Идущие по пустыне: время - Тихоплав Виталий Юрьевич 2 стр.

Согласно подходу И. Пригожина, автора теории неравновесной термодинамики, директора отделения физики и химии Брюссельского университета, лауреата Нобелевской премии 1977 года, главным условием самоорганизации, принимается необратимость процесса, причиной считается диссипация, а движущей силой – негэнтропия[5], поглощаемая открытой системой из окружающей среды при обмене веществ [10].

И. Р. Пригожин полагает, что процессы самоорганизации систем могут происходить произвольно, но только в результате случайных флуктуаций. За их образование несет ответственность та самая диссипативная энергия, которая рассеивается в пространстве при превращении энергии в тепловую. С точки зрения Пригожина, диссипативная энергия способна порождать сложные системы из простых, а энтропия оказывается тем самым «сырьем», из которого диссипативные структуры могут создать (а могут и не создать – это дело случая!) более высокую, чем прежде, упорядоченность (подробнее об этом рассказывается в главе 5, разделе «Диссипативная энергия»).

– Возможность случайного появления Вселенной исключается?

Аструс: Нет.

– А случайное зарождение жизни на Земле?

Аструс: Нет. Жизнь возникла не случайно.

– Значит, жизнь на Земле создавалась целенаправленно?

Аструс: Да. Высшей духовной силой.

– Значит, для процессов жизни на Земле случайность исключается?

Аструс: Так.

Для того чтобы в некой системе начались процессы самоорганизации, она должна быть, как минимум, выведена из состояния стабильного равновесия. Важным результатом новой неравновесной термодинамики, разработанной И. Пригожиным, является возможность получения устойчивых решений, далеких от состояния равновесия. Расчет таких систем (открытых, диссипативных, неравновесных) стал возможным благодаря работам И. Пригожина.

И. Р. Пригожин внес существенный вклад в термодинамику нелинейных необратимых процессов, то есть в термодинамику систем, далеких от равновесия (1947), выдвинув принцип локального равновесия.

Этот принцип заключается в следующем. Рассматриваемая система может быть мысленно разделена в пространстве на множество элементарных ячеек, достаточно больших, чтобы рассматривать их как макроскопические системы, но в то же время достаточно малых для того, чтобы состояние каждой из них было близко к состоянию равновесия. Такое предположение справедливо для очень широкого класса физических систем, что и определяет успех классической формулировки неравновесной термодинамики.

И. Пригожин в 1947 году доказал теорему о неравновесных процессах, которая гласит: «Если открытую термодинамическую систему при неизменных во времени условиях предоставить самой себе, то прирост энтропии будет уменьшаться до тех пор, пока система не достигнет стационарного состояния динамического равновесия; в этом состоянии прирост энтропии будет минимальным» [10].

Иными словами: производство энтропии для необратимых процессов в открытой системе стремится к минимуму.

Еще в 1943 году знаменитый физик, лауреат Нобелевской премии Э. Шредингер опубликовал свои лекции, прочитанные в Тринити-колледже в Дублине, в которых поставил вопрос: что такое Жизнь с точки зрения физики? Он писал:

«Жизнь – это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время. Средством, при помощи которого организм поддерживает себя на высоком уровне упорядоченности, (равно на достаточно низком уровне энтропии) является энергия, получаемая организмом из окружающей среды с продуктами питания… Живая материя избегает прихода к равновесию[6]» [11].

Шредингер обратил внимание на то, что живой организм как открытая система в процессе жизнедеятельности может как увеличивать, так и уменьшать энтропию.

Если мы удерживаем систему от равновесия, то должны постоянно компенсировать рост энтропии, то есть «питать» систему свободной энергией или веществом, богатым энергией. Эта энергия используется для поддержания определенных реакций, которые не дают системе прийти в инертное или «мертвое» состояние равновесия. Иными словами, упорядоченность в организме должна поддерживаться за счет использования упорядоченности извне. Но Шредингер не объяснил, как одна упорядоченность поддерживается другой упорядоченностью, которая сама каким-то образом возникла из неупорядоченности.

Трудность возникает в связи с тем, что недостаточно разделить мир живого только на «упорядоченность» и «неупорядоченность». Однако можно четко разделить мир по двум физическим принципам, управляющим процессами, имеющими разную направленность: к равновесию и против равновесия.

Все материальные объекты можно разделить на объекты с равновесной и неравновесной структурной организацией вещества. Равновесная структурная организация вещества образуется в ходе процесса, стремящегося к равновесию (энтропийный процесс) и сопровождается выделением энергии, а неравновесная образуется в ходе процесса, стремящегося к неравновесию (антиэнтропийный процесс) и сопровождающегося поглощением энергии [12].

Автор теории эволюционного катализа А. П. Руденко считает, что необратимость не играет основополагающей роли в самоорганизации, и утверждает, что причиной самоорганизации является внутренняя полезная работа, направленная против равновесия, а не диссипация.

В любой открытой системе поступающая извне энергия разделяется на два потока: поток свободной энергии, затрачиваемый на внутреннюю полезную работу, направленную против равновесия, и на поток энергии, которая в виде теплоты рассеивается в окружающей среде.

То есть за счет свободной энергии обменного процесса, стремящегося к равновесию (энтропийного процесса), совершается процесс, стремящийся к неравновесию (антиэнтропийный процесс), который и приводит к самоорганизации системы (к ее неравновесному упорядочению).

– В настоящее время в науке существуют две теории самоорганизующихся систем: теория И. Р. Пригожина и теория эволюционного катализа А. П. Руденко…

Аструс: Первая верна на 70 %, а вторая – на 90 %.

– И. Пригожин считает, что диссипативная энергия способна порождать сложные системы из простых, а энтропия оказывается тем самым «сырьем», из которого диссипативные структуры могут создать (а могут и не создать – это дело случая!)…

Аструс: Вот «дело случая» – это неверно.

– …более высокую, чем прежде, упорядоченность. Мерой самоорганизации является диссипация и ее функция. Самоорганизация по Пригожину проявляется в образовании диссипативных структур. При этом возникает необходимость системе «питаться» отрицательной энтропией, поглощаемой из внешней среды.

Аструс: Это верно.

– Руденко ставит под сомнение, что движущей силой самоорганизации является «отрицательная энтропия».

Аструс: Руденко верно ставит вопрос, но он рассматривает только одну сторону.

– Руденко считает, что необратимость не играет предполагаемой конструктивной роли ни в возникновении, ни в росте самоорганизации. Играет необратимость конструктивную роль или нет?

Аструс: Играет и не играет. Он подходит к этому верно, но не учитывает вторую половину.

– Зато он учитывает неравновесность. С его точки зрения, действительной причиной самоорганизации может быть только внутренняя полезная работа против равновесия, а не диссипация.

Аструс: Опять он половину рассматривает.

– Что же порождает самоорганизацию: неравновесность или необратимость? Пригожин говорит, что в основе самоорганизации лежит необратимость, а Руденко – что неравновесность.

Аструс: И то, и другое верно.

Татьяна: Раз Руденко прав на 90 %, значит, все-таки неравновесность играет бо́льшую роль?

Аструс: И то, и другое правильно.

– А нельзя сказать, что необратимость большую роль играет для макромира, а неравновесность – для микромира и нашего мира?

Аструс: Можно так сказать.

– Значит, теория Пригожина пригодна для макромира, например для Вселенной, а теория Руденко – для локального мира, например для организма?

Аструс: Это очень верно.

Итак, существуют два типа самоорганизации: когерентный для коллективных (макро-) открытых систем (по Пригожину) и континуальный для индивидуальных (микро) систем (по Руденко). Эволюция с естественным отбором возможна только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных систем.

Итак, существуют два типа самоорганизации: когерентный для коллективных (макро-) открытых систем (по Пригожину) и континуальный для индивидуальных (микро) систем (по Руденко). Эволюция с естественным отбором возможна только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных систем.

В том и в другом случае основными свойствами самоорганизующихся систем являются: открытость, необратимость, неравновесность, нелинейность и диссипативность.

Свойства самоорганизующихся систем

Открытые системы – это системы, которые способны постоянно обмениваться веществом (энергией, информацией) с окружающей средой и обладать как «источниками» – зонами подпитки системы энергией окружающей среды, так и «стоками» – зонами рассеяния, «сброса» энергии вовне.

Действие «источников» (притока энергии извне) способствует наращиванию структурной неоднородности данной системы, а действие «стоков» (сброс энергии вовне) приводит к сглаживанию структурных неоднородностей в системе.

Приток и сток обычно носят объемный характер, то есть происходят в каждой точке данной системы. Например, во всех компонентах биологического организма (ткани, органы, клетки и т. д.) происходит обмен веществ, приток и отток вещества (с помощью кровеносных сосудов, эндокринной и других систем). Постоянный приток (и сток) вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных, неустойчивых состояний.

Способность живых организмов поддерживать на определенном уровне состояние своего внутреннего порядка есть не что иное, как борьба с повышением энтропии, или борьба за свое существование. Живые организмы (клетка, сообщество людей, город и т. д.) не только открытые системы, но они и существуют только потому, что открытые. Их питают потоки энергии и вещества, которые поступают из внешнего мира. Так, например, закрытую систему «кристалл» можно изолировать, но если изолировать клетку или город от внешнего мира, они погибнут.

Открытые системы – это системы необратимые; и в них важен фактор времени.

Процессы могут быть обратимые и необратимые. Как трактует Википедия, обратимый процесс (то есть равновесный) – это термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.

Необходимое условие обратимости термодинамического процесса – его равновесность, то есть всякий обратимый процесс всегда является равновесным, или квазистатическим. Однако не всякий равновесный процесс обязательно обратим (например, квазистатический процесс равномерного движения тела по горизонтальной шероховатой поверхности под действием взаимно уравновешивающихся сил тяги и трения – процесс необратимый).

Характерная особенность обратимых процессов – их медленность: процесс должен быть настолько медленным, чтобы участвующие в процессе тела успевали в каждый момент времени оказываться в состоянии равновесия, соответствующего имеющимся в этот момент внешним условиям. То есть обратимый процесс – это непрерывная последовательность равновесных состояний.

В системе тел, находящихся в равновесии, без внешнего вмешательства никаких процессов происходить не может, то есть с помощью тел, находящихся в тепловом равновесии, нельзя произвести никакой работы, т. к. работа связана с механическим движением, то есть с переходом внутренней энергии в кинетическую энергию. Стоит подчеркнуть еще раз, что невозможно получить работу за счет энергии тел, находящихся в тепловом равновесии.

На практике обратимый процесс реализовать невозможно. Он протекает бесконечно медленно, и можно только приблизиться к нему. Обратимые процессы – это идеализация реальных процессов.

Следует отметить, что термодинамическая обратимость процесса отличается от химической обратимости. Химическая обратимость характеризует направление процесса, а термодинамическая – способ его проведения.

Необратимым называется процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния (Википедия).

По существу, все процессы в макросистемах являются необратимыми, а все необратимые процессы – неравновесными. Все процессы, сопровождающиеся трением, а также явления диффузии и растворения, теплопроводность, вязкое течение – необратимые. Переход кинетической энергии макроскопического движения через трение в теплоту, то есть во внутреннюю энергию системы, является необратимым процессом.

Например, ваза падает, разбиваясь на осколки, но самопроизвольно разбившаяся ваза восстановиться из осколков не может. Этот процесс можно наблюдать, если, предварительно засняв падение на пленку, просмотреть ее в обратном направлении, но никак не в действительности.

Так же тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к холодному, а обратный процесс, как известно, невозможен, то есть процесс необратим. Тепловые процессы вообще являются необратимыми.

В замкнутых системах необратимые процессы всегда сопровождаются возрастанием энтропии, что является критерием необратимого процесса.

В открытых системах, которые могут обмениваться энергией или веществом с окружающей средой, при необратимом процессе энтропия системы, которая складывается из полного производства ее в системе и изменения из-за вытекания (или втекания) через поверхность системы, может оставаться постоянной или даже убывать.

Термодинамическая система может находиться в равновесном или в неравновесном состоянии.

Как трактует Википедия, термодинамическое равновесие – это состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические параметры (температура, давление, объем, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. В общем-то, эти величины не являются постоянными, они флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений. В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки материи или энергии, неравновесные потенциалы (или движущие силы), изменения количества присутствующих фаз. Примером равновесной закрытой структуры являются кристаллы.

Длительное время в состоянии равновесия могут находиться лишь закрытые системы, не имеющие связей с внешней средой, тогда как для открытых систем равновесие может быть только мигом в процессе непрерывных изменений. Равновесные системы не способны к развитию и самоорганизации, поскольку подавляют отклонения от своего стационарного состояния, тогда как развитие и самоорганизация предполагают качественное его изменение.

Большинство реальных систем являются неравновесными. Например, возможность подпитки и сброса энергии позволяет организму человека (открытой системе) адаптироваться к постоянно изменяющимся внешним условиям. А это есть не что иное, как неравновесность.

«Неравновесность можно определить как состояние открытой системы, при котором происходит изменение ее макроскопических параметров, то есть ее состава, структуры и поведения» [4]. В неравновесных системах происходят изменения потоков материи, энергии или фаз.

Неравновесность, неустойчивость открытых систем порождается постоянной борьбой двух тенденций. Первая связана с притоком энергии извне, благодаря которому в организме непрерывно идут пластические процессы, процессы роста, образования сложных веществ, из которых состоят клетки и ткани. Вторая тенденция связана с обратным процессом разрушения, со сбросом энергии вовне. Всякая деятельность человека связана с расходованием энергии. Даже во время сна многие органы (сердце, легкие, дыхательные мышцы) расходуют значительное количество энергии.

Если побеждает первая тенденция, то открытая система становится самоорганизующейся системой, а если доминирует вторая – открытая система рассеивается, превращаясь в хаос.

А когда эти тенденции примерно равны друг другу, тогда в открытых системах ключевую роль могут играть флуктуационные процессы[7].

Дело в том, что все сложные системы состоят из подсистем, которые непрестанно флуктуируют. И если в классической науке флуктуация – случайное отклонение мгновенного значения от среднего – быстро рассасывается, то в синергетике флуктуации при определенных условиях вырастают до масштабов системы и могут послужить началом образований новой структуры. То есть флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается. В системе могут спонтанно возникать новые типы структур, самопроизвольно возникать новые динамические состояния.

Словом, термодинамика неравновесных процессов изучает незамкнутые системы, которые в результате внутренних коллективных сил и внешних воздействий оказываются в состояниях, далеких от равновесных.