Файл: УМК КСЕ ФГОС-3 для студентов.doc

Обратимый процесс – это процесс, который будучи проведен в прямом, а затем в обратном направлении, не оставляет никаких следов ни в системе, ни в окружающих телах (например, незатухающие колебания маятника) В противном случае процесс называется необратимым. Опыт показывает, что все реальные процессы в природе необратимы.

Анализируя обратимые процессы, Клаузиус обратил внимание, что можно ввести еще одну величину, которая сохраняется при обратимых процессах и возрастает при необратимых. Он назвал ее энтропией. Теперь появилась возможность сформулировать второй закон термодинамики через энтропию. «Энтропия замкнутой системы не убывает. Она либо возрастает при протекании необратимых процессов, либо постоянна и при этом максимальна при нахождении системы в равновесном состоянии». Однако в рамках термодинамики физический смысл энтропии оставался не очень ясным. Он прояснился в статистической физике. Энтропия характеризует степень беспорядка (хаоса) в системе. Австрийский физик Л. Больцман показал, что для замкнутой системы состояние беспорядка более вероятно, чем упорядоченное, а в равновесном состоянии степень беспорядка (энтропия). и вероятность прихода системы в такое состояние наибольшая. Т.е., во всех замкнутых системах беспорядок может только возрастать.

В открытых системах энтропия может убывать. Например, живой организм с момента зарождения до взросления как система усложняется, возрастает степень его упорядоченности, что равнозначно уменьшению его энтропии.

С 70-х годов двадцатого века бурно развивается теория неравновесных процессов в физических, химических и биологических системах, которая быстро переросла в новую интегральную науку о самоорганизации сложных систем – синергетику. Термин «синергетика» предложил немецкий физик Герман Хакен (от греческого «син» - вместе и «эргон» - действие, буквально совместное действие). Развивающие это же направление наш соотечественник лауреат Нобелевской премии Илья Пригожин и его Брюссельская школа предпочитают термин «неравновесная термодинамика».

Исследование сложных, открытых систем и неравновесных процессов привело физиков и химиков во второй половине двадцатого века к удивительному выводу – из хаоса спонтанно может возникать порядок!

Приведем по одному примеру из физики и химии. Пример из физики относится к гидродинамической неустойчивости в жидкости, открытой Бенаром в 1900 г. Если на подогреваемую сковородку налить масло и насыпать металлических опилок, то вверху образуется более плотный слой. Подогреваемый и поэтому менее плотный нижний слой масла стремится поменяться местами с верхним более плотным слоем. До какого-то момента этому препятствует вязкость масла. По достижении некоторой критической разности температур возникает организованный конвекционный поток, и поверхностный слой масла скачком разделяется на правильные шестиугольные ячейки, напоминающие пчелиные соты – ячейки Бенара.

Пример из химии относится к самопроизвольным химическим реакциям, открытым Б. Белоусовым в 1951 г. (реакции Белоусова – Жаботинского). В таких окислительно-восстановительных реакциях раствор самопроизвольно периодически меняет цвет, например, с красного на синий и наоборот. А начиная с некоторого числа колебаний, определяемого концентрацией, спонтанно образуются неоднородности концентрации и возникают красные и синие слои, сохраняющиеся в течение получаса.

Концепция синергизма состоит в том, что в открытых системах, т.е. системах, обменивающихся с окружающей средой массой, в общем случае энергией, совместное действие малых флуктуаций (случайных возмущений на микроуровне) может привести к процессу самоорганизации на макроуровне. При этом система должна находиться в критическом состоянии, т.е. состоянии крайней неустойчивости подобно шарику на вершине горки.

Важно отметить, что процессам самоорганизации в открытых системах свойственна нелинейность, т.е. этим процессы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, решениям которых свойственны неединственность, неустойчивость и необратимость во времени. В отличие от линейных дифференциальных уравнений, для которых характерны единственные, устойчивые и обратимые решения. Поведение равновесной системы, описываемое линейными дифференциальными уравнениями, строго определено. Малым возмущениям соответствуют малые следствия, и система всегда имеет возможность вернуться в прежнее состояние. В сложных открытых системах возможен необратимый переход в новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Еще одним важным выводом синергетики является спонтанность и принципиальная непредсказуемость процессов самоорганизации. Для открытой системы, подошедшей к критическому состоянию – в так называемой точке бифуркации или точке разветвления, комбинация флуктуаций может оказать такое сильное воздействие, что более хаотическое состояние перейдет в более упорядоченное. Причем для системы, находящейся в точке бифуркации, принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие системы.

Синергетика, надеемся, позволит решить сложнейшую и важнейшую задачу естествознания – объяснить возникновение и эволюцию живого. Действительно, с точки зрения синергетики нет ничего удивительного в том, что на определенном этапе сложные физико-химические системы стали биологическими. Закономерна с синергетических позиций и эволюция живого, приведшая к появлению Homo Sapiens.

Успехи синергетики позволили утвердить принцип универсального эволюционизма: эволюционируют любые открытые системы, причем из открытых неживых систем могут возникать открытые живые системы. Таким образом, концепция детерминизма в природе за сто лет после создания статистической физики подверглась большим деформациям и ревизиям в третий раз (с учетом появившихся в начале 20-го века квантовомеханических представлений о причинности). Синергетику в ее нынешнем состоянии можно рассматривать, по мнению одного из ее создателей Хакена, как попытку обобщения дарвинизма, действие которого распространяется не только на органический, но и на неорганический мир.

Творчество в любой сфере, будь то наука, искусство, производство, можно рассматривать как «антиэнтропийную акцию», понижающую хаос в духовном или материальном окружении человека. Имея это ввиду, один из создателей кибернетики Н. Винер как-то сказал: «В этом мире наша новейшая обязанность состоит в том, чтобы устраивать произвольные островки порядка и системы».

Проникновение идей самоорганизации во все сферы культуры фактически привело к смене стиля мышления. Механистический, лапласовский стиль 18-19 века сменился в начале 20-го века на статистически-вероятностный, а в конце его – на синергетический.

Раздел 5. Панорама современного естествознания

Космология

Космология – один из тех разделов естествознания, которые всегда находятся на стыке наук. Строение и эволюция Вселенной изучаются космологией. Космология использует достижения и методы физики, математики, философии. Предмет космологии – весь окружающий нас мегамир, вся «большая Вселенная», и задача состоит в описании наиболее общих свойств, строения и эволюции Вселенной.

С древних времен люди считали Вселенную неизменной (стационарной). С созданием общей теории относительности Эйнштейна появились и первые космологические модели, основанные на этой теории. Первую из них предложил сам автор ОТО. Она также была стационарной. Для того, чтобы обеспечить стационарность модели Эйнштейн вынужден был ввести гипотетические силы космологического отталкивания, которые компенсировали бы силы всемирного тяготения между галактиками, препятствуя сжатию Вселенной.

В 1922 г. русский математик А.А. Фридман на основании решений уравнений ОТО показал, что Вселенная не может быть стационарной. Она должна либо сжиматься, либо расширяться.

В 1927 г. бельгийский аббат и ученый Ж. Леметр связал “расширение” пространства с данными астрономических наблюдений. Леметр ввел понятия начала Вселенной как сингулярности (т. е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил существования странной зависимости между расстоянием и скоростью галактик: все галактики удаляются от нас, причем со скоростью, которая возрастает пропорционально расстоянию, т.е. Вселенная расширяется.

Достижения науки расширяли возможности в познании окружающего Человека мира. Предпринимались новые попытки объяснить с чего же все началось. Жорж Леметр был первым, кто поставил вопрос о происхождении наблюдаемой крупномасштабной структуры Вселенной. Им была выдвинута концепция "Большого Взрыва" так называемого "первобытного атома" и последующего превращения его осколков в звезды и галактики. Конечно, с высоты современного астрофизического знания данная концепция представляет лишь исторический интерес, но сама идея первоначального взрывоопасного движения космической материи и ее последующего эволюционного развития неотъемлемой частью вошла в современную научную картину мира.

Принципиально новый этап в развитии современной эволюционной космологии связан с именем американского физика Г. А. Гамова (1904–1968), благодаря которому в науку вошло понятие горячей Вселенной. Согласно предложенной им модели "начала" эволюционирующей Вселенной "первоатом" Леметра состоял из сильно сжатых нейтронов, плотность которых достигала чудовищной величины – один кубический сантиметр первичного вещества весил миллиард тонн. В результате взрыва этого "первоатома" по мнению Г. А. Гамова образовался своеобразный космологический котел с температурой порядка трех миллиардов градусов, где и произошел естественный синтез химических элементов. Осколки первичного яйца – отдельные нейтроны затем распались на электроны и протоны, которые, в свою очередь, соединившись с нераспавшимися нейтронами, образовали ядра будущих атомов. Все это произошло в первые 30 минут после "Большого Взрыва".

Горячая модель представляла собой конкретную астрофизическую гипотезу, указывающую пути опытной проверки своих следствий. Гамов предсказал существование в настоящее время остатков теплового излучения первичной горячей плазмы , а его сотрудники Альфер и Герман еще в 1948 г. довольно точно рассчитали величину температуры этого остаточного излучения уже современной Вселенной. Однако Гамову и его сотрудникам не удалось дать удовлетворительное объяснение естественному образованию и распостраненности тяжелых химических элементов во Вселенной, что явилось причиной скептического отношения к его теории со стороны специалистов. Как оказалось, предложенный механизм ядерного синтеза не мог обеспечить возникновение наблюдаемого ныне количества этих элементов.

Ученые стали искать иные физические модели "начала". В 1961 году академик Я. Б. Зельдович выдвинул альтернативную холодную модель, согласно которой первоначальная плазма состояла из смеси холодных (с температурой ниже абсолютного нуля) вырожденных частиц – протонов, электронов и нейтрино. Три года спустя астрофизики И. Д. Новиков и А. Г. Дорошкевич произвели сравнительный анализ двух противоположных моделей космологических начальных условий – горячей и холодной – и указали путь опытной проверки и выбора одной из них. Было предложено с помощью изучения спектра излучений звезд и космических радиоисточников попытаться обнаружить остатки первичного излучения. Открытие остатков первичного излучения подтверждало бы правильность горячей модели, а если таковые не существуют, то это будет свидетельствовать в пользу холодной модели.