Начала современного естествознания. Концепции и принципы

Ньютону также принадлежит честь (вместе с немецким математиком Готфридом Лейбницем) создания великолепной математической теории -- дифференциального и интегрального исчислений, лежащих в основании классического естествознания. Эта математическая теория стала одной из самых «используемых» теорий всеми учеными, работающими не только в области естествознания, но и в технических и в социально-экономических науках.

В XVIII-XIX веках знаменитыми математиками -- швейцарцем (проработавшим большую часть своей жизни в России, а потому признаваемым как русский ученый) Леонардо Эйлером, французами Луи Лагранжем (1736-1813 гг.), Пьером Симоном Лапласом (1749-1827 гг.) и ирландцем Уильямом Роаном Гамильтоном (1805-1865 гг.), механике Ньютона были приданы изящные, математически строгие формы. Этих форм две, и их принято называть лагранжева и гамилътонова формы (часто это также характеризуют словами лагранжев и гамильтонов формализм). Они, эти великие математики, в этом нет никакого сомнения, завершили построение здания под названием классическая механика.

Теперь можно сформулировать основные научные положения механистической ньютоново-картезианской парадигмы или механистической картины мира, которые составляют, вместе с тем, основные принципы и закономерности классического механистического естествознания:

- мир состоит из массивных (материальных) объектов конечных объемов (размеров), видимые контуры которых являются их физическими границами;

- эти объекты движутся в пустом трехмерном евклидовом пространстве, евклидовыми также являются линии (траектории) их движения -- прямые, окружности, эллипсы, параболы, спирали и другие линии;

- время -- четвертая координата пространственно-временного континуума, независимая от пространственных координат;

- три закона динамики Ньютона управляют движениями (траекториями) материальных (наделенных массой или масссивных) объектов, заполняющих пространственно-временной континуум;

- поле тяготения (гравитация) распространяется в пространственно-временном континууме с бесконечной скоростью и никак не затрагивает течения времени;

- линейный характер ньютоновой динамики означает, что интенсивность следствия в мире механических явлений прямо пропорциональна интенсивности причины (так называемый лапласовский детерминизм).

Указанные фундаментальные положения классического формализма могут быть дополнены следующими эвристическими (методологическими) выводами:

1. Природных возможностей человеческого разума вполне достаточно для того, чтобы понять (выразить) мир механических явлений в понятиях и теориях.

2. Изучение мира механических явлений и процессов не оказывает существенного влияния на их течение.

3. Теоретический расчет движения реальных массивных объектов можно сделать сколь угодно точно, задавая экспериментальные так называемые начальные условия в какой-либо точке пространственно-временного континуума (начальные значения пространственных координат и скорости объекта в какой-либо его точке).

4. Уравнения динамики обратимы во времени, т. е. для них безразлично, куда развивается процесс из настоящего времени -- в будущее или прошлое.

5. Точный численный расчет движений массивных объектов позволяет эффективно изменять и преобразовывать его по своему усмотрению.

Итак, именно эти перечисленные выше концептуальные положения и выводы, именуемые как ньютоново-картезианская (Картезий -- латинизированное имя Декарта) парадигма, являются методологической основой классического механистического и физического естествознания. Вместе с лапласовским детерминизмом ньютоново-картезианская парадигма создала основу классического естествознаний и всей классической науки, господствующих в мышлении людей с XVIII века, а во многих случаях, и до сих пор, хотя время их уже давно прошло.

Ключевые слова классического механистического этапа науки: абсолютное пространство, абсолютное время, масса, инерция, динамические законы Ньютона, лапласовский детерминизм, лагранжев формализм, гамилътонов формализм, объективность, абсолютная предсказуемость событий будущего.

Резюме

1. Классическая механика дала четкие ориентиры в понимании фундаментальных категорий -- пространства, времени и движения материи.

2. Законы классической механики с большой точностью (но все же приближенно) отражают истинные законы природы. До сих пор с помощью законов, сформулированных И. Ньютоном, производится, например, расчет траекторий искусственных спутников Земли. Пределы применимости классических законов механики устанавливаются в другой теории, возникшей в XX веке -- в специальной теории относительности Эйнштейна.

3. Формирование классической физики, начатое в XVII веке работами Галилея, завершилось в XIX веке созданием Дж. Максвеллом теории электромагнитного поля, положившему начало в XX веке новому этапу в науке -- неклассическому.

Невообразимо широк спектр использования этой теории в науке, технике, быту.

3.4 Энергия, теплота, закон сохранения энергии и первое начало (принцип) термодинамики

Создание классической физики, начатое и осуществленное Галилеем и Ньютоном в XVII-XVIII веках, получило логическое завершение только в конце XIX века. Параллельно с развитием механики, в XVIII веке разрабатываются представления о тепле. Так, один из разделов в тепле -- термометрия, получил развитие в начале XVIII века благодаря работам Реомюра, Цельсия, Фаренгейта.

Открытие закона сохранения энергии связывают с именами нескольких ученых, а именно, считают, что Р. Майер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц, Э. Ленц сформулировали закон сохранения и превращения энергии. Открытию закона сохранения и превращения энергии способствовали экспериментальные и теоретические работы в области тепловых процессов, физиологии и самой физики, что, в конечном итоге, привело к созданию науки, получившей название термодинамика. Одной из таких великих работ является труд французского физика и инженера Сади Карно (1796-1832 гг.) «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Работа Карно и явилась началом термодинамики, предложенный им термодинамический способ решения задач используется и в современной физике. В своей работе Карно практически дал формулировку закона сохранения энергии, используя понятие тепло: «Тепло не что иное, как движущая сила, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тела.» Движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается и не уничтожается.»». С этого момента времени тепло, теплота, тепловая энергия становятся предметом пристального внимания и изучения учеными многих специальностей -- физиков, химиков, врачей и т. д.

Физиология того времени также отказывается от таинственных жизненных сил и пытается описать жизненные процессы естественным образом. В 1840 г. петербургский академик Герман Гесс формулирует положение о сохранении количества теплоты, выделяющейся при химических реакциях независимо от способов перехода, если только физическое состояние веществ не изменяется. Это положение означало, что химики уже практически подошли к открытию закона сохранения энергии.

К середине XIX века наука стояла на пороге открытия закона сохранения энергии. Английский физик Джеймс Джоуль (1818-1889) в 1841 г., а российский академик физик и электротехник Эмилий Ленц (1804-1865 гг.) в 1842 г., изучая тепловое действие электрического тока, открывают независимо друг от друга закон о количестве выделяющегося тепла, который получил впоследствии имя Джоуля-Ленца. Более того, хотя Ленц не сформулировал, как таковой, закон сохранения энергии, он неявно этот закон использовал в своих исследованиях. В 1845 г. немецкий врач и ученый Роберт Майер (1814-1878 гг.) написал работу, в которой подробно исследовал различные виды сил (энергий): механическую силу, силу падения (не до конца осознавая, что она является некоторым видом потенциальной энергии), теплоту, электричество, химическую силу. Он составил таблицу всех рассмотренных сил и описал 25 случаев перехода одной формы движения (силы, энергии) в другую, анализируя их на основе закона сохранения. (Кстати, Р. Майер высказал фундаментальную гипотезу о том, что основным источником энергии на Земле является Солнце. С его точки зрения, любое растение является химической лабораторией, в которой происходит преобразование солнечной энергии в химическую. Это явление, получившее название фотосинтеза, было успешно изучено российским ученым Климентием Тимирязевым).

В 1851 г. Майер пишет работу «Замечания о механическом эквиваленте теплоты», в которой, в частности, защищает свой приоритет перед Джоулем в открытии закона сохранения и превращения энергии. Дело в том, что Джоуль, параллельно с Р. Майером и выдающимся немецким ученым-энциклопедистом Германом Гельмгольцем, работал над законом сохранения энергии в экспериментальном плане. Многочисленные опыты Джоуля показали, что механическая энергия превращается в теплоту, и определили механический эквивалент теплоты. Из работ Джоуля следовало, что теплота не является веществом, что она состоит в движении частиц. И в этом месте повествования об энергии поставим простой, даже примитивный вопрос: Что это такое -- энергия? Такого же простого ответа дать невозможно.

Энергия существует во всевозможных формах. Есть энергия, связанная с движением (кинетическая энергия); энергия, связанная с гравитационным взаимодействием (энергия тяготения); тепловая, электрическая и световая энергии; энергия упругости в пружинах, химическая энергия, ядерная энергия и, наконец, энергия, которой обладает частица (всякое тело) в силу своего существования -эта энергия пропорциональна массе и рассчитывается по знаменитой формуле Эйнштейна Е = тс2 (формула возникла в механике специальной теории относительности Эйнштейна, см п. 4.1).

Итак, существует много видов энергии, и ученые выяснили достаточное количество информации об их взаимосвязи. Например, сейчас мы знаем, что тепловая энергия тела это есть, по сути, кинетическая энергия хаотического движения частиц в теле. Упругая энергия и химическая энергия имеют одинаковое происхождение - электромагнитное взаимодействие между атомами и молекулами. Очевидно, с каждым из четырех видов фундаментальных взаимодействий (гравитационным, электромагнитным, слабым и сильным) можно связать соответствующую энергию, но, вероятно, энергетические соотношения являются даже более универсальными, чем взаимодействия. Эйнштейн считал, что гравитация порождается энергией, в силу того, что энергия эквивалентна массе, а масса ответственна за гравитацию (будет изложено в пп. 4.1 и 4.4). Более того, сильное (оно же ядерное) взаимодействие имеет обменный характер, и, опосредованно, через массы виртуальных частиц, энергия «проникает» и в сильное взаимодействие. Поразительно другое: мы знаем множество разных видов энергии, очевидно, много еще не знаем, но абсолютно уверены в том, что эта величина (энергия) при различных процессах и превращениях в точности сохраняется.

Сравним закон сохранения энергии с законом сохранения электрического заряда. Закон сохранения заряда -- наиболее простой и наиболее понятный закон сохранения. Дело в том, что в природе существует минимально возможный (дискретный, квантованный, если угодно) заряд, он равен заряду электрона. Поэтому, если в некоторой системе до взаимодействия был известен суммарный заряд (т. е. число этих минимальных «кирпичиков» заряда), то в процессе взаимодействия сохранение заряда системы просто означает неизменность числа этих «кирпичиков». Для энергии таких «кирпичиков» не существует, но, тем не менее, мы уверены, что во всех мыслимых и немыслимых процессах энергия сохраняется.

Интересный пример использования закона сохранения энергии, даже правильней будет сказать, пример мощи закона сохранения энергии, демонстрирует реакция распада нейтрона на протон, электрон и нейтрино. Сначала думали, что нейтрон превращается в протон и электрон. Но когда измерили энергию всех частиц, оказалось, что энергия протона и электрона меньше энергии нейтрона. Даже великий Нильс Бор засомневался тогда в точном выполнении закона сохранения энергии и предположил, что этот закон сохранения выполняется только в среднем, статистически. Но оказалось правильным другое объяснение. Энергии не совпадают потому, что при реакциях возникает еще какая-то частица (позднее она была названа великим итальянским физиком Энрико Ферми нейтрино), которая и уносит с собой часть энергии. Предположение это высказал австрийский физик Вольфганг Паули и тем самым «спас» закон сохранения энергии.

Вот что говорил о законе сохранения энергии выдающийся американский физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман: «Сохранение энергии -- несколько более сложный вопрос: хотя и здесь у нас есть число, которое не меняется со временем, число это не соответствует никакому определенному предмету...».

В самом начале этого параграфа мы сказали, что закон сохранения энергии связан с однородностью времени. Рассмотрим подробнее связь законов сохранения с симметрией пространства-времени. Простейший пример симметрии пространства -- симметрия относительно параллельного переноса, сдвига, трансляции. Интересное свойство природы заключается в том, что какое-либо явление, протекающее в определенной точке пространства, будет происходить точно так же в другой точке пространства, куда мы переместим все атрибуты параллельным сдвигом. В частности, из неизменности физических законов при параллельных сдвигах в пространстве следует закон сохранения импульса системы.

Закон сохранения энергии следует из неизменности физических законов при параллельных сдвигах во времени (общее математическое доказательство существования ряда законов сохранения в механике было дано в 1918 г. выдающейся немкой Эмми Нетер). Опыт, проведенный сто лет назад и сейчас, при абсолютно точном повторении условий тогдашнего опыта, должен был бы дать абсолютно одинаковый результат, в этом и заключается симметричность физических законов относительно временных сдвигов. Но нужно помнить, что и сто лет, и тысяча лет - это малая доля времени на фоне космологического времени, отсчитываемого от так называемого Большого Взрыва (от момента возникновения Вселенной, см. п. 4.4 и главу 5). Может быть, симметрия относительно временных сдвигов нарушается, если сдвиги эти были бы большими (например, была бы возможность сравнить идентичные опыты с интервалом времени в 1 млрд. лет, но тогда и человека-то просто еще не было), или если бы эти сдвиги наблюдались бы вблизи «большого взрыва». Оба варианта не осуществимы для проверки, поэтому говорить о нарушениях закона сохранения энергии в связи с неоднородностью времени мы не можем.

Итак, всеобщим законом природы является закон сохранения энергии. Его называют еще первым началом термодинамики. Этот закон подтвержден бесчисленными наблюдениями и опытами как напрямую, так и через разнообразные его следствия.

Виды энергии многообразны. В механике мы знаем два вида энергии -- кинетическую и потенциальную. Кинетическая -- это энергия движения, потенциальная -- энергия положения. В более широком смысле потенциальной называют и энергию состояния. Например, физическая смесь водорода и кислорода обладает потенциальной химической энергией (когда они образуют в результате реакции новое химическое соединение -- воду), в сжатой пружине содержится потенциальная упругая энергия и т. д.

Для дальнейшего рассмотрения возможностей образования структур из природных элементов (элементарных частиц, атомов, молекул, планет, звезд, галактик и т. д.), будет существенно понятие об энергии связи в какой-либо механической или физической системе. Ей называют величину, на которую, например, уменьшится энергия системы Земля + метеорит после падения метеорита (Тунгусского или Сихотэ-Алинского), из-за выделившегося тепла, механического разрушения горных пород и тела метеорита и т. д. С энергией связи мы сталкиваемся постоянно, изучая природу. Так, в недрах Солнца, как полагает современная астрофизика и физика термоядерного синтеза, осуществляется (если говорить упрощенно) слияние ядер атомов водорода с образованием ядер гелия и выделением огромной энергии связи в виде кинетической энергии продуктов термоядерной реакции, которая рассеивается в окружающей среде в виде тепла и излучения. В автомобильном двигателе водород и углерод бензина связываются с кислородом -- выделяется и превращается в тепло опять энергия связи (в данном случае -- химической).

Чем прочнее связь, тем больше выделяется энергии при ее образовании и тем больше, соответственно, потребуется затратить энергии, чтобы эту связь снова разорвать. Образование любых структур всегда связано с выделением и рассеянием энергии связи, то есть всегда связано с диссипацией (рассеянием), общим понижением качества энергии.

Кстати, прежде чем образоваться углерод-кислородным и водород-кислородным связям при сжигании топлива, должны быть разорваны связи между углеродными и водородными атомами в углеводородах бензина, а также между атомами кислорода в его молекуле, на что нужно затрачивать энергию. Но межатомные углеродные и водородные связи в молекулах топлива и связи в молекуле кислорода намного слабее кислородных связей в продуктах сгорания, и затраты гораздо меньше выигрыша. Энергия, затрачиваемая на разрыв связей в компонентах горючей смеси (и на сближение освободившихся атомов с атомами кислорода), называется энергией активации и черпается из теплового движения молекул. Поджигание смеси искрой -- это сообщение молекулам необходимой первоначальной энергии активации. Дальше горение поддерживается уже за счет тепла, выделяемого в его процессе. Если бы не необходимость в энергии активации, вещества, способные связываться с выделением энергии (например, органика в земной кислородной атмосфере), вообще не могли бы существовать в соседстве друг с другом.

В урановых ядерных реакторах, с помощью которых уже сейчас производят примерно 15% электроэнергии в мире, источником энергии служит деление ядер урана. Но, тем не менее, выделяется опять-таки энергия связи: во фрагментах разделившегося ядра урана нуклоны связаны прочнее, чем в исходном ядре, и разница энергий связи и переходит в кинетическую энергию продуктов деления, а затем в тепло.

Водород -- основной элемент Вселенной, и синтез гелия из него -- основной, первичный, источник энергии для всех наблюдаемых нами процессов. Все наши земные горючие ископаемые и кислород атмосферы -- это продукт воздействия на Землю энергии Солнца, которая обусловлена синтезом гелия из водорода. Излучение Солнца разрывает химические связи и запускает сложные цепочки реакций, которые приводят к накоплению потенциальной химической энергии их продуктов.

Резюме

Энергия -- физическая характеристика, введенная когда-то учеными, определяет потенциальную возможность системы совершить механическую работу. Это понятие оказалось, наверное, одним из самых важных потому, что все процессы как в живой, так и в неживой природе невозможно описать без этого понятия. Без энергии невозможно существование жизни. Вопрос, связанный с механизмами использования и добычи энергии, относится к энергетике. В процессе жизнедеятельности, в том числе, и при решении энергетических проблем, человечество столкнулось с вопросами несовместимости человеческих потребностей и природных возможностей. Это сложнейшая экологическая проблема современности!

Вопросы для обсуждения

1) Энергия -- важнейшая физическая характеристика.

Виды энергии -- механическая, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная.

2) Закон сохранения энергии и однородность времени.

3) Проблемы энергетики.

Существующие в настоящее время источники энергии: химическая энергия сгорания топлива (газ, нефть, уголь); механическая энергия воды и ветра (гидроэлектростанции и ветровые электростанции); солнечная энергия излучения (солнечные батареи); ядерная энергия (АЭС); в будущем: термоядерная энергия синтеза («горячий» и «холодный» ядерный синтез).

4) Проблемы экологии, связанные с энергетикой.

3.5 Понятие качества энергии, энтропия, второе начало (принцип) термодинамики и принцип минимума производства энтропии

В приведенных выше примерах, во всех реакциях, высвобождающих энергию связи, эта энергия переходит в конечном итоге в теплоту (и отчасти в излучение -- в ту его часть, которая уходит в космическое пространство, где она тоже имеет шанс превратиться-таки в тепло). Так что же такое теплота? Теплота -- это, по существу, то же, что и кинетическая энергия, но это энергия неупорядоченного, хаотического движения частиц (молекул газа, например). Из наблюдений известно, что переход всех видов энергии в тепло -- это наиболее распространенный процесс и в природе и в технике. Так, например, трение присутствует везде, и оно превращает упорядоченное движение тел в хаотическое движение составляющих их молекул, нагревая трущиеся поверхности. При работе любых электрических машин, при передаче электрической энергии по проводам часть ее всегда превращается в тепло.

Тепло образуется в большинстве процессов неравномерно, окружающие нас тела нагреты по-разному. Количественная мера степени нагретости тела, которая пропорциональна средней величине кинетической энергии составляющих его молекул, называется температурой. Из определения ясно, что эта температура (которую называют еще термодинамической температурой и измеряют во внесистемных единицах -- Кельвинах) не может быть отрицательной и ее минимальное значение -- 0. В классическом приближении, без учета квантовых эффектов (см. п. 4.3), существенных при низких и сверхнизких температурах, она соответствует нулевой кинетической энергии беспорядочного движения молекул, и в реальных процессах, последовательными приближениями, достигнута быть не может.

При контакте тел с разной температурой происходит переток тепла от горячего тела к холодному до полного выравнивания температур. При этом, хотя полный запас энергии сохраняется, качество ее понижается. Известно еще со времен Карно, что, имея горячий нагреватель и холодильник, можно построить такую машину, которая позволит часть избыточной (по сравнению с холодильником) тепловой энергии нагревателя перевести в полезную работу, причем эта часть тем меньше, чем меньше разность температур. После выравнивания температур этого сделать уже нельзя. Качество энергии становится ниже. Различие температур разных тел -- это тоже элемент упорядоченности, выравнивание температур эту упорядоченность уничтожает.

Переход потенциальной и кинетической энергии упорядоченного движения или расположения в тепло, а затем выравнивание температур -- это переход системы из состояния менее вероятного в состояние более вероятное. Такие процессы протекают самопроизвольно при отсутствии внешних воздействий на систему.

Вот эту направленность всех самопроизвольно протекающих процессов в сторону увеличения вероятности состояния системы и понижения качества энергии -- их необратимость -- и называют иногда вторым началом термодинамики. Второе начало термодинамики в различных формулировках было дано еще до появления понятия энтропии, о котором будет сказано ниже. Формулировки второго начала (для краткости опуская слово «термодинамики» здесь и в дальнейшем, как это принято в физической литературе) относились первоначально к изолированным системам.

Так, немецкий физик, один из основателей термодинамики, Рудольф Клаузиус (1822-1888 гг.), утверждал, что «теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому». Его английский коллега Уильям Томсон (барон Кельвин) сформулировал принцип Карно и дал такое толкование второго начала: «невозможно существование такой тепловой машины, которая производила бы путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания теплоты суши и моря». (Дополнительные уточнения формулировок и сути второго начала термодинамики сделаем после введения понятия энтропия.)

Обратные процессы, переводящие систему из более вероятного состояния в менее вероятное, самопроизвольно не протекают. Такие процессы могут быть возможны только при определенном, специфически организованном подводе энергии из какого-либо внешнего источника. С такими процессами человек познакомился с изобретением паровой машины -- первой машины, для преобразования хаотического движения в организованное -- именно, тепла в работу. Как уже упоминалось, Карно доказал, что такое преобразование не может быть полным -- часть тепловой энергии обязательно должна быть диссияирована, рассеяна (отдана холодильнику). Отсюда следует еще такой кельвинский вариант формулировки второго начала термодинамики: невозможен процесс, единственным результатом которого было бы поглощение теплоты от нагревателя и полное преобразование этой теплоты в работу.

Итак, второе начало термодинамики позволяет разделить все процессы на естественные -- переход работы в тепло, самопроизвольный переток тепла от горячего тела к холодному -- и на противоестественные.

Далее мы рассмотрим достаточно сложные в естествознании понятия энтропии, энтальпии, негэнтропии, свободной энергии, характеризующие тепловые или термодинамические процессы, процессы обмена энергией, веществом в больших природных системах, отнеся вопросы энергетики в живых системах в раздел о концепциях и принципах биологического естествознания, (глава 9). Знание таких понятий и процессов необходимы для понимания явлений химического и биологического типов, характеризующихся, практически на всех стадиях своего развития, самоорганизацией и эволюцией. В некоторых случаях мы будем употреблять для иллюстрации формулы, которые нет необходимости запоминать.

Понятие энтропии (от греч. еп -- в, внутри + trope -- поворот, превращение) как меры внутренней неупорядоченности системы было введено Клаузиусом следующим образом:

где приращение энтропии системы связано с увеличением количества тепла получаемого системой, а сам переход системы из одного состояния в другое происходит обратимым образом, Т -- температура системы.

Любой самопроизвольно протекающий в замкнутой изолированной системе процесс должен увеличивать эту величину. Рассмотрим, например, как будет меняться эта величина при выравнивании температур в неравномерно нагретом теле. При этом процессе некоторое количество тепла перейдет от горячей части к холодной -- одна часть теряет (рассеивает), а другая приобретает одно и то же количество тепла. Энергия системы не изменится, но горячая часть системы потеряет тепло при большей температуре Т1, чем холодная при температуре Т2 ее приобретет, и, значит, потеря энтропии горячей частью будет меньшей, чем ее увеличение в холодной -- энтропия всей системы возрастет:

Энтропия кажется, и не без оснований, весьма загадочной и непривычной характеристикой состояния термодинамической системы, но на самом деле она несколько иная характеристика системы, чем энергия, и столь же полноправная. Если энергия -- это мера некоторой потенциальной возможности системы совершить полезную работу, то есть упорядоченное действие, то энтропия -- это мера качества энергии, то есть реальной способности ее произвести работу без привлечения внешнего воздействия. Энтропия возрастает при рассеянии энергии, при возрастании неупорядоченности системы, при возрастании хаоса.

Статистическое определение энтропии было дано впервые австрийским физиком Людвигом Больцманом (1844-1906 гг.). Он связал энтропию системы с вероятностью макроскопического состояния системы

,

где k -- так называемая постоянная Больцмана, равная отношению универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро NA. Величина W представляет собой число способов, которыми можно осуществить (создать, организовать) данную систему, и эта величина определяет вероятность реального ее осуществления (организации). Любая упорядоченность, возникающая в системе, ограничивает число ее возможных конфигураций, уменьшает вероятность ее существования в таком виде и энтропию. Перемешивание, пространственное выравнивание концентраций увеличивает число вариантов взаиморасположений конкретных молекул, обеспечивающих данную конфигурацию, а увеличение температуры или выравнивание ее увеличивает число вариантов распределения энергии между частицами системы (молекулами), обеспечивающих данную среднюю энергию.

Обратимся теперь, кратко, к понятиям замкнутых систем (которые могут обмениваться с окружающей средой энергией, но не веществом) и открытых систем (могут обмениваться и энергией и веществом), чтобы завершить формулирование еще некоторых понятий термодинамики.

Для замкнутых систем, находящихся в условиях постоянства температуры и объема, закон возрастания энтропии переходит в закон уменьшения свободной энергии F Гельмгольца, которая определяется равной следующей величине F = E--TS, где Е -- полная энергия.

В случае же постоянных температур и давления, закон возрастания энтропии переходит в закон убывания свободной энергии Гиббса Ф: Ф = Н--TS, где Н -- так называемая энтальпия (от греч. enthalpo -- нагреваю), функция независимых переменных -- давления и энтропии, однозначно определяющая состояние физической системы. Энтальпия иначе также называется термодинамическим потенциалом.

Для открытых систем переходят к локальной формулировке второго начала термодинамики. Тогда общее изменение энтропии открытой системы DS представляют в виде суммы двух слагаемых:

,

где -- изменение энтропии, обусловленное внутренними (internal) процессами в системе; -- изменение энтропии системы, обусловленное внешними (external) причинами -- контактом со средой. Скорость изменения энтропии отнесенная к единице объема системы, называется производством энтропии s.

Локальная формулировка второго начала утверждает, что производство энтропии всегда положительно. На более сильном утверждении о минимуме производства энтропии, Илья Пригожин основал теорию диссипативных структур, одну из современных теорий самоорганизации, наряду с синергетикой, теорией катастроф, автопоэзиса, теорией сложности и др.

Эрвин Шредингер, один из основателей квантовой механики и квантового естествознания, занявшийся впоследствии проблемой жизни, установил, что живые организмы отдают энтропию внешней среде, т. е. тем самым поддерживают свой гомеостаз за счет поглощения отрицательной энтропии -- негэнтропии, как ее назвал французский физик Леон Бриллюэн.

Второе начало термодинамики как утверждение в формулировке Клаузиуса -- необратимые процессы в изолированных системах всегда идут с возрастанием энтропии -- сообщает нам о том, что все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутой (изолированной) системе ведут к увеличению беспорядка, к возрастанию хаоса и к снижению качества энергии. То есть самопроизвольно протекающие процессы ведут к разрушению всех структур и затуханию всех процессов (которые тоже можно трактовать как «структуры», но не в пространстве, а во времени).

Поскольку Вселенную в целом мы должны рассматривать как изолированную систему (по отношении к ней нет никакой «внешней среды»), то наш мир должен непрерывно деградировать. Наблюдения говорят, что так и происходит: основные источники высокотемпературной (достаточно высокого качества) тепловой энергии непрерывно ее рассеивают и, в конце-концов, остывают, то есть выравнивают свою температуру с температурой межгалактической среды (которая равна в настоящее время приблизительно 2,73 К -- это температура так называемого реликтового излучения (см. главу 6)). Если бы Вселенная существовала вечно, она давно уже была бы мертвой. Однако она жива, и даже более того, мы видим, что сложность ее все увеличивается, во всяком случае, сложность увеличивается в нашей маленькой области ее -- на нашей планете Земля.

В свое время Клаузиус высказал идею о неизбежной тепловой смерти Вселенной, чем весьма шокировал своих современников. А раз у Вселенной неизбежен конец, значит, должно было быть и начало. Против этого тогда восстали материалисты, ибо они не могли представить себе начало иначе, как в виде акта божественного творения, причем творения Вселенной сразу такой, какая она есть сейчас, точнее, даже более сложной, дифференцированной (ведь по Клаузиусу, все может только выравниваться и упрощаться). Поэтому они говорили уклончиво: второе начало термодинамики, конечно, верно в нашей части Вселенной, где температуры выравниваются, а энергия рассеивается, но, очевидно, во всей бесконечной Вселенной это не так.

Сейчас мы знаем, что начало нашего мира, Вселенной, точнее, Метагалактики, по-видимому, действительно было, пусть достаточно загадочное (гипотеза Большого взрыва), но вполне материалистическое, и об этом будет рассказано в главе 6.

Понятие энтропии используется также в разрешении проблемы жизни, в которой оперируют ее отрицательными величинами, так называемой негэнтропией, в теории информации, в которой она характеризует меру неопределенности ситуации, в теориях самоорганизации, таких как синергетика, диссипативные структуры и др.

Резюме и вопросы для обсуждения

1) Формулировка понятий энтропии и второго начала термодинамики в середине XIX века привела к двум проблемам, вошедшим в число центральных для всей науки и нерешенных в полном объеме до сих пор.

2) Первая проблема, практически незатронутая в этом пункте, -- это проблема обратимости во времени уравнений механики, вступающей в противоречие для неравновесных систем с временной необратимостью происходящих в них процессов.

3) Вторая проблема связана с противоречием между вторым началом и прогрессивной эволюцией в сторону упорядочения, усложнения.

4) Эта проблема искусственна и возникла, скорее всего, из-за непонимания природы энтропии во всей ее глубине. Оказалось, что энтропия не может служить мерой сложности и что эволюция в сторону усложнения вообще не противоречит эволюции в сторону возрастания энтропии. Полуторавековое обсуждение этой проблемы способствовало более глубокому осмыслению понятия энтропия.

5) И последнее обсуждение этой проблемы в свое время стимулировало создание синергетики, поднявшей теорию самоорганизации на новый уровень.

4. Концепции и принципы неклассического - полевого, квантового и квантово-полевого физического естествознания