Второй закон (начало) термодинамики говорит о том, что внутренняя энергия тепла (теплота) не может самостоятельно переходить от менее нагретого объекта к более нагретому объекту.

В результате Второго закона термодинамики любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к самому вероятному состоянию равновесия - к состоянию с наибольшей энтропией (величина характеризующая степень неупорядоченности и теплового состояния физической системы). Этот закон впервые был описан Сади Карно в 1824 году. Как следствие этого, уже в 1852 году Уильям Кельвин предложил гипотезу о грядущей в будущем “тепловой смерти Земли“ в ходе процесса остывания нашей планеты до безжизненного состояния. В 1865 году Рудольф Клаузиус распространил эту гипотезу уже на всю Вселенную.

В 1872 году австрийский физик Людвиг Больцман попытался количественно оценить энтропию с помощью формулы S = k * ln W (где, S - энтропия, k - константа Больцмана, W - количество микросостояний, реализующих макросостояние. Микросостояние - это состояние отдельной составляющей системы, а макросостояние - состояние системы в целом.

Ещё большим свидетельством справедливости гипотезы стало открытие – теплового излучения Вселенной, возникшего во время рекомбинации (соединения протонов и электронов в атомы) первичного водорода, которое случилось через 379 тысяч лет. Процесс рекомбинации происходит при температурах в 3 тысячи Кельвинов, в то же время текущая температура реликтового излучения, определенная по его максимуму составляет только 2.7 Кельвинов. Изучение реликтового излучения показало, что оно является изотропным (однородным) для любого направления на небе на уровне в 99.999%.

Астрономические наблюдения позволяют построить т.н. диаграмму Мадо («Madau-diagram»), которая показывает зависимость темпа звездообразования в зависимости от .

Изучение статистики квазаров (ядер активных галактик) позволяет независимо оценить темп звездообразования. Обзор 2DF, проведенный в 1997-2002 году на австралийском телескопе ААТ изучил около 10 тысяч квазаров на площади неба в 1.5 тысяч квадратных градусов в областях обоих галактических полюсов.

Другим доказательством верности теории будущей “тепловой смерти Вселенной“ стали исследования ядерной физики, которые показали, что энергия связи нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре растет по мере увеличения их числа в ядре большинства химических элементов.

Следствием этой зависимости стало то, что термоядерные реакции слияния с участием более легких химических элементов (к примеру, водорода и гелия) приводят к выделению значительно большего количества энергии в недрах звезд, чем термоядерные реакции с участием более тяжелых химических элементов. Кроме того теоретические исследования в конце 20 века предположили, что и не являются вечными, а постепенно испаряются под действием (гипотетическое излучение черных дыр, которое преимущественно состоит из фотонов).

Аргументы против гипотезы “тепловой смерти“ Вселенной

Сомнения в справедливости гипотезы неизбежной “тепловой смерти Вселенной” в будущем можно разделить на несколько моментов (см. иллюстрацию теории Большого разрыва Вселенной).

Существует неопределенность в прогнозировании будущих изменений объема нашей Вселенной. Существует как теория Большого разрыва Вселенной (ускоренного расширения Вселенной до бесконечности), так и теория Большого сжатия Вселенной (в будущем Вселенная начнет сжиматься). Неопределенность между этими вариантами вызвана недавними открытиями загадочной темной материи и энергии.

Существует неопределенностью в вопросе количества существующих Вселенных, и возможности связи между ними. С одной стороны фотометрический парадокс (парадокс Шезо - Ольберса) темного неба говорит о конечности размера и возраста нашей Вселенной, а так же об отсутствии её связи с другими Вселенными.

С другой стороны из принципа заурядности (принципа Коперника) следует, что наша Вселенная не уникальна, и должно существовать бесконечное множество других Вселенных с другим набором физических констант. Кроме того современная физика допускает существование пространственно-временных туннелей (кротовых нор) между разными Вселенными.

При охлаждении обычного вещества (переходе его в твердое состояние) его энтропия не увеличивается, а наоборот уменьшается:

Ключевыми моментами теории “тепловой смерти” Вселенной является возможность распада протона и существование “излучения Хокинга“, но эти гипотетические явления пока не доказаны экспериментально.

Существует большая неопределенность в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной. В вопросе влияния неразумных жизненных форм на энтропию Вселенной мало сомнений, что жизнь уменьшает энтропию. В качестве доказательств этого можно привести факты более сложной природы живых организмов по сравнению с любыми неорганическими химическими веществами. Поверхность нашей планеты за счет биосферы выглядит куда более разнообразной по сравнению с “мертвой“ поверхностью , или . Кроме того простейшие живые организмы замечены в деятельности по обогащению земной атмосферы кислородом (биогенный кислород), а так же генерированию богатых месторождений полезных ископаемых (биогенез).

В то же время остаётся без ответа вопрос о том, увеличивает или уменьшает энтропию Вселенной разумная жизнь (то есть человек)? С одной стороны человеческий мозг является наиболее сложной формой из известных среди живых организмов, как и то, что научно-технический прогресс позволил людям достичь невиданных высот в познании и конструирование, в том числе в синтезировании химических элементов и элементарных частиц, которых не наблюдается в природе. Современная человеческая цивилизация способна предотвращать крупные природные катастрофы (лесные пожары, наводнения, массовые эпидемии и т.д.) и в шаге от возможности предотвращения катастроф планетарного масштаба (падения небольших астероидов и комет).

С другой стороны человеческая цивилизация выделяется и “энтропийными“ тенденциями. Растет разрушительная мощь оружейных арсеналов вместе с увеличением числа опасных химических и ядерных производств, горная промышленность всего за десятилетия способна опустошить месторождения полезных ископаемых, которые накапливались на планете многие сотни миллионов лет. Развитие сельского хозяйства привело к обезлесению большей части поверхности нашей планеты, а так же способствует деградации почв и опутыванию. Браконьерство, выбросы парниковых газов (возможное окисление океана) и т.д. быстро сокращают биоразнобразие нашей планеты, в связи, с чем экологи причисляют нынешнее время к новому массовому вымиранию. Кроме того в последние десятилетия отмечено сильное снижение рождаемости и в наиболее развитых странах, не исключено что эта демографическая ситуация стала следствием запредельного усложнения быта человеческой цивилизации.

В связи со всеми этими тенденциями, ближайшее будущее человеческой цивилизации представляет собой огромное количество возможных вариантов: начиная от эпической картины космической колонизации всей галактики вместе со строительством сфер Дайсона, расцветом искусственного интеллекта и установлением контакта с внеземными цивилизациями вплоть до отката в вечное средневековье на планете с подорванными минеральными и биологическими ресурсами. Парадокс Ферми (Великое молчание Вселенной) добавляет ещё больше неопределенности в вопросе влияния жизни и разума на динамику энтропии Вселенной, так как существует огромный диапазон для его объяснения: от огромной редкости биосфер и разумных цивилизаций во Вселенной до гипотезы, что наша Земля представляет собой некий “заповедник“ или “матрицу“ в мире разумных сверхцивилизаций.

Современное представление о “тепловой смерти“ Вселенной

В настоящее время физики рассматривают следующую последовательность эволюции Вселенной в будущем при условии её дальнейшего расширения с текущей скоростью:

• 1-100 триллионов (1012) лет – завершение процессов образования звезд во Вселенной и угасание даже самых поздних красных карликов. После этого момента во Вселенной останутся только звездные остатки: черные дыры, нейтронные звезды и белые карлики.
• 1 квадратиллионов (1015) лет – все планеты покинут свои орбиты вокруг звезд в связи с гравитационными возмущениями от близких пролетов других звезд.
• 10-100 квинтиллионов (1018) лет – все планеты, коричневые карлики и звездные остатки покинут свои галактики по причине постоянных гравитационных возмущений друг от друга.
• 100 квинтиллионов (1018) лет – приблизительное время падения Земли на Солнце по причине излучения гравитационных волн, в случае если бы Земля пережила стадию красного гиганта и осталась бы на своей орбите.
• 2 анвигинтиллиона (1066) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой с Солнце.
• 17 септдециллиардов (10105) лет – приблизительное время полного испарения черной дыры массой в 10 триллионов масс Солнца. Это время окончания эпохи черных дыр.

В дальнейшем будущее Вселенной распадается на два возможных варианта в зависимости от того является ли протон стабильной элементарной частицей или нет:

• А) Протон является нестабильной элементарной частицей;
• А1) 10 дециллионов (1033) лет – наименьшее возможное время полураспада протона согласно экспериментам ядерных физиков на Земле;
• А2) 2 ундециллиона (1036) лет – наименьшее возможное время распада всех протонов во Вселенной;
• А3) 100 додециллионов (1039) лет – наибольшее возможное время полураспада протона, которое следует из гипотезы, что Большой взрыв объясняется инфляционными космологическими теориями, и что распад протона вызван тем же процессом, который ответственен за преобладание барионов над антибарионами в ранней Вселенной;
• А4) 30 тредециллионов (1041) лет – максимальное возможное время распада всех барионов во Вселенной. После этого времени должна начаться эпоха черных дыр, так как они останутся единственными существующими небесными объектами во Вселенной;
• А5) 17 септдециллиардов (10105) лет – примерное время полного испарения даже наиболее массивных черных дыр. Это время окончания эпохи черных дыр, и наступления эпохи вечной тьмы, в которой все объекты Вселенной распались до субатомных частиц и замедлились до наименьшего энергетического уровня.

Б) Протон стабильная элементарная частица;

Б1) 100 вигинтиллионов (1063) лет – время, за которое все тела в твердой форме даже при абсолютном нуле превратятся в “жидкообразное” состоянии, вызванное эффектом квантового туннелирования – миграцией в другие части кристаллической решетки;

Б2) 101500 лет – появление гипотетических железных звезд по причине процессов холодного нуклеосинтеза, идущего путём квантового туннелирования, в ходе которого легкие ядра преобразуются в наиболее стабильный изотоп – Fe56 (по другим сведениям самым стабильным изотопом является никель-62, который обладает наиболее высокой энергией связи.). Одновременно тяжелые ядра также превращаются в железо по причине радиоактивного распада;

Б3) 10 в 1026 – 10 в 1076 лет – оценка диапазона времени в течение которого все вещество во Вселенной аккрецирует в черные дыры.

Эпоха черных дыр

И в заключение можно отметить предположение, что после 10 в 10120 лет все вещество во Вселенной достигнет минимального энергетического состояния. То есть это и будет гипотетическое наступление “тепловой смерти“ Вселенной. Кроме того у математиков существует понятие времени возврата Пуанкаре.

Это понятие означает вероятность того, что рано или поздно любая часть системы вернется в свое первоначальное состояние. Хорошей иллюстрацией этого понятия является вариант, когда в сосуде, разделенном на две части перегородкой, в одной из частей находится некий газ. Если убрать перегородку, то все равно рано или поздно наступит время, когда все молекулы газа окажутся в исходной половине сосуда. Для нашей Вселенной время возврата Пуанкаре оценивается фантастически большой величиной.

Теория “тепловой смерти“ Вселенной стала популярна и в массовой культуре. Хорошей иллюстрацией этой теории стал клип группы Комплексные числа: “Неизбежность”, а так же научно-фантастический рассказ Айзека Азимова “Последний вопрос”.

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

(ЕСЛИ КОГО-ТО ИЗ ЧИТАТЕЛЕЙ ЗАИНТЕРЕСУЕТ ЭТОТ ТЕКСТ, А ТАБЛИЦ И ФОРМУЛ БУДЕТ НЕ ХВАТАТЬ - ПИШИТЕ МНЕ НА ПОЧТУ - ВЫШЛЮ РАБОТУ В ЦЕЛОМ СО СНОСКАМИ, РИСУНКАМИ И ТАБЛИЦАМИ)
Введение
Тепловая смерть Вселенной (Т.С.В.) - это вывод о том, что все виды энергии во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы.
Этот вывод был сформулирован Р. Клаузиусом (1865) на основе второго начала термодинамики. Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами (для Вселенной в целом такой обмен, очевидно, исключен), стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию - к так называемому состоянию с максимумом энтропии.
Такое состояние соответствовало бы Т.С.В. Ещё до создания современной космологии были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о Т.С.В. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцмана (1872), согласно которой Вселенная извечно пребывает в равновесном изотермическом состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения.
Современной космологией установлено, что ошибочен не только вывод о Т.С.В., но ошибочны и ранние попытки его опровержения. Связано это с тем, что не принимались во внимание существенные физические факторы и прежде всего тяготение. С учётом тяготения однородное изотермическое распределение вещества вовсе не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии.
Наблюдения показывают, что Вселенная резко нестационарна. Она расширяется, и почти однородное в начале расширения вещество в дальнейшем под действием сил тяготения распадается на отдельные объекты, образуются скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и не требуют нарушения законов термодинамики. Они и в будущем с учётом тяготения не приведут к однородному изотермическому состоянию Вселенной - к Т.С.В. Вселенная всегда нестатична и непрерывно эволюционирует.
Термодинамический парадокс в космологии, сформулированный во второй половине ХIХ века, непрерывно будоражит с тех пор научное сообщество. Дело в том, что он затронул наиболее глубинные структуры научной картины мира. Хотя многочисленные попытки разрешения этого парадокса приводили всегда лишь к частным успехам, они порождали новые, нетривиальные физические идеи, модели, теории. Термодинамический парадокс выступает неиссякаемым источником новых научных знаний. Вместе с тем, его становление в науке оказалось опутанным множеством предубеждений и совершенно неверных интерпретаций.
Необходим новый взгляд на эту, казалось бы, довольно хорошо изученную проблему, которая приобретает нетрадиционный смысл в позднеклассической науке.
1. Идея Тепловой смерти Вселенной
1.1 Появление идеи Т.С.В.
Угроза тепловой смерти Вселенной, как мы уже говорили ранее, была высказана в середине ХIХ в. Томсоном и Клаузиусом, когда был сформулирован закон возрастания энтропии в необратимых процессах. Тепловая смерть - это такое состояние вещества и энергии во Вселенной, когда исчезли градиенты параметров, их характеризующих» .
Развитие принципа необратимости, принципа возрастания энтропии состояло в распространении этого принципа на Вселенную в целом, что и было сделано Клаузиусом.
Итак, согласно второму началу все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, а это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, в будущем ожидается исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. Вывод Клаузиуса был следующим:
1. Энергия мира постоянна
2. Энтропия мира стремится к максимуму.
Таким образом, тепловая смерть Вселенной означает полное прекращение всех физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией.
Больцман, открывший связь энтропии S и статистического веса P, считал, что нынешнее неоднородное состояние Вселенной есть грандиозная флуктуация*, хотя ее возникновение имеет ничтожно малую вероятность. Современники Больцмана не признавали его взглядов, что привело к жестокой критике его работ и, по-видимому, привело к болезненному состоянию и самоубийству Больцмана в 1906 г.
Обратившись к исходным формулировкам идеи тепловой смерти Вселенной, можно видеть, что они далеко не во всем соответствуют их хорошо известным интерпретациям, сквозь призму которых эти формулировки нами обычно воспринимаются. Принято говорить о теории тепловой смерти или термодинамическом парадоксе В. Томсона и Р. Клаузиуса.
Но, во-первых, соответствующие мысли этих авторов далеко не во всем совпадают, во-вторых, в приводимых ниже высказываниях ни теории, ни парадокса не содержится.
В. Томсон, анализируя проявляющуюся в природе общую тенденцию к рассеянию механической энергии, не распространял ее на мир как целое. Он экстраполировал принцип возрастания энтропии лишь на протекающие в природе крупномасштабные процессы.
Напротив, Клаузиус предложил экстраполяцию этого принципа именно на Вселенную как целое, выступавшую для него всеобъемлющей физической системой. По словам Клаузиуса «общее состояние Вселенной должно все больше и все больше изменяться» в направлении, определяемом принципом возрастания энтропии и, следовательно, это состояние должно непрерывно приближаться к некоторому предельному состоянию Флуктуации и проблема физических границ 2-го Начала термодинамики. Пожалуй, впервые термодинамический аспект в космологии обозначил еще Ньютон. Именно он подметил эффект «трения» в часовом механизме Вселенной – тенденцию, которую в середине XIX в. назвали ростом энтропии. В духе своего времени Ньютон призвал на помощь Господа Бога. Он и был приставлен сэром Исааком к слежению за подзаводом и ремонтом этих «часов».
В рамках космологии термодинамический парадокс был осознан в середине XIX в. Дискуссия о парадоксе породила ряд блестящих идей широкого научного значения («шредингерово» объяснение Л. Больцманом «антиэнтропийности» жизни; введение им флуктуаций в термодинамику, фундаментальные следствия чего в физике не исчерпаны до сих пор; его же грандиозная космологическая флуктуационная гипотеза, за концептуальные рамки которой физика в проблеме «тепловой смерти» Вселенной так еще и не вышла; глубокая и новаторская, но тем не менее исторически ограниченная флуктуационная трактовка Второго Начала.
1.2 Взгляд на Т.С.В. из ХХ века
Современное состояние науки также не согласуется с предположением о тепловой смерти Вселенной.
Прежде всего, этот вывод имеет отношение к изолированной системе и не ясно, почему Вселенную можно относить к таким системам.
Во Вселенной действует поле тяготения, которое не принималось Больцманом во внимание, а оно ответственно за появление Звезд и Галактик: силы тяготения могут привести к образованию структуры из хаоса, могут породить Звезды из Космической пыли.
Интересно дальнейшее развитие термодинамики и с ней на идею о Т.С.В.. На протяжении XIX века были сформулированы основные положения (начала) термодинамики изолированных систем. В первой половине XX века термодинамика развивалась в основном не вглубь, а вширь, возникали различные ее разделы: техническая, химическая, физическая, биологическая и т. д. термодинамики. Только в сороковых годах появились работы по термодинамике открытых систем вблизи точки равновесия, а в восьмидесятых годах возникла синергетика. Последнюю можно трактовать как термодинамику открытых систем вдали от точки равновесия.
Итак, современное естествознание отвергает концепцию «тепловой смерти» применительно к Вселенной в целом. Дело в том, что Клаузиус прибегнул в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям:
1.Вселенная рассматривается как замкнутая система.
2.Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.
Для мира как целого состояния с максимальной энтропией это имеет смысл, как и для любой конечной системы.
Но сама по себе правомочность этих экстраполяций весьма сомнительна, хотя связанные с ними проблемы представляют трудность и для современной физической науки.
2. Закон возрастания энтропии
2.1 Вывод закона возрастания энтропии
Применим неравенство Клаузиуса для описания необратимого кругового термодинамического процесса, изображенного на рис 1.
Рис. 1.
Необратимый круговой термодинамический процесс
Пусть процесс будет необратимым, а процесс - обратимым. Тогда неравенство Клаузиуса для этого случая примет вид(1)
Так как процесс является обратимым, для него можно воспользоваться соотношением, которое дает
Подстановка этой формулы в неравенство (1) позволяет получить выражение(2)
Сравнение выражений (1) и (2) позволяет записать следующее неравенство(3)в котором знак равенства имеет место в случае, если процесс является обратимым, а знак больше, если процесс - необратимый.
Неравенство (3) может быть также записано и в дифференциальной форме(4)
Если рассмотреть адиабатически изолированную термодинамическую систему, для которой, то выражение (4) примет вид или в интегральной форме.
Полученные неравенства выражают собой закон возрастания энтропии, который можно сформулировать следующим образом:
2.2 Возможность энтропии во Вселенной
В адиабтически изолированной термодинамической системе энтропия не может убывать: она или сохраняется, если в системе происходят только обратимые процессы, или возрастает, если в системе протекает хотя бы один необратимый процесс.
Записанное утверждение является ещё одной формулировкой второго начала термодинамики.
Таким образом, изолированная термодинамическая система стремится к максимальному значению энтропии, при котором наступает состояние термодинамического равновесия.
Необходимо отметить, что если система не является изолированной, то в ней возможно уменьшение энтропии. Примером такой системы может служить, например, обычный холодильник, внутри которого возможно уменьшение энтропии. Но для таких открытых систем это локальное понижение энтропии всегда компенсируется возрастанием энтропии в окружающей среде, которое превосходит локальное ее уменьшение.
С законом возрастания энтропии непосредственно связан парадокс, сформулированный в 1852 году Томсоном (лордом Кельвином) и названый им гипотезой тепловой смерти Вселенной. Подробный анализ этой гипотезы был выполнен Клаузиусом, который считал правомерным распространение на всю Вселенную закона возрастания энтропии. Действительно, если рассмотреть Вселенную как адиабатически изолированную термодинамическую систему, то, учитывая ее бесконечный возраст, на основании закона возрастания энтропии можно сделать вывод о достижении ею максимума энтропии, то есть состояния термодинамического равновесия. Но в реально окружающей нас Вселенной этого не наблюдается.
3. Тепловая смерть Вселенной в научной картине Мира
3.1 Термодинамический парадокс
Термодинамический парадокс в космологии, сформулированный во второй половине ХIХ века, непрерывно будоражит с тех пор научное сообщество. Дело в том, что он затронул наиболее глубинные структуры научной картины мира.
Хотя многочисленные попытки разрешения этого парадокса приводили всегда лишь к частным успехам, они порождали новые, нетривиальные физические идеи, модели, теории. Термодинамический парадокс выступает неиссякаемым источником новых научных знаний. Вместе с тем, его становление в науке оказалось опутанным множеством предубеждений и совершенно неверных интерпретаций. Необходим новый взгляд на эту, казалось бы, довольно хорошо изученную проблему, которая приобретает нетрадиционный смысл в постнеклассической науке.
Постнеклассическая наука, прежде всего, теория самоорганизации, проблему направленности термодинамических процессов в природе решает существенно иначе, чем наука классическая или неклассическая; это находит выражение в современной научной картине мира (НКМ).
Как же на самом деле появился термодинамический парадокс в космологии? Нетрудно убедиться, что он был фактически сформулирован оппонентами Томсона и Клаузиуса, которые увидели противоречие между идеей тепловой смерти Вселенной и коренными положениями материализма о бесконечности мира в пространстве и времени. Формулировки термодинамического парадокса, которые мы встречаем у различных авторов, на редкость схожи, практически полностью совпадают. «Если бы учение об энтропии, было правильным, то предполагаемому им «концу» мира должно было бы соответствовать и «начало», минимум энтропии», когда температурное различие между обособленными частями Вселенной было бы наибольшим.
В чем же состоит эпистемологическая природа рассматриваемого парадокса? Все цитированные авторы, по сути, приписывают ему философско-мировоззренческий характер. Но фактически здесь смешиваются два уровня знания, которые с нашей современной точки зрения следует различать. Исходным было все-таки возникновение термодинамического парадокса на уровне НКМ, на котором Клаузиус и осуществлял свою экстраполяцию возрастания принципа энтропии на Вселенную. Парадокс выступал как противоречие между выводом Клаузиуса и принципом бесконечности мира во времени, согласно космологии Ньютона. На том же уровне знания возникли и другие космологические парадоксы – фотометрический и гравитационный, причем их эпистемологическая природа была очень сходной.
«В самом деле, тепловая смерть Вселенной, даже если бы она произошла в каком-то отдаленном будущем, пусть даже через миллиарды или десятки миллиардов лет, все равно ограничивает «шкалу времени» человеческого прогресса» .
3.2 Термодинамический парадокс в релятивистских космологических моделях
Новый этап анализа термодинамического парадокса в космологии связан уже с неклассической наукой. Он охватывает 30 – 60-е годы ХХ века. Наиболее специфическая его черта – переход к разработке термодинамики Вселенной в концептуальных рамках теории А.А. Фридмана. Обсуждались как модернизированные варианты принципа Клаузиуса, так и новая модель Толмена, в которой возможна необратимая эволюция Вселенной без достижения максимума энтропии. Модель Толмена в конечном счете получила перевес в признании научного сообщества, хотя и не дает ответа на некоторые «трудные» вопросы. Но параллельно развивался также квазиклассический «антиэнтропийный подход», единственная цель которого состояла в том, чтобы любой ценой опровергнуть принцип Клаузиуса, а исходной абстракцией был образ бесконечной и «вечно юной», как выражался Циолковский, Вселенной. На основе этого подхода был разработан ряд, так сказать, «гибридных» схем и моделей, для которых было характерно довольно искусственное сочетание не только старых и новых идей в области термодинамики Вселенной, но также оснований классической и неклассической науки.
«В 30 – 40-е годы наибольшим влиянием среди сторонников релятивистской космологии продолжала пользоваться идея тепловой смерти Вселенной. Энергичными сторонниками принципа Клаузиуса выступали, например, А. Эддингтон и Дж. Джинс, неоднократно высказывавшиеся по поводу как физического смысла этой проблемы, так и ее «человеческого измерения». Вывод Клаузиуса был ими транслирован в неклассическую картину мира и в некоторых отношениях адаптирован к ней» .
Изменился прежде всего объект экстраполяции – Вселенная как целое.
Большой резонанс (и многократное цитирование) вызвала в 50-е годы сейчас почти забытая дискуссия по проблемам термодинамики Вселенной между К.П. Станюковичем и И.Р. Плоткиным. Обе они рассматривают статистико-термодинамические свойства модели Вселенной, сходной с Вселенной Больцмана, т.е. совпадают в отношении исследуемого объекта. Кроме того, оба считали, что проблемы термодинамики Вселенной могут анализироваться и независимо от ОТО, которая не вложила в закон возрастания энтропии нового содержания.
Но наряду с изложенными попытками „преодоления” гипотезы Больцмана разрабатывались и модернизированные варианты самой этой гипотезы. Наиболее известный из них принадлежит Я.П. Терлецкому.
Гибридные схемы» и модели решения термодинамического парадокса в космологии вызвали в 50-е – 60-е годы довольно значительный интерес – преимущественно в нашей стране. Они обсуждались на одном из совещаний по вопросам космогонии (Москва, 1957 г.), на симпозиумах по философских проблемам теории относительности Эйнштейна и релятивистской космологии (Киев, 1964, 1966 гг.) и др., но в дальнейшем ссылки на них становились все более редкими. Это произошло в немалой степени благодаря сдвигам в решении этого круга проблем, достигнутым релятивистской космологией и нелинейной термодинамикой.
3.3 Термодинамический парадокс в космологии и постнеклассическая картина мира
Качественно новые черты начала приобретать разработка проблемы термодинамики Вселенной на протяжении 80-х годов. Наряду с исследованием Вселенной в рамках неклассических оснований в этой области сейчас развивается и подход, который соответствует признакам «постнеклассической» науки.
Например, синергетика, в частности, теория диссипативных структур позволяет глубже, чем было возможно в неклассической науке, понять специфику нашей Вселенной как самоорганизующейся, саморазвивающейся системы.
Постнеклассическая наука позволяет внести ряд новых моментов в анализ проблем термодинамики Вселенной как целого. Но этот вопрос обсуждался пока лишь в самых общих чертах. Постнеклассическая наука позволяет внести ряд новых моментов в анализ проблем термодинамики Вселенной как целого. Но этот вопрос обсуждался пока лишь в самых общих чертах.
Основную цель подхода, основанного на статистической теории неравновесных процессов, И. Пригожин выразил так: «...мы отходим от замкнутой Вселенной, в которой все задано, к новой Вселенной, открытой флуктуациям, способной рождать новое» . Попытаемся понять это высказывание в контексте анализа тех космологических альтернатив, которые были выдвинуты М.П. Бронштейном.
1.Теория И. Пригожина в сочетании с современным развитием космологии, по-видимому, совместима скорее с пониманием Вселенной, как термодинамически открытой неравновесной системы, возникшей в результате гигантской флуктуации физического вакуума. Таким образом, в этом отношении постнеклассическая наука отходит от традиционной точки зрения, разделявшейся и М.П. Бронштейном. Кроме того, при анализе поведения Вселенной как целого в современной науке следует, по-видимому, отбросить то, что Пригожин назвал «путеводным мифом классической науки» – принцип «неограниченной предсказуемости» будущего. Для нелинейных диссипативных структур это связано с необходимостью учета «ограничений», обусловленных нашим действием на природу».
Наши знания о термодинамике Вселенной как целого, основанные на экстраполяции статистической теории неравновесных систем, также не могут игнорировать прямой или косвенный учет роли наблюдателя.
2.Теория И. Пригожина совершенно по-новому ставит проблему законов и начальных условий в космологии, снимает противоречия между динамикой и термодинамикой. С точки зрения этой теории оказывается, что Вселенная, как считал и М.П. Бронштейн, может подчиняться законам, асимметричным по отношению к прошлому и будущему – что нисколько не противоречит фундаментальности принципа возрастания энтропии, его космологической экстраполируемости.
3.Теория Пригожина – в хорошем соответствии с современной космологией – по-новому оценивает роль и вероятность макроскопических флуктуаций во Вселенной, хотя прежний механизм этих флуктуаций с современной точки зрения иной, чем у Больцмана. Флуктуации перестают быть чем-то исключительным, становятся вполне объективным проявлением спонтанного возникновения нового во Вселенной.
Таким образом, теория Пригожина позволяет довольно непринужденно ответить на вопрос, который вот уже почти полтора века раскалывает научное сообщество и так занимал в свое время К.Э. Циолковского: почему – вопреки принципу Клаузиуса – повсюду во Вселенной мы наблюдаем не процессы монотонной деградации, а напротив, процессы становления, возникновения новых структур. Переход от «физики существующего» к «физике возникающего» произошел во многом за счет синтеза представлений, казавшихся взаимоисключающими в прежних концептуальных рамках.
Идеи Пригожина, ведущие к пересмотру ряда фундаментальных представлений, как и все принципиально новое в науке, встречают неоднозначное отношение к себе – в первую очередь среди физиков. С одной стороны, растет число их сторонников, с другой – говорится о недостаточной корректности и обоснованности выводов Пригожина с точки зрения идеала развитой физической теории. Сами эти идеи интерпретируются иногда не вполне однозначно; в частности, некоторые авторы подчеркивают, что в процессе самоорганизации энтропия системы может уменьшаться. Если такая точка зрения правильна – она означает, что удалось, наконец, сформулировать те крайне специфические условия, о которых писал К.Э. Циолковский, обсуждая возможности существования в природе антиэнтропийных процессов.
Но идеи русского космизма, в том числе и космической философии К.Э. Циолковского, посвященные этим проблемам, находят и более непосредственную разработку в постнеклассической науке.
Например, Н.Н. Моисеев отмечает, что в ходе эволюции Вселенной происходит непрерывное усложнение организации структурных уровней природы, причем этот процесс носит явно направленный характер. Природой как бы запасен определенный набор потенциально возможных (то есть допустимых в рамках ее законов) типов организации и по мере развертывания единого мирового процесса в нем оказывается «задействованным» все большее количество этих структур. Разум и разумная деятельность должны быть включены в общий синтетический анализ процессов эволюции Вселенной.
Разработка идей самоорганизации, в частности, пригожинской теории диссипативных структур, связанная с пересмотром концептуальных оснований термодинамики стимулировала дальнейшее исследование этого уровня знания. Статистическая термодинамика, развитая еще в классической физике, содержит ряд незавершенностей и неясностей, отдельных странностей и парадоксов – несмотря на то, что с фактами у нее как будто «все в порядке». Но, согласно исследованиям Ф.А. Цицина, даже в такой установившейся и явно прошедшей «проверку временем» сфере научного поиска кроется немало неожиданностей.
Сопоставление характерных параметров флуктуаций, введенных еще Л. Больцманом и М. Смолуховским, доказывает существенную неполноту «общепринятой» статистической интерпретации термодинамики. Как ни странно, эта теория построена в пренебрежении флуктуациями! Отсюда следует, что необходимо ее уточнение, т.е. построение теории «следующего приближения».
Более последовательный учет флуктуационных эффектов заставляет признать физически нетождественными понятия «статистического» и «термодинамического» равновесия. Оказывается, далее, справедливым вывод, находящийся в полном противоречии с «общепринятым»: функциональная связь между ростом энтропии и стремлением системы к более вероятному состоянию отсутствует. Не исключены и такие процессы, в которых переход систем в более вероятное состояние может сопровождаться уменьшением энтропии! Учет флуктуаций в проблемах термодинамики Вселенной может привести, тем самым, к обнаружению физических границ принципа возрастания энтропии. Но Ф.А. Цицин не ограничивается в своих выводах основаниями классической и неклассической науки. Он высказывает предположение, что принцип возрастания энтропии неприменим к некоторым типам существенно нелинейных систем. Не исключена заметная «концентрация флуктуаций» в биоструктурах. Возможно даже, что подобные эффекты уже давно фиксируются в биофизике, но их не осознают или неправильно интерпретируют, именно потому, что считают «принципиально невозможными». Подобные явления могут быть известны другим космическим цивилизациям и эффективно использоваться ими, в частности, в процессах космической экспансии.
Заключение
Итак, мы можем отметить, что в постнеклассической науке были сформулированы принципиально новые подходы к анализу принципа Клаузиуса и устранению термодинамического парадокса в космологии. Наиболее значительны перспективы, которых можно ожидать от космологической экстраполяции теории самоорганизации, развитой на основе идей русского космизма.
Необратимые процессы в резко неравновесных, нелинейных системах позволяют, по-видимому, избежать тепловой смерти Вселенной, поскольку она оказывается открытой системой. Продолжаются и поиски теоретических схем «антиэнтропийных» процессов, непосредственно предсказываемых научной картиной мира, основанной на космической философии К.Э. Циолковского; правда, такой подход разделяется лишь немногими естествоиспытателями. Сквозь всю новизну постнеклассических подходов к анализу проблем термодинамики Вселенной «просвечивают», однако, те же самые «темы», которые сформировались еще во второй половине Х1Х века и порождены парадоксом Клаузиуса и дискуссиями вокруг него.
Мы видим таким образом, что принцип Клаузиуса до сих пор является почти неиссякаемым источником новых идей в комплексе физических наук. Тем не менее, несмотря на появление все новых моделей и схем, в которых тепловая смерть отсутствует, никакого «окончательного» разрешения термодинамического парадокса до сих пор не достигнуто. Все попытки разрубить «гордиев узел» проблем, связанных с принципом Клаузиуса, неизменно приводили лишь к частичным, отнюдь не строгим и не окончательным выводам, как правило, достаточно абстрактным. Содержавшиеся в них неясности порождали все новые проблемы и пока нет особой надежды, что успеха удастся достигнуть в обозримом будущем.
Вообще говоря, это – вполне обычный механизм развития научного познания, тем более, что речь идет об одной из наиболее фундаментальных проблем. Но ведь далеко не всякий принцип науки, как и вообще не любой фрагмент НКМ, является столь эвристичным, каким выступает принцип Клаузиуса. Можно назвать несколько причин, объясняющих, с одной стороны, эвристичность этого принципа, который до сих пор не вызывает ничего, кроме раздражения, у догматиков – безразлично, естествоиспытателей или философов, с другой – неудачи его критиков.
Первое – сложности любых противостоящих этому принципу «игр с бесконечностью», каковы бы ни были их концептуальные основания.
Вторая причина – использование неадекватного смысла термина «Вселенная как целое» – все еще обычно понимаемого в значении «всего существующего» или «тотальности всех вещей». Неопределенность этого термина, вполне соответствующая неясностям употребления неэксплицируемых смыслов бесконечности, резко противостоит четкости формулировки самого принципа Клаузиуса. Понятие „Вселенная” в этом принципе не конкретизировано, но именно потому и возможно рассматривать проблему его применимости к различным вселенным, конструируемым средствами теоретической физики и интерпретируемым как „все существующее” лишь с точки зрения данной теории (модели).
И, наконец, третья причина: как сам принцип Клаузиуса, так и попытки разрешения выдвинутого на его основе термодинамического парадокса предвосхитили одну из черт постнеклассической науки _ включенность гуманистических факторов в идеалы и нормы объяснения, а также доказательности знаний. Эмоциональность, с какой на протяжении более сотни лет критиковали принцип Клаузиуса, выдвигали различные его альтернативы, анализировали возможные схемы антиэнтропийных процессов, имеет, пожалуй, мало прецедентов в истории естествознания – и классического, и неклассического. Принцип Клаузиуса явно апеллирует к постнеклассической науке, которая включает „человеческое измерение”. Естественно, в прошлом эта особенность рассматриваемых знаний еще не могла быть по-настоящему осознана. Но сейчас, ретроспективно, некие «зародыши» идеалов и норм постнеклассической науки мы находим в этих старых дискуссиях.
Литература
1.Концепции современного естествознания./ под ред. проф. С.А. Самыгина, 2-е изд. – Ростов н/Д: «Феникс», 1999. – 580 с.
2.Данилец А.В.Естествознание сегодня и завтра - СПб.: Народная библиотека 1993
3.Дубнищева Т.Я.. Концепции современного естествознания. Новосибирск: Изд-во ЮКЭА, 1997. – 340 с.
4.Пригожин И. От существующего к возникающему. М.: Наука, 1985. – 420 с.
5.Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика. – М.: Высшая школа, 1999. – 280 с.
6.Станюкович К.П. К вопросу о термодинамике Вселенной // Там же. С. 219-225.
7.Суорц Кл.Э. Необыкновенная физика обыкновенных явлений. Т.1. - М.: Наука, 1986. – 520 с.
8.О человеческом времени. - «Знание-Сила», № , 2000 г. С.10-16
9.Цицин Ф.А. Понятие вероятности и термодинамика Вселенной // Философские проблемы астрономии ХХ века. М., 1976. С. 456-478.
10.Цицин Ф.А. Термодинамика, Вселенная и флуктуации // Вселенная, астрономия, философия. М., 1988. С. 142-156
11.Цицин Ф.А. [К термодинамике иерархической Вселенной]// Труды 6-го совещания по вопросам космогонии (5-7 июня 1957 г.). М., 1959. С. 225-227.

Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствуетхолодильной машине , когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы . Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной. В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки. Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 3.11.5.

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q2| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q1| нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом . Эффективность βТ теплового насоса может быть определена как отношение

следовательно, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно

«Солнце сделается темным, как власяница, и луна не даст света своего… Силы небесные поколеблются и все стихии угаснут…» Эти слова были произнесены около двух тысяч лет назад, в художественных образах описывая, как будет происходить конец времен или тепловая смерть Вселенной. Но прошло восемнадцать веков, пока исследователи подошли к изучению этой проблемы с научной точки зрения. На самом деле, как только человечество открыло для себя основные этот вопрос рано или поздно должен был возникнуть. Рассуждая логически, если какой-либо природный принцип действует в замкнутой системе, почему бы не предположить, что эта самая тенденция работает применительно ко всему универсуму?

Впервые гипотеза тепловой смерти Вселенной была выдвинута Уильямом Томпсоном в 1852 году, но позже, в 1865 году, ее более подробно сформулировал Р. Клаузиус. Он экстраполировал на космос Согласно этому правилу, всякая замкнутая система стремится к равновесию, когда энергия излучения переходит в тепловую. «Смерть» наступает, когда достигается максимальный уровень энтропии. В этот момент никакого обмена энергией не происходит, поскольку вся она переходит в тепло. А поскольку нет оснований предполагать, что кроме космоса существует еще что-либо, то, делает вывод Клаузиус, нашу Вселенную также можно рассматривать как замкнутую систему, и в ней действует тот же закон.

Естественно, ни Томпсон, ни Клаузиус даже не предполагали, что тепловая смерть Вселенной произойдет в скором времени, однако прогнозы даже очень отдаленного конца света наделали много шума в научном сообществе и породили разнообразные опровержения такой гипотезы. Еще в 1872 году ученый Л. Больцман выдвинул теорию флуктуаций. Согласно ей, наша Вселенная слишком огромна и сложна, чтобы умереть такой простой смертью. Она вечно пребывала и будет пребывать в состоянии изотермического равновесия, однако в разных ее частях постоянно происходят и всегда будут происходить отклонения от этого состояния. То есть такие всплески, выбросы энергии не дадут запуститься механизму перевода всей энергии универсума в тепловую.

Современная наука ни подтвердила, ни опровергла гипотезу о том, что тепловая смерть Вселенной неминуемо наступит. Концепция Большого Взрыва, якобы произошедшего около 14 миллиардов лет тому назад и породившего всё, не доказывает еще, что в космосе действует лишь Нужно также учитывать действие переменного Особого внимания заслуживает теория А. Фридмана: наполненная тяготеющим веществом Вселенная не стационарна, она или расширяется, или сжимается. А если так, все возрастающая энтропия не приводит систему в целом к

Тепловая смерть Вселенной может быть поставлена под вопрос и с позиций общей теории относительности. Мы до сих пор слишком мало знаем о нашем мире, чтобы судить со стопроцентной достоверностью, замкнут ли наш мир и существует ли за его пределами что-то еще. Возможно, на него действуют иные внешние силы и системы? Законы физики, известные нам, не обязательно должны быть применимы в масштабе безграничного космоса, - говорят защитники вечности излучения во Вселенной. Звезды загораются и гаснут, но сама система находится в равновесии, что, однако, не приводит к тепловой смерти всего.

Несмотря на то, что концепция о возможной кончине Вселенной ни подтверждена, ни опровергнута современной наукой, этот вопрос стал волновать не только «физиков», но и «лириков». Особенно черпают вдохновение в возможной гибели всего живого писатели-фантасты. Так, Айзек Азимов предрек в буквальном смысле леденящий конец всякой жизни в своем рассказе «Последний вопрос». Тепловая смерть всей органики легла в основу сюжетов многих японских мультфильмов и аниме-сериалов.

Попытку распространить законы термодинамики на Вселенную в целом предпринял Р.Клаузиус , выдвинувший следующие постулаты.

- Энергия Вселенной всегда постоянна, то есть Вселенная – это замкнутая система.

- Энтропия Вселенной всегда возрастает.

Если мы примем второй постулат, то нам надо признать, что все процессы во Вселенной направлены на достижение состояния термодинамического равновесия, характеризуемого максимумом энтропии, что означает наибольшую степень хаоса, дезорганизации, энергетическое уравновешивание. В этом случае во Вселенной наступает тепловая смерть и никакой полезной работы, никаких новых процессов или образований в ней производиться не будет (не будут светить звезды, образовываться новые звезды и планеты, остановится эволюция вселенной).

С этой мрачной перспективой были не согласны многие ученые, предполагавшие, что наряду с энтропийными процессами во Вселенной должны происходить и антиэнтропийные процессы, которые препятствуют тепловой смерти Вселенной.

Среди таких ученых был и Л.Больцман, который предположил, что для небольшого числа частиц второйзакон термодинамики не должен применяться , ибо в этом случае нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом наша часть Вселенной должна рассматриваться как небольшая часть бесконечной Вселенной. А для такой небольшой области допустимы небольшие флуктуационные (случайные) отклонения от общего равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция нашей части Вселенной в направлении к хаосу. Во Вселенной имеются относительно небольшие участки, порядка нашей звездной системы, которые в течение относительно небольших промежутков времени значительно отклоняются от теплового равновесия. В этих участках имеет место эволюция, то есть развитие, усовершенствование, нарушение симметрии.

В середине ХХ века новая неравновесная термодинамика, или термодинамика открытых систем , или синергетика где место закрытой изолированной системы заняло фундаментальное понятие открытой системы. Основателями этой новой науки было И.Р.Пригожин (1917-2004) и Г.Хакен (1927).

Открытая система – это система, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией или информацией.

Открытая система тоже производит энтропию, как и закрытая, но в отличие от закрытой, эта энтропия не накапливается в открытой системе, а выводится в окружающую среду. Использованная отработанная энергия (энергия низшего качества – тепловая при низкой температуре) рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая энергия (высокого качества, способная переходить из одной формы в другою), способная производить полезную работу.

Возникающие для этих целей материальные структуры, способные рассеивать использованную энергию и поглощать свежую, называются диссипативными . В результате такого взаимодействия система извлекает порядок из окружающей среды, одновременно внося беспорядок в эту среду. С поступлением новой энергии, вещества или информации неравновесность в системе возрастает. Прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяла ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, приводящие к кооперативным процессам, то есть к коллективному поведению элементов. Так схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых системах.

В качестве примера такой системы можно взять работу лазера , с помощью которого получают мощные оптические излучения. Хаотические колебательные движения частиц такого излучения, благодаря поступлению определенной порции энергии извне производят согласованные движения. Частицы излучения начинают колебаться в одинаковой фазе, вследствие чего мощность лазерного излучения много кратно увеличивается, несоизмеримо с количеством подкаченной энергии.

Изучая процессы, происходящие в лазере, немецкий физик Г.Хакен (р.1927) назвал новое направление синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает “совместное действие”, “взаимодействие”.

Еще одним известным примером самоорганизации могут служить химические реакции, которые изучал И.Пригожин. Самоорганизация в этих реакциях связана с поступлением в систему извне веществ, обеспечивающих эти реакции (реагентов), с одной стороны, и выведением в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Внешне такая самоорганизация может проявиться в виде периодически появляющихся концентрических волн или в периодическом изменении цвета реагируемого раствора. Подобную химическую реакцию получил и исследовал известный бельгийский химик русского происхождения И.Р.Пригожин. Свою химическую реакцию Пригожин назвал «Брюсселятор» в честь города Брюсселя, где Пригожин жил и работал, и где была впервые поставлена эта реакция.

Вот как писал об этом сам Пригожин: “Предположим, что у нас имеются молекулы двух сортов: “красные” и “синие”. Из-за хаотического движения молекул можно было бы ожидать, что в какой-то момент в левой части сосуда окажется больше “красных” молекул, а в следующий момент больше станет “синих” молекул и т.д. Цвет смеси с трудом поддается описанию: фиолетовый с беспорядочными переходами в синий и красный. Иную картину мы увидим, разглядывая химические часы: вся реакционная смесь будет иметь синий цвет, затем ее цвет резко изменится на красный, потом снова на синий и т.д. Смена окраски происходит через правильные интервалы времени. Для того чтобы одновременно изменить свой цвет, молекулы должны каким-то образом поддерживать связь между собой. Система должна вести себя как единое целое” (Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986. С.202-203).

Конечно же, никакого «сговора» между молекулами в прямом смысле этого слова нет и быть не могло. Дело в том, что в определенный момент времени все молекулы начинали колебаться в одной фазе – синего цвета, и тогда вся смесь приобретала синий цвет. Через определенный промежуток времени молекулы начинали колебаться в другой фазе – фазе красного цвета, и тогда вся смесь приобретала красный цвет и т.д., пока не заканчивалось действие реагента.

Приведем другой пример. Если взять цирковой прозрачный барабан с синими и красными шариками и начать его вращать с определенной частотой – частотой красного цвета, то мы, как и в случае с молекулами, обнаружим, что все шарики стали красными. Если мы сменим частоту вращения барабана на соответствующую синей длине волны, то увидим, что шарики посинели и т.д.

Наиболее показательным примером самоорганизации могут служить ячейки Бенара . Это маленькие шестигранные структуры, которые могут, к примеру, образоваться в слое масла на сковородке при соответствующем перепаде температур. Как только температурный режим меняется ячейки распадаются.

Таким образом, чтобы самопроизвольно выстроилась новая структура, необходимо задать соответствующие параметры среды.

Управляющие параметры – это параметры среды, которые создают граничные условия, в рамках которых существует данная открытая система (это может быть температурный режим, соответствующая концентрация веществ, частота вращения и т.п.).

Параметры порядка – это «ответ» системы на изменение управляющих параметров (перестройка системы).

Очевидно, что процесс самоорганизации может начаться не в любой системе и не при любых условиях. Рассмотрим условия, при которых может начаться процесс самоорганизации.

Необходимыми условиями для возникновения самоорганизации в различных системах являются следующие:

1. Система должна быть открытой , потому что закрытая система, в конечном счете, должна прийти в состояние максимального беспорядка, хаоса, дезорганизации в соответствии со 2 законом термодинамики;

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точкитермодинамического равновесия . Если система уже находится вблизи от этой точки, то она неизбежно приблизится к ней и, в конце концов, придет в состояние полного хаоса и дезорганизации. Ибо точка термодинамического равновесия является сильным аттрактором;

3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит «возникновение порядка через флуктуации» (И.Пригожин). Флуктуации или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения в начале подавляются и ликвидируются системой. Однако, в открытых системах, благодаря усилению неравновесности, эти отклонения со временем возрастают, усиливаются и, в конце концов, приводят к “расшатыванию” прежнего порядка, к хаотизации системы. В состоянии неустойчивости, нестабильности система будет особенно чувствительна к начальным условиям, чувствительна к флуктуациям. В этот момент какая-то флуктуация прорывается с макроуровня системы на ее микроуровень и осуществляет выбор дальнейшего пути развития системы, дальнейшей ее перестройки. Предсказать, как поведет себя система в состоянии нестабильности, какой выбор будет ей сделан в принципе невозможно. Этот процесс характеризуется как принцип «возникновения порядка через флуктуации». Флуктуации носят случайный характер. Поэтому становится ясным, что появление нового в мире связано с действием случайных факторов.

Например, тоталитарное общество в Советском Союзе являлось прочной социальной структурой. Однако, поступающая из-за рубежа информация о жизни других обществ, торговля (обмен товарами) и т.п. стали вызывать в тоталитарном обществе отклонения в виде свободомыслия, недовольства, диссидентства и т.п. Вначале структура тоталитарного общества была в состоянии подавлять эти флуктуации, но их становилось все больше, и сила их нарастала, что привело к расшатыванию и развалу старой тоталитарной структуры и замене ее новой.

И еще один шуточный пример: Сказка про репку. Посадил дед репку. Выросла репка большая пребольшая. Настало время ее вытаскивать из земли. Дед тащил, тащил репку, но вытащить ее так и не смог. Слишком еще устойчивая система наша репка. Позвал дед на помощь бабку. Тащили они, тащили репку вместе, но вытащить так и не смогли. Флуктуации, расшатывающие репку усиливаются, но их пока еще не достаточно, чтобы разрушить систему (репку). Позвали они внучку, но тоже репку не вытащили. Затем позвали собаку Жучку, и, наконец, позвали мышку. Казалось бы, какое усилие могла сделать мышка, но она явилась «последней каплей», которая привела к качественно новому изменению системы – ее развалу (репка была вытащена из земли). Мышку можно назвать непредсказуемой случайностью, которая сыграла решающую роль, или «малой причиной больших событий»;

4. Возникновение самоорганизации опирается на положительную обратную связь . Согласно принципу положительной обратной связи, изменения, появляющиеся в системе не устраняются, а усиливаются, накапливаются, что приводит, в конце концов, к дестабилизации, расшатыванию старой структуры и замене ее на новую;

5. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушениемсимметрии . Симметрия означает устойчивость, неизменность. Самоорганизация же предполагает асимметрию, то есть развитие, эволюцию;

6. Самоорганизация может начаться лишь в больших системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов (10 10 -10 14 элементов), то есть в системах, имеющих некоторые критические параметры . Для каждой конкретной самоорганизующейся системы эти критические параметры свои.

Лекция № 14. Основные понятия синергетики. Возможностьуправления синергетическими системами.

Взрывные, катастрофические процессы были известны человечеству издавна. Скажем, человек, путешествующий по горам знал, на основе своего эмпирического опыта, что горная лавина может обрушиться внезапно, чуть ли не от дуновения ветра или неудачно сделанного шага.

Революции и катаклизмы часто представляли собой следствия последней капли народного недовольства, последнего случайного события переполнившего чашу весов. Это были типичные малые причины больших событий.

Каждый из нас может вспомнить определенные ситуации выбора, которые стояли на жизненном пути, и в решающие жизненные моменты перед нами открывалось несколько возможностей. Все мы включены в механизмы, где в критический момент, момент перелома решающий выбор определяет случайное событие. Итак, лавинообразные процессы, социальные катаклизмы и потрясения, критические ситуации выбора на жизненном пути каждого человека.. . Можно ли подвести единую научную основу под все эти, казалось бы различные, факты? Последние 30 лет закладывается фундамент такой универсальной научной модели, которая получила название синергетики.

Как мы уже видели, синергетика основана на идеях системности,целостного подхода к миру, нелинейности (то есть много вариантности), необратимости , глубинной взаимосвязи хаоса и порядка . Синергетика дает нам образ сложноорганизованного мира , который является не ставшим, а становящимся, не просто существующим, а непрерывно возникающим . Этот мир развивается по нелинейным законам , он полон неожиданных , непредсказуемых поворотов, связанных с выбором дальнейшего пути развития.

Предметом синергетики являются механизмы самоорганизации . Это механизмы образования и разрушения структур, механизмы, обеспечивающие переход от хаоса к порядку и обратно. Эти механизмы не зависят от конкретной природы элементов систем. Они присущи неживому миру и природе, человеку и социуму. Синергетику поэтому считают междисциплинарным направлением научного исследования.

Синергетика, как и любая другая наука, имеет свой собственный язык, свою систему понятий. Это такие понятия как “аттрактор”, “бифуркация”, “фрактальный объект”, “детерминированный хаос” и другие. Понятия эти должны стать доступными для каждого образованного человека, тем более что им можно найти соответствующие аналоги в науке и культуре.

Основными понятиями синергетики являются понятия «хаоса» и «порядка».

Порядок – это множество элементов любой природы, между которыми существуют устойчивые (регулярные) отношения, повторяющиеся в пространстве и во времени. Например, строй солдат, марширующих на параде.

Хаос – множество элементов, между которыми нет устойчивых повторяющихся отношений. Например, бегущая в панике толпа людей.

Понятие “аттрактор” близко к понятию цели. Это понятие можно раскрыть как целеподобность, как направленность поведения системы, как устойчивое относительно конечное ее состояние. В синергетике под аттрактором понимают относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягиваетк себе всемногообразие траекторий системы , определяемых разными начальными условиями. Если система попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию. Например, независимо от начального положения мяча, он скатится на дно ямы. Состояние покоя мяча на дне ямы – это аттрактор движения мяча.

Аттракторы подразделяются на простые и странные .

Простой аттрактор (аттрактор)- это предельное состояние порядка. Система выстраивает порядок и совершенствует его не до бесконечности, а до уровня, определяемой простым аттрактором.

Странный аттрактор – это предельное состояние хаотизации системы. Система хаотизируется, разваливается тоже не до бесконечности, а до уровня, определяемого странным аттрактором.

Понятие бифуркация в переводе с английского означает вилку с двумя зубцами – befork. Говорят обычно не о самой бифуркации, а о точки бифуркации . Синергетический смысл точкибифуркации таков – это точка ветвлениявозможных путей эволюции системы . Прохождениечерез точки ветвления, совершенный выбор закрывает иные пути и делает тем самымэволюционный процесс необратимым .

Нелинейную систему можно определить как систему, таящую в себе бифуркации.

Очень важным для синергетики является нелинейность . Под нелинейностью понимают:

1. Возможность выбора пути развития системы (подразумевается, что у системы существует не один путь развития, а несколько);

2. Несоизмеримость нашего воздействия на систему и получаемого в ней результата. По пословице «мышь родит гору».

То, что в синергетике называют “бифуркацией ” имеет глубокие аналоги в культуре. Когда сказочный рыцарь стоит, задумавшись у придорожного камня на развилке дорог и выбор пути определит его дальнейшую судьбу, то это и является по существу наглядно-образным представлением бифуркации в жизни человека. Эволюция биологических видов, представленная в виде эволюционного дерева , наглядно иллюстрирует ветвящиеся пути эволюции живой природы.

Материальное единство мира проявляется в абсолютности и вечности материи, ее несотворимости и неуничтожимости. Материальное единство мира выражается в возможности превращения одних форм материи и движения в другие. В середине XIX в. был открыт фундаментальный закон природы - закон сохранения энергии. «Закон сохранения и превращения энергии устанавливает не только то, что при превращениях одних видов энергии в другие остается постоянным ее численное значение, но и то, что каждый вид энергии (электромагнитная, тепловая, механическая) обладает способностью при определенных условиях превращаться в другие ее виды. Он свидетельствует о неуничтожимости движения не только в количественном (непрекращаемость), но и в качественном отношении (безграничная способность каждой формы движения превращаться в другие)» 1 .

Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает следствие о вечном круговороте материи во Вселенной. В самом деле, если в Природе при всех своих изменениях материя, т.е. та реальность, из которой состоит мир, не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы существования в другую, то Вселенная вечна, и материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Вселенная в целом всегда одна и та же - убеждение в этом в XIX в. было почти всеобщим.

Немецкий физик Р. Клаузиус и английский физик В. Томпсон (лорд Кельвин), исходя из второго закона термодинамики, предположили, что «в системе, предоставленной самой себе, рано или поздно происходит выравнивание температур, и тепловая энергия как бы деградирует в качественном отношении. Она теряет способность превращаться в другие формы энергии» . Термодинамика - раздел физики, изучающий природу тепловых процессов и различные превращения тепловой энергии. То, что тепловая энергия, как и другие виды энергии, не исчезает при своих превращениях и не возникает из ничего, есть частное выражение общего закона сохранения энергии. В такой формулировке он называется первым законом термодинамики. Второй же закон термодинамики говорит не о количестве энергии, а о ее качестве или, точнее, об обесценивании энергии.

«Распространение действия второго начала термодинамики на всю Вселенную ведет к выводу, что со временем все виды энергии перейдут в тепловую, а последняя в силу выравнивания температур потеряет способность превращаться в другие виды энергии, и Вселенная придет в состояние теплового равновесия, выход из которого естественным путем невозможен. Наступление состояния теплового равновесия будет означать тепловую смерть Вселенной. Теория тепловой смерти Вселенной не отрицает количественного сохранения энергии, но отрицает качественную неуничтожимость энергии и движения» 1 .

В ходе рассуждений о «тепловой смерти» Клаузиус ввел некоторую математическую величину, названную им энтропией. В буквальном переводе с греческого языка «энтропия» означает «обращение внутрь», т.е. замыкание в себе, «неиспользование». По существу же энтропия есть мера беспорядка в какой-либо системе тел. Чем больше беспорядок, тем больше и энтропия.

П.В. Алексеев и А.В. Панин отмечают, что «энтропия является физической величиной, характеризующей процессы превращения энергии. Согласно закону возрастания энтропии, при реальных термодинамических процессах энтропия замкнутой системы возрастает. Закон возрастания энтропии определяет течение энергетических превращений: все они в замкнутых системах происходят в одном направлении. Достижение термодинамической системой состояния с максимальной энтропией соответствует достижению состояния теплового равновесия. Это означает, что в системе, предоставленной самой себе, рано или поздно происходит выравнивание температур, и тепловая энергия как бы деградирует в качественном отношении. Она теряет способность превращаться в другие формы энергии» .

Р. Клаузиус утверждал, что найден закон Природы, дающий нам возможность уверенно заключить, что во Вселенной нет всеобщего круговорота, что она все дальше и дальше меняет свое состояние в определенном направлении и приближается таким образом к известному пределу. Немецкий физик полагал, что энергия мира постоянна, а энтропия мира стремится к максимуму.

Ошеломляющее впечатление, произведенное на естествоиспытателей XIX в. вторым законом термодинамики, было особенно сильно еще и потому, что вокруг себя в окружающей нас природе они не видели фактов, его опровергающих. Наоборот, все, казалось, подтверждало мрачные прогнозы Клаузиуса. Однако были и попытки опровержения данных прогнозов. В 1895 г. немецкий физик Л. Больцман предложил свою флуктуационную гипотезу «второго начала». Эта гипотеза исходила «из допущения, что бесконечная Вселенная уже достигла состояния термодинамического равновесия, то есть тепловой смерти. Но вследствие статистического характера принципа возрастания энтропии возможны макроскопические отклонения от состояния равновесия - флуктуации. Одну из них представляет и наблюдаемая нами область Вселенной» 1 . Однако в целом Вселенная в основном представляет безбрежный мертвый океан с некоторым количеством островков жизни, как полагал Л. Больцман.

Известные физики XX в. Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшиц доказали, что любая замкнутая система может достичь максимальной энтропии лишь при постоянных, неизменных внешних условиях. Между тем гравитация как свойство четырехмерного пространства-времени повсюду во Вселенной весьма непостоянна. Отсюда следует, что Вселенная никогда не придет к состоянию мертвого равновесия. «Второе начало» термодинамики, по существу, утверждает необратимость всех процессов в Природе. Это означает, что Природа развивается, никогда не повторяя предшествующие состояния. Следовательно, Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем, вышла из какого-то иного, неизвестного нам состояния материи и перейдет со временем в какие-то другие формы существования. Вполне возможно, что для таких форм нынешние, известные нам законы Природы окажутся неприменимыми. Но это вовсе не означает смерть Вселенной, а лишь завершение одного из этапов развития материи.

С точки зрения синергетики (эта теория возникла сравнительно недавно), изучающей процессы самоорганизации в сложных открытых нелинейных системах, в самой Вселенной могут присутствовать природные явления антиэнтропийного характера.

В последнее время большие дискуссии в науке вызывает антропный принцип. «Основная идея этого принципа состоит в том, что фундаментальные свойства Вселенной, значения основных физических констант и даже форма физических закономерностей тесно связаны с фактом структурности Вселенной во всех масштабах - от элементарных частиц до сверхскоплений галактик - с возможностью существования условий, при которых возникают сложные формы движения материи, жизнь и человек» .

Приведем еще одну формулировку антропного принципа, предложенную Б. Картером: «Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей» . Другими словами, появление человека обусловлено самим устройством Вселенной. Приведенные две формулировки антропного принципа являются слабыми.

Существует также сильная формулировка антропного принципа: «Наблюдатели необходимы для того, чтобы сделать Вселенную существующей» . Автором данной формулировки является Дж. У ил- лер.