Файл: Тесты с ответами по естествознанию.doc

Энтропия кажется, и не без оснований, весьма загадочной и непривычной характеристикой состояния термодинамической системы, но на самом деле она несколько иная характеристика системы, чем энергия, и столь же полноправная. Если энергия — это мера некоторой потенциальной возможности системы совершить полезную работу, то есть упорядоченное действие, то энтропия — это мера качества энергии, то есть реальной способности ее произвести работу без привлечения внешнего воздействия. Энтропия возрастает при рассеянии энергии, при возрастании неупорядоченности системы, при возрастании хаоса.

Статистическое определение энтропии было дано впервые австрийским физиком Людвигом Больцманом (1844-1906 гг.). Он связал энтропию системы с вероятностью макроскопического состояния системы , где k — так называемая постоянная Больцмана, равная отношению универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро N_A. Величина W представляет собой число способов, которыми можно осуществить (создать, организовать) данную систему, и эта величина определяет вероятность реального ее осуществления (организации). Любая упорядоченность, возникающая в системе, ограничивает число ее возможных конфигураций, уменьшает вероятность ее существования в таком виде и энтропию. Перемешивание, пространственное выравнивание концентраций увеличивает число вариантов взаиморасположений конкретных молекул, обеспечивающих данную конфигурацию, а увеличение температуры или выравнивание ее увеличивает число вариантов распределения энергии между частицами системы (молекулами), обеспечивающих данную среднюю энергию.

Обратимся теперь, кратко, к понятиям замкнутых систем (которые могут обмениваться с окружающей средой энергией, но не веществом) и открытых систем (могут обмениваться и энергией и веществом), чтобы завершить формулирование еще некоторых понятий термодинамики.

Для замкнутых систем, находящихся в условиях постоянства температуры и объема, закон возрастания энтропии переходит в закон уменьшения свободной энергии F Гельмгольца, которая определяется равной следующей величине F = E—TS, где Е — полная энергия.

В случае же постоянных температур и давления, закон возрастания энтропии переходит в закон убывания свободной энергии Гиббса Ф: Ф = Н—TS, где Н — так называемая энтальпия (от греч. enthalpo — нагреваю), функция независимых переменных — давления и энтропии, однозначно определяющая состояние физической системы. Энтальпия иначе также называется термодинамическим потенциалом.

Для открытых систем переходят к локальной формулировке второго начала термодинамики. Тогда общее изменение энтропии открытой системы DS представляют в виде суммы двух слагаемых: , где — изменение энтропии, обусловленное внутренними (internal) процессами в системе; — изменение энтропии системы, обусловленное внешними (external) причинами — контактом со средой. Скорость изменения энтропии отнесенная к единице объема системы, называется производством энтропии s.

Локальная формулировка второго начала утверждает, что производство энтропии всегда положительно. На более сильном утверждении о минимуме производства энтропии, Илья Пригожин основал теорию диссипативных структур, одну из современных теорий самоорганизации, наряду с синергетикой, теорией катастроф, автопоэзиса, теорией сложности и др.

Эрвин Шредингер, один из основателей квантовой механики и квантового естествознания, занявшийся впоследствии проблемой жизни, установил, что живые организмы отдают энтропию внешней среде, т. е. тем самым поддерживают свой гомеостаз за счет поглощения отрицательной энтропии — негэнтропии, как ее назвал французский физик Леон Бриллюэн.

Второе начало термодинамики как утверждение в формулировке Клаузиуса — необратимые процессы в изолированных системах всегда идут с возрастанием энтропии — сообщает нам о том, что все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутой (изолированной) системе ведут к увеличению беспорядка, к возрастанию хаоса и к снижению качества энергии. То есть самопроизвольно протекающие процессы ведут к разрушению всех структур и затуханию всех процессов (которые тоже можно трактовать как «структуры», но не в пространстве, а во времени).

Поскольку Вселенную в целом мы должны рассматривать как изолированную систему (по отношении к ней нет никакой «внешней среды»), то наш мир должен непрерывно деградировать. Наблюдения говорят, что так и происходит: основные источники высокотемпературной (достаточно высокого качества) тепловой энергии непрерывно ее рассеивают и, в конце-концов, остывают, то есть выравнивают свою температуру с температурой межгалактической среды (которая равна в настоящее время приблизительно 2,73 К — это температура так называемого реликтового излучения (см. главу 6)). Если бы Вселенная существовала вечно, она давно уже была бы мертвой. Однако она жива, и даже более того, мы видим, что сложность ее все увеличивается, во всяком случае, сложность увеличивается в нашей маленькой области ее — на нашей планете Земля.

В свое время Клаузиус высказал идею о неизбежной тепловой смерти Вселенной, чем весьма шокировал своих современников. А раз у Вселенной неизбежен конец, значит, должно было быть и начало. Против этого тогда восстали материалисты, ибо они не могли представить себе начало иначе, как в виде акта божественного творения, причем творения Вселенной сразу такой, какая она есть сейчас, точнее, даже более сложной, дифференцированной (ведь по Клаузи-усу, все может только выравниваться и упрощаться). Поэтому они говорили уклончиво: второе начало термодинамики, конечно, верно в нашей части Вселенной, где температуры выравниваются, а энергия рассеивается, но, очевидно, во всей бесконечной Вселенной это не так.

Сейчас мы знаем, что начало нашего мира, Вселенной, точнее, Метагалактики, по-видимому, действительно было, пусть достаточно загадочное (гипотеза Большого взрыва), но вполне материалистическое, и об этом будет рассказано в главе 6.

Понятие энтропии используется также в разрешении проблемы жизни, в которой оперируют ее отрицательными величинами, так называемой негэнтропией, в теории информации, в которой она характеризует меру неопределенности ситуации, в теориях самоорганизации, таких как синергетика, диссипативные структуры и др.

Резюме и вопросы для обсуждения

1) Формулировка понятий энтропии и второго начала термодинамики в середине XIX века привела к двум проблемам, вошедшим в число центральных для всей науки и нерешенных в полном объеме до сих пор.

2) Первая проблема, практически незатронутая в этом пункте, — это проблема обратимости во времени уравнений механики, вступающей в противоречие для неравновесных систем с временной необратимостью происходящих в них процессов.

3) Вторая проблема связана с противоречием между вторым началом и прогрессивной эволюцией в сторону упорядочения, усложнения.

4) Эта проблема искусственна и возникла, скорее всего, из-за непонимания природы энтропии во всей ее глубине. Оказалось, что энтропия не может служить мерой сложности и что эволюция в сторону усложнения вообще не противоречит эволюции в сторону возрастания энтропии. Полуторавековое обсуждение этой проблемы способствовало более глубокому осмыслению понятия энтропия.

5) И последнее обсуждение этой проблемы в свое время стимулировало создание синергетики, поднявшей теорию самоорганизации на новый уровень.

4. Концепции и принципы неклассического - полевого, квантового и квантово-полевого физического естествознания

4.1. Электромагнитное поле фарадея-Максвелла, электромагнитное взаимодействие и принципы специальной теории относительности - теории пространства-времени Эйнштейна и Минковского

Классическая физика и соответствующее ей классическое естествознание завершились созданием термодинамики. На очереди стояли учения об электричестве и магнетизме, которые, казалось, должны были получить понимание в рамках традиционного классического мировоззрения. Однако этому не суждено было сбыться. Познание тайн электромагнетизма привело к началу нового этапа в физике, во всем естествознании и во всей науке — привело к этапу неклассической рациональности.

Новая рациональность начиналась еще в недрах классической рациональности фактически так. В XVIII веке французом Шарлем Кулоном (1736-1806) был открыт знаменитый закон взаимодействия точечных электрических зарядов — закон Кулона: , где q1, q2 — электрические заряды, r — расстояние между зарядами, k — коэффициент пропорциональности, определяемый выбором единиц измерения величин зарядов и расстояния. Закон Кулона, как видим, фактически совпадает, по виду и форме, с законом всемирного тяготения Ньютона, и это позволяло физикам многие годы думать, что электрическое взаимодействие сводимо к гравитационному тяготению. Но это было кажущееся совпадение. Экспериментальные исследования Гальвани (1737-1798) и Вольта (1745-1827) показали тесную связь электрических, химических (и даже биологических) явлений. Вопрос об отношении электричества и магнетизма оставался запутанным до открытия Эрстеда (1777-1851) в 1820 году, когда он случайно, в ходе лекционного демонстрационного эксперимента, обнаружил влияние, оказываемое электрическим током, пропускаемым по проволоке, на компас, оказавшийся вблизи от проволоки. С 1820 года интенсивной разработкой первой теории электромагнетизма — электродинамики, занялся французский ученый Ампер (1775-1836). Теория Ампера была создана по образу и духу «Начал» Ньютона, что позволило англичанину Джеймсу Максвеллу назвать французского ученого «Ньютоном электричества». Созданная Ампером электродинамика, основанная на представлении о мгновенной передаче электромагнитных взаимодействий (т. е. с бесконечной скоростью), должна быть отнесена к теориям типа теорий дальнодействия.

Однако последовательную, единственно признаваемую и сегодня, теорию электромагнитных явлений удалось построить лишь самому Максвеллу, который отказался от представления о дальнодействии й взял за основу в электромагнетизме идею о поле, выдвинутую впервые великим физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем (1791-1867), который благодаря своим опытам доказал также тождественность различных видов электричества. Установленные Фарадеем законы электролиза доказывали выдающийся факт природы — дискретность электрического заряда. Начиная с 30-х годов XIX столетия, у Фарадея, под влиянием проводимых им экспериментов, начинает формироваться идея о передаче электромагнитных взаимодействий посредством поля. По мнению А. Эйнштейна, идея поля была самым важным открытием не только в физике, но во всей классической науке, со времен Ньютона (Эйнштейн тогда еще не подозревал, что электромагнетизм, эксперименты Фарадея и теория Максвелла дали начало новому этапу науки — неклассическому).

Ученым, который осознал глубину и оригинальность представлений Фарадея о поле на примере электромагнитного поля, стал именно Джеймс Максвелл (1831-1867). В 1865 году Максвелл опубликовал свою основополагающую работу «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой он вывел математические уравнения теории поля — уравнения Максвелла. Одним из самых поразительных выводов электромагнитной теории Максвелла было указание на возможность распространения электромагнитных волн со скоростью света. Вывод Максвелла о том, что свет — электромагнитные волны, по праву считается вершиной его исследований в области электромагнетизма. Электромагнитная теория волн и поля позволяет наилучшим образом объяснить все явления, связанные со светом.

Специальная теория относительности. Есть одно замечательное явление в природе, которое сопровождает человека практически непрерывно да и, вероятно, обуславливает существование самого человека — это свет. Важное место в проблеме света занимал вопрос о его скорости, который не смогли прояснить ученые ни в античные, ни в средние века. Но вот Авиценна, например, полагал, что эта скорость хотя и весьма велика, но ограничена. Первую известную, но безуспешную попытку измерения скорости света сделал еще великий Галилей. Первое же успешное измерение скорости распространения света было проведено датским астрономом О. Ремером в 1676 году, использовавшим для этого экспериментальный факт запаздывания затмений спутников Юпитера, которое он объяснял конечностью скорости распространения света. В XIX веке некоторые физики развивали теорию эфира с целью объяснения природы распространения света в пространстве. Одновременно с этим проводились эксперименты по все более точному определению скорости света. В 1881 году американский ученый Альберт Майкелъсон (1852-1931) вместе с помощником Мор-ли, с помощью сконструированного ими интерферометра, определили скорость света с точностью до восьмого знака (т. е. с точностью до нескольких м/с, и это-то при величине скорости света около 300 000 тыс. км/с). У Майкельсо-на была определенная цель: подтвердить существование постулированного еще в античные времена эфира и обнаружить «эфирный ветер», следствием которого было бы различие в скорости света в разных направлениях по отношению к скорости движения Земли по околосолнечной орбите. Результат оказался отрицательным, под таким названием он известен в науке — отрицательный результат опыта Майкелъсона.

Из опытов Майкельсона следовало, что для света не выполняется принцип сложения скоростей классической механики (вот это и есть первое противоречие канонам классической физики, в XX столетии их, этих противоречий, последует еще несколько), скорость света не зависит от скорости движения источника света. Например, согласно классической механике, скорость света от звезды, измеряемая по ходу движения Земли, должна быть 300030 км/с, а всегда получается 300000 км/с. Т. е. «с» плюс или минус «v», все равно получим «с»!

Разрешить эту, на первый взгляд, неразрешимую проблему смог в 1905 году великий немецкий физик Альберт Эйнштейн, создавший для этого специальную теорию относительности (СТО) или так называемую релятивистскую механику, заменившую для быстрых, околосветовых скоростей классическую механику. В основу новой теории движения и пространства-времени Эйнштейном были положены два постулата:

1. Релятивистский принцип относительности — в любых инерциальных системах все физические процессы — механические, оптические, электрические и другие — протекают одинаково, или, в формулировке русского советского физика Владимира Фока, явления природы не зависят от неускоренного движения.

2. Принцип постоянства скорости света — скорость света в вакууме не зависит от скоростей движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях, во всех инерциальных системах отсчета. Иногда этот принцип интерпретируют как принцип существования предельной скорости распространения (например, В. Фок).

Позднее, в 1908 г., в теорию Эйнштейна внедрилась идея немецкого математика, выходца из России, Германа Минковского о том, что весь наш мир представляет собой четырехмерный пространственно-временной континуум событий. Иначе, такой континуум следует понимать как сплошное четырехмерное пространство-время мировых точек событий, в геометрическом представлении (описании) которого три измерения (размерности) ответственны за пространство и одно измерение (размерность) — за время. При таком выборе описания мировых событий частице, любому объекту соответствует так называемая мировая линия. Точки этой линии определяют координаты частицы во все моменты времени. Так, например, равномерно и прямолинейно движущейся материальной частице соответствует прямая мировая линия. Среди основных следствий СТО можно выделить такие:

а) продольные размеры движущегося тела всегда меньше размеров покоящегося;

б) движущиеся часы идут медленнее покоящихся часов (время замедляется);

в) события, одновременные в одной системе отсчета, никогда не будут одновременными в какой-либо другой системе;

г) одновременность — понятие относительное (имен но анализ понятия одновременности привел Эйнштейна к созданию СТО);

д) масса движущегося тела всегда больше массы покоящегося тела.