Максим Карпенко - Вселенная Разумная
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. Пригожий, исследовавший термодинамическими методами явления флуктуаций и устойчивости, поставил и решил задачу о возможности возникновения устойчивых структур, названных им «диссипативными», в условиях, далеких от равновесия, в нелинейной области, где на одинаковые приращения независимой переменной одна и та же функция может откликнуться по-разному, в зависимости от того, какому значению независимой переменной придается приращение. Неравновесное состояние системы можно, наверное, определить и как состояние динамическое, как состояние интенсивного обмена системы энергией и массой с окружающей средой.
Само существование упорядоченности за пределом устойчивости не является чем-то новым. Ярким примером этого класса явлений считается конвекционная неустойчивость Бенара или ячейка Бенара.
Опыт, демонстрирующий образование ячеек Бенара, элементарно прост: если в сковороде разогревать слой растительного масла, то через какое-то время жидкость разобьется на правильные сотовидные ячейки, то есть в открытой системе после подвода энергии образуется некоторая структура, возникает упорядочивание.
Ячейка Бенара совсем не уникальный пример возникновения упорядоченных структур за пределом устойчивости: в литературе описаны многочисленные периодические диссипативные процессы при протекании химических, электро- и биохимических реакций, которые являются примером временного упорядочивания.
В качестве еще одного примера можно указать на ставшую широко известной реакцию Белоусова-Жаботинского. В 1951 году Б. П. Белоусовым была сделана неудачная, к сожалению, попытка опубликования в одном из химических журналов статьи, где описывалась открытая им периодическая реакция. Статья эта была отклонена под тем предлогом, что, как известно, все химические реакции идут одним, единственно возможным путем — необратимо. Между тем в лаборатории у Белоусова происходило невероятное — прозрачная смесь нескольких реактивов начинала периодически менять цвет: красный менялся на синий, синий — на красный, до тех пор, пока не израсходовались все реагенты.
Анализ подобных явлений позволил сделать вывод о том, что неравновесные состояния системы, являющиеся, вообще говоря, признаком хаоса, могут стать причиной возникновения в ней порядка.
Классическая термодинамика до Пригожина рассматривала только процесс роста энтропии, разрушение первоначально заданной организации, порядка. Переход к анализу открытых неравновесных систем показал, что из хаоса может рождаться порядок — что и следует из теории биологической эволюции.
Ученые брюссельской школы не могли не заметить и не оценить всей грандиозности перспектив, которые открывала новая концепция.
Ведь в случае распространения теории нелинейной термодинамики на биологические объекты эта теория могла бы стать теорией, дающей шанс на понимание общности эволюции и физических, и биологических систем.
В начале семидесятых годов И. Р. Пригожин и П. Гленсдорф попытались математически сформулировать некоторый критерий, который бы прямо предсказывал условия создания форм, производства нового.
Выдвинутый Пригожиным и Гленсдорфом «критерий эволюции» претендовал на роль универсального термодинамического закона самоорганизации и эволюции любой открытой системы: физической, химической, биологической.
Однако попытки распространения методов нелинейной термодинамики на биологические системы не дали практически никаких зримых результатов. Причин тому можно назвать несколько. Прежде всего — это необыкновенная, по сравнению с такими, как, например, колебательная реакция Белоусова, сложность даже самых простых биологических объектов. Другая трудность заключается в том, что самоорганизация живого относится к качественно иному типу.
Если такие процессы, как зарождение атмосферных вихрей, образование промежуточных структур в химических реакторах и другие подобные процессы, не создают в системе качественно новых элементов, то образование и развитие больших протобелковых молекул в ходе химической эволюции, или образование видов в биологической — характеризуется появлением в системе новых качеств. Собственно говоря, появление новых качеств наблюдается и при фазовых переходах, и при работе лазера, но это процессы, несоизмеримые по сложности.
