Это удивительное стремление изолированных систем "быть как все и не
выделяться" свойственно и сжатой пружине, и сосуду со сжатым газом, и
водоему в горах, не имеющему притока (=изолированному) и низвергающемуся
водопадом в долину. Это и хорошо знакомое автомобилистам коварное стремление
предоставленного самому себе (изолированного) аккумулятора к саморазряду, и
форма песчаной насыпи, и остывающий на выключенной плите чайник - запасенная
в изолированной системе энергия тем или иным путем в конце концов
рассеивается в пространстве, девальвируется. Система стремится к состоянию с
максимумом энтропии, соответствующему нулевой разности потенциалов между
собой и средой.
Эта направленность развития изолированных систем и является содержанием
Второго закона, или начала термодинамики, говорящего о том, что "энтропия
любой изолированной системы со временем повышается".
Творцы Второго начала Р. Клаузиус, в 1865 году сформулировавший
представление об энтропии, и В. Томсон применили его ко всей Вселенной в
целом. Грустный результат этой гигантской экстраполяции, известный как
концепция "тепловой смерти Вселенной", вот уже более ста лет служит
предметом научных споров.
Проведенные в последние десятилетия теоретические исследования больших
микро- и макросистем привели к появлению целого ряда научных дисциплин,
базирующихся на законах больших чисел и в том числе статистической физики, в
рамках которой понятие об энтропии трактуется несколько отличным от
термодинамического образом.
С точки зрения статистической физики энтропия выражает вероятность состояния
системы и возрастает при переходе от состояний менее вероятных к более
вероятным. С этим тесно связано понятие об упорядоченных и неупорядоченных
системах. Для нашего мира характерна крайне низкая вероятность существования
упорядоченных систем: колода, где карты разложены по мастям и старшинству,
дом, построенный, например, из кирпича, или типографский шрифт, набранный в
страницу текста, - упорядочены, менее вероятны и обладают минимумом энтропии
в противоположность той же колоде беспорядочно перемешанных карт, куче
кирпича и беспечно разбросанным на риале типографским литерам.
Однако в приведенном выше статистическом определении энтропии заметна
некоторая некорректность, связанная с неопределенностью понятий "порядок" и
"беспорядок". Этим словам трудно дать определение, понятное всем, но
интуитивно мы представляем себе "порядок" как нечто свойственное набору
элементов, расположенных по какой-то логике, являющихся частью системы.
Соответственно там, где не существует никакой логической системы, элементы
находятся в "беспорядке".
Мы можем определить место каждой карты в упорядоченной колоде, каждого
кирпича в построенном доме и можем прочитать набранную страницу осмысленного
текста. Но текст может быть набран на незнакомом языке и быть, таким
образом, упорядоченным для человека, знающего этот язык, и неупорядоченным -
для незнающего.
Тогда критерием упорядоченности становится представление о смысле
написанного, об информации, которую несет текст. Таким образом, энтропия
оказывается тесно связанной с информацией. Эта чрезвычайно важная связь
теоретически подтверждается в теории информации, где формально показывается,
что математическое выражение для информации тождественно выражению для
энтропии, взятому с обратным знаком.
Информация как мера упорядоченности системы представляет внутреннее
состояние системы и обычно называется структурной, в отличие от
относительной информации, связанной всегда с отношением двух (или более)
систем.
Для систем, обладающих некоторой упорядоченностью. Второе начало
термодинамики определяет направление самопроизвольных процессов в сторону
увеличения беспорядка и повышения энтропии.
Дом, например, являющийся упорядоченной системой из кирпичей, в конце
концов, если его не ремонтировать (=изолированная система), рухнет - мы,
разумеется, не считаемся со временем, которое уйдет на этот эксперимент. Но
вероятность того, что из груды кирпича однажды самопроизвольно возникнет
Сухарева башня или храм Христа Спасителя, практически равна нулю.
Таким образом, обобщая, можно сказать, что Второе начало термодинамики, или
закон возрастания энтропии, говорит о выравнивании энергетических уровней
различных систем, о стремлении систем к беспорядку, деградации, о торжестве
Хаоса над Космосом.
Но наука XIX века оставила нам в наследство еще одну великую теорию, теорию,
блестяще подтверждающуюся колоссальным фактическим материалом, даже самим
фактом существования как пишущего, так и читающего эти строки, но тем не
менее являющуюся полной противоположностью теории Клаузиуса-Томсона. Это -
теория эволюции Дарвина, сформулированная практически одновременно (1859 г.)
со Вторым началом термодинамики. Теория Дарвина утверждает, что в мире
происходит непрерывное возникновение все более сложно организованных живых
структур и систем, говорит о постоянном созидании, организации,
структурировании.
Однако при всей своей видимой противоположности эти две великие теории не
конкурируют между собой, поскольку одна из них сформулирована для
изолированных систем, а другая - для открытых.
В окружающем нас мире по сути дела не существует изолированных систем - и
рост энтропии любой, казалось бы, полностью изолированной от окружающей
среды системы всего лишь вопрос времени. Металл сжатой пружины устает и
подвергается коррозии, сосуд, в котором заключен сжатый газ, разрушается,
вода стекает с возвышенностей в низины. Даже протону, совсем недавно
казавшемуся олицетворением стабильности, современная физическая теория
отводит пусть даже колоссальный по нашим меркам, но тем не менее конечный
срок жизни.
Разрабатываемая до недавнего времени термодинамика ограничивалась
рассмотрением изолированных, замкнутых систем и областью явлений, близких к
равновесию, систем, для которых соотношения между термодинамическими
параметрами связаны линейными соотношениями: одинаковым изменениям
независимой величины должны строго отвечать одинаковые изменения зависимой.
В рамках этой термодинамики вопрос об упорядочивании, об организации
структур не ставился, да и не мог быть поставлен.
Только около сорока лет назад некоторые физики в разных странах начали
предпринимать попытки изучения неравновесных систем и неравновесных
процессов. Наибольших успехов в создании новой термодинамики достигли Герман
Хакен и "брюссельская школа" во главе с И.Р. Пригожиным, ставшие
основоположниками нового научного направления, названного авторами
соответственно "синергетикой" и "нелинейной термодинамикой неравновесных
процессов". Далее я буду пользоваться термином Пригожина, сокращая его:
"нелинейная термодинамика".
Известно, что в ходе обратимых, то есть идущих без изменения собственной
энтропии системы процессов, могут образовываться равновесные
структуры-устойчивые состояния, типичным примером которых является кристалл.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163