Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
Первое начало. Теплота — одна из форм энергии. Она может превращаться в другие формы энергии (энергию механического движения, электрическую энергию,
химическую энергию и т.д.), и другие формы энергии могут превращаться в нее. Энергия не может возникать или уничтожаться.
Второе начало. В замкнутой системе определенная физическая величина, характеризуемая значением энергии и называемая энтропией, всегда возрастает или остается постоянной, но никогда не убывает.
Вплоть до последнего времени проводились бесчисленные эксперименты с целью доказать, что в особых условиях начала термодинамики могут нарушаться, но исход их неизменно оказывался отрицательным. Отсюда можно сделать вывод
о том, что в случае начал термодинамики речь идет о физических законах, которые могут быть экспериментально лишь подтверждены. В то время как первое начало термодинамики гладко, «без швов», стыкуется со всем остальным зданием физики и утверждение о сохранении энергии может быть выведено из основных законов механики и электродинамики, второе начало термодинамики занимает особое положение. Точнее говоря, второе начало выходит даже за рамки «нормальной» физики.
Чтобы понять, почему так происходит, необходимо несколько точнее проанализировать понятие энтропии. Энтропия — не только мера, позволяющая оценивать значение энергии, но и количественная мера упорядочения тела или системы. Чем меньше энтропия, тем больше упорядочения в положении и движении составных частей тела. Рассмотрим в качестве примера автомашину. Предположим, что в одном случае она при температуре 20°С едет со скоростью 100 км/ч по шоссе, а во втором — при температуре 21°С стоит в гараже. Если отвлечься от вращения колес и движений частей двигателя, то положения атомов, образующих автомашину, в обоих случаях одинаковы. Как нетрудно показать с помощью вычислений, полг ная энергия в обоих случаях одинакова и, следовательно, одинакова доля энергии, приходящаяся в среднем на каждый отдельный атом автомашины. Вместе с тем значения энергии и, следовательно, значения энтропии заметно отличаются: в случае покоящейся автомашины все атомы движутся совершенно неупорядоченно (большая энтропия), в случае мчащейся автомашины наряду с нерегулярным тепловым движением имеется и изрядная доля «высококачественной» энергии направленного движения (меньшая энтропия). Если едущую автомашину затормозить до полной остановки, то в силу первого начала термодинамики полная энергия сохраняется, и автомашина в среднем нагревается на 1°С. Таким образом, состояние с меньшей энтропией переходит в состояние с более высокой энтропией, или энергия более высокого качества упорядоченного движения автомашины превращается в энергию более низкого качества теплового движения: энергия движения автомашины «диссипируется» (рассеивается).
Второе начало термодинамики позволяет утверждать, что обратный процесс физически невозможен, т. е. заторможенную до полной остановки автомашину невозможно снова разогнать до скорости 100 км/ч, просто охлаждая ее на 1°С и не расходуя ни капли бензина. Это, несомненно, наилучшим образом согласуется с нашим повседневным опытом. В чем же проблема?
Проблема возникла, когда физики попытались доказать закон возрастания (неубывания) энтропии, исходя из основных уравнений, полностью определяющих движение всех атомов, электронов и т. д. физических тел. Хотя правильность уравнений движения не вызывала ни малейших сомнений, все попытки такого рода оказывались безуспешными. Более того, Анри Пуанкаре даже удалось доказать, что невозможно вычислить энтропию, исходя из координат, скоростей, масс и др. характеристик всех участвующих в процессе частиц. Таким образом, теоретического доказательства правильности первого и второго начал термодинамики не существует и поныне, и остается по-прежнему неизвестным, существуют ли какие-то экстремальные условия, при которых начала становятся либо вообще, либо частично
неприменимыми. До сих пор такие условия удавалось воспроизвести лишь в некоторых экзотических экспериментах, например, в случае приготовления ядерных спинов, и поэтому мы должны исходить из того, что в нашей Метагалактике закон возрастания энтропии носит универсальный характер.
Сформулируем основной вывод еще раз, чтобы подчеркнуть главное: хотя все части рассматриваемых физических тел строго подчиняются известным законам механики, квантовой механики и электродинамики, существует величина, называемая энтропией, которая не сводится к свойствам составных частей тела, а описывает свойства всего тела в целом. Энтропия — один из важных примеров, подтверждающих правильность тезиса о том, что целое представляет собой нечто большее, чем сумму своих составных частей. Естественно напрашивается вопрос о том, существуют ли другие физические законы аналогичного типа, которые бы также не сводились к законам движения отдельных частиц. Наряду со столь простыми процессами, как нагревшие тормозных колодок при остановке автомашины, в природе существуют гораздо более сложные процессы, например, эволюция Вселенной^ образование геологических структур в земной коре, возникновение живых существ в нашей биосфере, социально-экономических структур, языков или даже искусства. Не кроются ли за всем разнообразием и сложностью этих процессов какие-то законы, достаточно универсальные и строгие для того, чтобы их можно было включить в число физических законов? Такова точная постановка вопроса, на который пытается в конечном счете найти ответ теория самоорганизации.
