийского физика Людвига Больцмана, это отличие было сведено с макроскопического уровня на микроскопический. Состояние макроскопического тела (системы), заданное с помощью макропараметров (параметров, которые могут быть измерены макроприборами -- давлением, температурой, объемом и другими макроскопическими величинами, характеризующими систему в целом), называют макросостоянием.

Состояние макроскопического тела, охарактеризованное настолько подробно, что оказываются заданными состояния всех образующих тело молекул, называется микросостоянием.

Всякое макросостояние может быть осуществлено различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы. Число различных микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называется статистическим весом W, или термодинамической вероятностью макросостояния. Попробуем разобраться в этом.

Мы знаем, что весь окружающий мир состоит из молекул и атомов. Поместим в некоторый сосуд с теплоизолированными стенками некоторое количество газа, число молекул которого равно N. Выделим какую-либо одну молекулу. Предположим, что каким-либо образом мы можем ее пометить, скажем, можем окрасить ее в зеленый цвет. Если бы мы могли это сделать, то получили бы возможность отличать ее от других молекул и тем самым отследить ее поведение в данном объеме. Наблюдая за этой молекулой, мы очень скоро убедимся, что она может занимать любое положение в сосуде. Причем положение ее в любое мгновение оказывается случайным.

Идея Больцмана о вероятностном поведении отдельных молекул явилась развитием нового подхода при описании систем, состоящих из огромного числа частиц, впервые развитого Максвеллом. Максвелл пришел к пониманию того, что в этих случаях физическая задача должна быть поставлена иначе, чем в механике Ньютона. Очевидно, что наш пример с мечеными молекулами сам по себе неосуществим, ибо в принципе невозможно проследить в течение значительного интервала времени за движением отдельной молекулы. Невозможно также определить точно координаты и скорости всех молекул макроскопического тела одновременно в данный момент времени. Задачу следует ставить иначе, а именно -- попытаться найти вероятность того, что данная молекула обладает таким-то значением скорости. Максвелл ввел для описания случайного характера поведения молекул понятие вероятности, вероятностный (статистический закон). Используя новый подход, Максвелл вывел закон распределения числа молекул газа по скоростям. Этот закон вызвал длительную дискуссию, длившуюся десятилетия вплоть до изготовления молекулярных насосов, позволивших произвести экспериментальную проверку закона. В 1878 году Больцман, как уже говорилось, применил понятие вероятности, введенное Максвеллом, и показал, что второй закон термодинамики также является следствием более глубоких статистических законов поведения большой совокупности частиц.

Таким образом, с развитием статистической физики и термодинамики на место причинных динамических законов становятся статистические законы, позволяющие предвидеть эволюцию природы не с абсолютной достоверностью, а лишь с большой степенью вероятности.

3. Порядок и хаос. Стрела времени

Точка зрения Больцмана означала, что необратимое возрастание энтропии в изолированной системе, которая не обменивается энергией с окружающей средой, следует рассматривать как проявление все увеличивающегося хаоса, постепенного забывания начальной асимметрии, ибо асимметрия приводит к уменьшению числа способов, которыми может быть осуществлено данное макросостояние, то есть к уменьшению термодинамической вероятности W. Так что любая изолированная система самопроизвольно эволюционирует в направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопическое состояние с максимальной W, соответствующего состоянию хаоса и максимальной симметрии. При этом энтропия возрастает, что соответствует самопроизвольной эволюции системы. Закон этот обойти нельзя, возрастание энтропии и является платой за любой выигрыш в работе, оно присутствует во всех физических явлениях. В состоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимального значения. Иными словами, в равновесном состоянии существует состояние молекулярного хаоса, что означает полное забвение системой своего начального состояния, несохранения системой информации о своем прошлом.

По словам Эддингтона, возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени». Для изолированной системы будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого. То есть возрастание энтропии определяет направление, стрелу времени. Энтропия же возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Поэтому любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку. Старая концепция движения, которая не обращала должного внимания на необратимые процессы, по существу, описывала движение как постоянное повторение одного и того же круга превращений. Сформулировав II начало термодинамики, Клаузиус проводит четкую границу между движением как повторением и движением как необратимым процессом. «Часто приходится слышать, -- пишет он, -- что все в мире происходит в замкнутом круге... Когда первый основной принцип механической теплоты был сформулирован, его, пожалуй, можно было счесть за блестящее подтверждение вышеупомянутого мнения... Но второй основной принцип механической теплоты противоречит этому мнению решительным образом... Отсюда вытекает, что состояние Вселенной должно все более и более изменяться в определенном направлении»12.

4. «Демон Максвелла»

С возникновением термодинамики в физике сложилась весьма щекотливая ситуация. Дело в том, что законы ньютоновской классической механики являются обратимыми. Это своим следствием содержит тот факт, что в классической динамической системе всегда можно, варьируя начальные условия, привести систему в определенное, «нужное», заранее выбранное состояние. Иными словами, жесткая детерминированность законов классической физики, отсутствие в ней элементов вероятности, случайности определяют возможность воздействия на систему, управления системой. Наиболее ярким примером подобного детерминированного описания может служить «демон Лапласа».

Второе начало термодинамики указывает на то обстоятельство, что вследствие необратимого характера протекания процессов в термодинамических системах, они не могут быть управляемыми до конца. И. Пригожин и И. Стенгерс очень образно выразили этот факт словами: «Необратимое увеличение энтропии описывает приближение системы к состоянию, неодолимо «притягивающему» ее, предпочитаемому ею перед другими, -- состоянию, из которого система не выйдет по «доброй воле».

Однако II начало термодинамики справедливо для системы с большой совокупностью частиц. На это обстоятельство особенно обращал внимание Максвелл, говоря о том, что в системах с малым количеством объектов следствием статистических законов должно стать нарушение второго начала термодинамики. И если бы существовало такое существо («демон Максвелла»), которое обладало бы способностью видеть, следить за каждой молекулой, отбирать отдельные молекулы, то оно могло бы нарушить закон возрастания энтропии. Так, если бы это существо отбирало бы самые быстрые молекулы и перекладывало бы их во второй сосуд, то в первом сосуде газ охлаждался бы, а во втором нагревался. Так что с помощью демона Максвелла можно было бы нагревать газ во втором сосуде без расхода энергии, просто за счет умелого разделения молекул газа на две части. С точки зрения классической механики, если рассматривать молекулы в качестве материальных точек, здесь не возникает никакого парадокса. Сам Максвелл считал, что если в макроскопической теории следует оперировать усредненными величинами и статистическими закономерностями, что отличает это описание от описания, принятого в классической механике, то для микропроцессов такого различения не требуется: здесь механические явления тождественны по своей сути.

Разрешение парадокса с демоном Максвелла было дано Сциллардом в 1928 году. Демон, для того, чтобы осуществлять наблюдение за молекулами, должен иметь размеры, ненамного превышающие размеры самих молекул. Но при этом те молекулы (небольшое количество их, составляющих самого демона) все время сами будут пребывать в хаотическом движении. Чтобы исключить хаотическое движение самого демона, надо все время поддерживать его при очень низкой температуре. Вот и получается, что для подавления собственного хаотического движения демона, его собственных флуктуации требуется не меньше энергии, чем демон мог бы раздобывать, неутомимо работая по разделению быстрых (горячих) молекул и медленных (холодных).

5. Проблема тепловой смерти Вселенной

Дальнейшее развитие принципа необратимости, принципа возрастания энтропии состояло в распространении этого принципа на бесконечную Вселенную в целом. Уильям Томсон экстраполировал принцип возрастания энтропии на крупномасштабные процессы, протекающие в природе. Клаузиус распространил этот принцип на Вселенную в целом, что привело его к гипотезе о тепловой смерти Вселенной. Все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим; это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, будущее вырисовывается перед нами в достаточно трагических тонах: исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной. Отсюда Клаузиус делает вывод о том, что: «1. Энергия мира постоянна. 2. Энтропия мира стремится к максимуму».

Экстраполяционный вывод о грядущей тепловой смерти Вселенной, означающий прекращение каких-либо физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией, на протяжении всего дальнейшего развития привлекает внимание ученых, так как затрагивает как глубинные проблемы чисто научного характера, так и философско-мировоззренческие, ибо указывает определенную верхнюю границу возможности существования человечества. С научной точки зрения возникают проблемы правомерности следующих экстраполяции, высказанных Клаузиусом:

Вселенная рассматривается как замкнутая система.

Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.

Для мира как целого состояние с максимальной энтропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.

Проблемы эти представляют несомненную трудность и для современной физической теории. Решение их следует искать в общей теории относительности и развивающейся на ее основе современной космологии. Многие теоретики считают, что в общей теории относительности мир как целое должен рассматриваться «не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статистического равновесия».

Проблему будущего развития Вселенной пытался разрешить Больцман, применивший к замкнутой Вселенной понятие флуктуации Под флуктуацией физической величины понимается отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы. Больцман принял ограничение Максвелла, согласно которому для небольшого числа частиц II начало термодинамики не должно применяться, ибо в случае небольшого числа молекул нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом он использует это ограничение для Вселенной, рассматривая видимую часть Вселенной как небольшую область бесконечной Вселенной. Для такой небольшой области допустимы флуктуационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной в направлении к хаосу. Идея эволюции, результатом которой явились бы самоорганизация материи, возникновение огромной палитры многообразных красок физической реальности, неотразимо влекла Больцмана. Больцман назвал XIX век, век величайших открытий в области физики, веком Дарвина, подчеркивая особое значение эволюционной теории Дарвина. Если эволюционная теория Дарвина -- это путь от спонтанных флуктуации видов, после чего наступает отбор и необратимая биологическая эволюция в сторону возникновения и возрастания сложности, то в физике, согласно II началу термодинамики, картина обратная: необратимость приводит к забыванию начальных условий и разрушению порядка. Со времен Дарвина идея эволюции и самоорганизации целиком относилась к живым организмам. Больцман поставил своей целью не просто описывать состояние равновесия, но и создать теорию эволюции системы к равновесию. При этом он пытался соединить II начало термодинамики с динамикой, вывести «необратимость» из динамики. Флуктуационная гипотеза Больцмана как раз является развитием этих его целеустремлений. Как отмечают авторы: «Его мечтой было стать Дарвином эволюции материи». При формулировании флуктуационной гипотезы Больцман исходил из допущения, что бесконечная Вселенная уже достигла состояния термодинамического равновесия. Но вследствие статистического характера принципа возрастания энтропии для небольших областей этой бесконечной Вселенной возможны макроскопические отклонения от состояния равновесия -- флуктуации. «Имеется выбор между двумя представлениями, -- пишет Больцман. -- Можно предположить, что вся Вселенная сейчас находится в некотором весьма невероятном состоянии. Но можно мыслить зоны -- промежутки времени, по истечении которых снова наступают невероятные события, -- такими, же крошечными по сравнению с продолжительностью существования Вселенной, как расстояние от Земли до Сириуса ничтожно по сравнению с ее размерами.

Тогда во всей Вселенной (которая в противном случае повсюду находилась бы в тепловом равновесии, т. е. была бы мертвой) имеются относительно небольшие участки (мы будем называть их отдельными мирами), которые в течение относительно небольших по сравнению с эоном промежутков времени значительно отклоняются от теплового равновесия, а именно: среди этих миров одинаково часто встречаются состояния, вероятности которых возрастают и уменьшаются. Таким образом, для Вселенной в целом два направления времени являются неразличимыми, так как в пространстве нет верха и низа. Но точно так же, как мы в некотором определенном месте земной поверхности называем «низом» направление к центру Земли, так и живое существо, которое находится в определенной временной фазе одного из таких отдельных миров, назовет направление времени, ведущее к более невероятным состояниям, по-другому, чем противоположное (первое -- как направление к «прошлому», к началу, последнее -- к «будущему», к концу), и вследствие этого названия будет обнаруживать «начало» для этих малых областей, выделенных из Вселенной, всегда в некотором невероятном состоянии.

Этот метод представляется мне единственным, с помощью которого можно осмыслить второе начало, тепловую смерть каждого отдельного мира без того, чтобы предполагать одностороннее изменение всей Вселенной от некоторого определенного начального состояния к некоторому итоговому конечному состоянию».

К сожалению, мечта Больцмана не сбылась в полной мере, ему не удалось найти ключ к объединению динамики и II начала термодинамики, а предлагаемая флуктуационная модель эволюции Вселенной имела всего лишь характер гипотезы ad hoc и при этом очень большое число оппонентов.

Скептическое отношение многих ученых к атомистической теории Больцмана (сам он был убежден в том, что отстаиваемое им учение об атомах завоюет признание через много десятков лет), трудности с определением роли II начала термодинамики в системе естествознания, возможно) И ряд других причин привели этого замечательного ученого к трагическому концу. В 1906 году он покончил самоубийством.

6. Синергетика. Рождение порядка из хаоса

Наш век вносит свои коррективы в проблемы самооргаации сложных систем и формирует новое междисциплинарное направление -- синергетику, в рамках которой мы и попытаемся рассмотреть эволюцию Вселенной.

Изучение хаоса играло немаловажную роль на протяжении всей истории развития человеческой мысли. С хаосом связывались представления о гибельном беспорядке, о неразличимой пучине, зияющей бездне. Собственно, такое представление является наиболее распространенным и в обыденной жизни. Тем не менее, идея первичного хаоса, из которого потом все родилось, также достаточно распространена в древних мифах, в восточной философии, в учениях древних греков. И в ведийских «Ригведах», и в учении Платона мы встречаемся с мыслью о превращении изначального Хаоса в Космос, о возникновении из него «жизнедеятельного». Эти представления очень созвучны современному развитию естествознания. Начиная с 70-х годов прошлого века бурно развивается направление, называемое «синергетикой», в фокусе внимания которого оказываются сложные системы с самоорганизующимися процессами, системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии ко все возрастающей сложности.

Синергетика в переводе с греческого языка означает «содружество, коллективное поведение». Термин этот впервые был введен Хакеном. Как новационное направление в науке, синергетика возникла, в первую очередь, благодаря выдающимся достижениям И. Пригожина в области неравновесной термодинамики. Им было показано, что в неравновесных открытых системах возможны эффекты, приводящие не к возрастанию энтропии и стремлению термодинамических систем к состоянию равновесного хаоса, а к «самопроизвольному» возникновению упорядоченных структур, к рождению порядка из хаоса.

Процессы, протекающие в различных явлениях природы, следует разделять на два класса. К первому классу относятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Они развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния в системах. Ко второму классу относятся процессы, протекающие в открытых системах. В соответствующие моменты -- моменты неустойчивости -- в них могут возникать малые возмущения, флуктуации, способные разрастаться в макроструктуры. Таким образом, хаос и случайности в нем могут выступать в качестве активного начала, приводящего к развитию новых самоорганизаций. Таким образом, флуктуационная гипотеза Больцмана на современном витке развития науки получает в некотором смысле «оправдание» и «право на жизнь». Одним из важнейших результатов, полученных Пригожиным, его школой и последователями, является новый подход к анализу сложных явлений. Во-первых, самоорганизация в сложных системах свидетельствует о невозможности установления жесткого контроля за системой. То есть самоорганизующейся системе нельзя навязать путь развития. Управление такой системой может рассматриваться лишь как способствование собственным тенденциям развития системы, с учетом присущих ей элементов саморегуляции. Во-вторых, для самоорганизующихся систем существует несколько различных путей развития. В равновесном или слаборавновесном состоянии в системе существует только одно стационарное состояние, которое зависит от некоторых управляющих параметров.

Начиная с этого момента на дальнейший ход эволюции системы могут оказывать воздействия даже ничтожно малые флуктуации, которые в равновесом состоянии системы попросту неразличимы. Поэтому невозможно точно предсказать, какой путь эволюции выберет система за порогом бифуркации. Следует отметить высокий темп идей и открытий при описании синергетических явлений во всех отраслях науки. Важное значение синергетики состоит в том, что она указывает границы применимости II начала термодинамики и, более того, делает его элементом более широкой теории необратимых процессов, в которой предполагается естественное описание с единой точки зрения обоих классов явлений природы.

Список литературы

1. Чанышев А.Н. Курс лекций по древней философии. М., 2008.

2 Азерников В.З. Неслучайные случайности. Рассказы о великих открытиях и выдающихся ученых. М., 2006.

3. Бернал Дж. Наука в истории общества. М., 2007.

4. Юкава X. Лекции по физике. М., 2006.

5. Александров Г.Ф. Концепции современного естествознания. М., 2007.

6. Кудрявцев П.С. Современное естествознание. Курс лекций. М., 2007.