Закрытые и открытые системы. Энтропия, порядок и хаос

1. Закрытые и открытые системы. Энтропия, порядок и хаос

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают системы открытые и закрытые (изолированные), а иногда выделяют также частично открытые системы. Впервые представление о закрытых системах возникло в классической термодинамике и представляло собой определенную абстракцию, т.к. подавляющее большинство, если не все системы, являются открытыми.

Для описания энергетических процессов в закрытых системах использовалось понятие энтропии (в переводе с греч. – поворот, превращение) и обозначало меру необратимого рассеяния энергии. Л. Больцман, интерпретировавший это понятие с точки зрения изменения порядка в системе, связал понятия: энтропия, порядок, хаос.

Понятие энтропии оказалось связано с процессами эволюции в системе. Однако эволюция, понятие которой утвердилось в биологии, была связана с усложнением организации, в то время как эволюция в термодинамике связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалась неразрешимым вплоть до 60-х гг. XX века, пока не появилась неравновесная термодинамика.

Процессы, протекающие в различных явлениях природы, стали разделять на два класса. К первому относятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Они развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния в системе. Ко второму классу относятся процессы, протекающие в открытых системах. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в ней происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует меру беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды. В соответствующие моменты – моменты неустойчивости – в них могут возникать малые флуктуации (отклонения от равновесия), способные разрастаться в макроструктуры. В неравновесных термодинамических системах возможны состояния, приводящие не к возрастанию энтропии и стремлению термодинамических систем к равновесному хаосу, а к «самопроизвольному» возникновению упорядоченных структур, к рождению порядка из хаоса. В этом случае хаос выступает в роли активного начала процесса самоорганизации. Самоорганизация – это процесс самопроизвольного формирования структуры более сложной, чем первоначальная. Структуры, образующиеся в процессе самоорганизации, называются диссипативными структурами.

Таким образом, формируется новое представление о хаосе, которое перестает нести негативный смысл. В традиционном понимании хаос – это беспорядок, дезорганизация. В новом понимании хаос – более высокая форма, где случайность и бессистемные импульсы становятся организующим принципом.

Главным направлением физической науки XX века считалась физика элементарных частиц, которая исследовала структуру материи при наиболее высоких энергиях, малых масштабах и коротких отрезках времени и породила современные теории о природе физических взаимодействий и происхождении Вселенной. Однако она так и не смогла ответить на некоторые фундаментальные вопросы: как зародилась жизнь, что такое турбулентность, как во Вселенной, подчиняющейся закону повышения энтропии и неумолимо движущейся к все большему беспорядку, может возникнуть порядок?

Стивен Хокинг, декан физического факультета Кембриджского университета, лауреат Нобелевской премии, космолог, в 1980 г. выступил с обзорной лекцией, посвященной развитию теоретической физики и названной «Не наступает ли конец физической теории?». Он выразил мнение многих ученых о том, что понимание законов природы в терминах хорошо освоенной физики элементарных частиц оставило без ответа вопрос о том, как применить эти законы к любым системам, кроме простейших. Только возникновение науки о хаосе позволило окончательно освободить физику из пут ньютоновского видения мира. Завершилась революция в физике: теория относительности разделалась с иллюзиями Ньютона об абсолютности пространства-времени, квантовая механика развенчала мечту о детерминизме физических событий, и, наконец, теория хаоса развенчала фантазию Лапласа о полной предопределенности развития систем.

Начиная с середины 70-х годов ХХ века ученые осознали, что довольно простые математические уравнения позволяют моделировать системы, столь же неупорядоченные, как самый бурный водопад. Исследователи в США, Европе и в том числе в России начали настойчиво и кропотливо изучать хаотические явления. Математики, физики, биологи, химики стали искать связи между различными типами беспорядочного в природе. В результате было установлено, что полученные закономерности имеют прямое отношение к множеству природных явлений – от очертаний облаков,конфигурации сеточек кровеносных сосудов до скоплений звезд в Галактике и т.д.

2. Концепция «Тепловой смерти Вселенной»

Классическая термодинамика оказалась неспособной решить космологические проблемы, связанные с термодинамическими процессами. Первую попытку распространить законы термодинамики на всю Вселенную предпринял Р. Клаузиус. Он выдвинул два постулата:

·  энергия Вселенной всегда постоянна;

·  энтропия Вселенной всегда возрастает.

Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимальной энтропии. Для этого состояния характерно наибольшая степень хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть, исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной.

Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны многих ученых и философов, но в середине XIX века было еще мало научных аргументов для опровержения этой концепции и обоснования альтернативного взгляда. Основные положения концепции «Тепловой смерти Вселенной» по существу сводились к положениям, которые представляют собой трудноразрешимые проблемы даже для современной науки. Это – во-первых, Вселенная рассматривается как замкнутая система; во-вторых, эволюция Вселенной может быть описана как смена ее состояний; в-третьих, для мира как целого состояние с максимальной энтропией имеет смысл, как и для любой конечной системы.

Поэтому первые возражения против этой концепции были связаны с представлением о Вселенной не как замкнутой системы, а как системы, находящейся в переменном гравитационном поле.

Одним из первых физиков, пытавшихся представить будущее Вселенной, был также и Л. Больцман. Он попытался применить к замкнутой Вселенной понятие флуктуации. Под флуктуацией физической величины понимается отклонение истинного значения величины от ее среднего значения, обусловленного хаотическим тепловым движением частиц системы. Согласно так называемому ограничению Максвелла для небольшого числа частиц второе начало термодинамики не должно применяться, т.к. в этом случае о тепловом равновесии нельзя говорить. Поэтому Больцман утверждает, что раз мы имеем дело лишь с видимой частью Вселенной, которая представляет собой небольшую область бесконечной Вселенной, то ко всей Вселенной нельзя применять второе начало термодинамики. Для этой небольшой области допустимы отклонения от равновесия (флуктуации), в результате чего в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной по направлению к хаосу. Формулируя свою флуктуационную гипотезу, Больцман исходил из допущения, что Вселенная уже достигла состояния термодинамического равновесия. Но вследствие возникновения в небольших областях Вселенной микроскопических отклонений от состояния равновесия (флуктуаций) эти зоны находятся в состояниях, вероятности которых возрастают и уменьшаются.

Критика концепции «Тепловой смерти Вселенной» осуществлялась по трем направлениям:

1) в связи с предположением о том, что наряду с энтропийными процессами в природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению «тепловой смерти» (в т.ч. Больцман).

2) в связи с сомнением в правомерности распространения понятий термодинамики с отдельных систем на всю Вселенную в целом.

3) в связи с созданием синергетического видения Вселенной и ее эволюции.

В 1965 г. Джон Стюарт Белл опубликовал теорему, получившую название «О нелокальности причин». Белл утверждал, что отдельные причины не могут быть изолированы одна от другой, во Вселенной все взаимосвязано. Теорема гласит, что изолированных систем не существует, и что система, даже разделенная на части огромными расстояниями, между которыми отсутствуют сигналы, поля, механические силы, энергии и т.д., функционирует как единая система. Развивая эту идею, американский ученый Дэвид Бом в своей космологии утверждал, что реальность едина и представляет собой неделимую целостность, лежащую в основе всей Вселенной, порождая, поддерживая и контролируя все путем постоянной связи со всем в глубинной структуре целого.