Концепции необратимости и термодинамика

Московский Государственный Университет Экономики, Статистики и Информатики

Реферат

по дисциплине: «Концепции современного естествознания»

на тему: «Концепции необратимости и термодинамика»

Выполнила: студентка группы ДМА-501

Митрофанова И.В.

Проверил: Цуркин А.П.

Москва 2009

Понятие времени в классической и термодинамике

Термодинамика впервые ввела в физику историю, а вместе с ней и возможность другого взгляда на время. Это была, так сказать, негативная история - история, творимая разрушительными процессами, необратимыми процессами деградации. Второе начало термодинамики в формулировке Р. Клаузиуса (1822 – 1888) утверждает, что неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором энтропия максимальна.

Направление времени никак не учитывалось в механике. Как классической, так и квантовой (хотя в ней предсказания имеют лишь вероятностный характер). Время в них выступало в качестве особого параметра, знак которого можно менять на противоположный. Такое представление о времени противоречит как повседневной нашей практике, так и теоретическим воззрениям, установившемся в естественных науках (история, геология, палеонтология, биология и др.). Если классическая физика и особенно механика изучают обратимые процессы, то биологические, социальные и гуманитарные науки ясно показывают, что предметом их исследования служат процессы необратимые, изменяющиеся во времени и имеющие свою историю.

Наиболее резкое противоречие в прошлом веке возникло между прежней физикой и эволюционной теорией Дарвина. Если, например, в механике все процессы представляются обратимыми, лишенными своей истории и развития, то теория Дарвина убедительно доказала, что новые виды растений и животных возникают в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбе выживают те организмы, которые оказываются лучше приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе все процессы являются необратимыми. То же самое можно сказать в принципе и о социально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных системах, хотя эволюция в природе происходит значительно медленнее, чем в обществе.

Физика приближалась к разрешению указанного выше противоречия через пересмотр и создание ряда промежуточных концепций, одной из которых является идея об эволюции систем, но не в сторону усиления их организации и сложности, а, напротив, — в сторону дезорганизации и разрушения систем.

До возникновения термодинамики понятие времени по существу отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так и к прошлому.

Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Однако она не анализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул.

Концептуальная инновация, введенная термодинамикой, заключается в том, что она ввела в теоретическое описание необратимости, которой мы не находим ни в классической, ни даже в квантовой физике на уровне фундаментальных (основополагающих) законов. Хорошо известно что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы. Не менее известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот. Появление необратимости в физической теоретической картине мира вошло в конфликт с классической динамикой. Ведь для нее необратимость была лишь иллюзией, за которой теоретическая физика должна увидеть фундаментальные обратимые законы.

Конечно, устранение направленности времени из теоретического описания не означало грубого, непосредственного игнорирования темпоральности в мире. Оно находило свое выражение в стремлении выразить время через пространство, полностью погрузить его в геометрию, закрыв глаза на невыразимый в ней остаток. Это стремление стали называть геометризацией времени.

Начало этой тенденции положил основоположник современного естествознания Г.Галилей, когда начертил прямую ось как наглядный пространственный образ времени. Как показано выше, эта тенденция была развита и в классической, и в релятивистской физике. Такое направление развития соответствовало стилю мышления классической науки, убеждению, что за изменчивыми явлениями кажущейся сложной реальности стоят универсальные и вечные законы. Сложившийся статический взгляд на природу времени, который не замечал различия между прошлым и будущим, начал вызывать возражения с развитием термодинамики, а также эволюционных идей в других науках.

Найти в конкретном процессе причину асимметрии времени, показать, что направление времени является производным понятием “невременного” происхождения, оказалось очень заманчивой перспективой для многих ученых. Начало этому движению практически положил Л.Больцман (1844 – 1906). Л.Больцман полагал, что он нашел ключ к пониманию стрелы времени, что он доказал, что асимметрия времени определяется возрастанием энтропии изолированной системы, эволюционирующей от менее вероятных состояний к более вероятным со все большим молекулярным беспорядком. Концепция Больцмана встретилась с трудностями и породила дискуссию, которая не умолкла и сейчас. В 1872 году Больцман опубликовал Н – теорему, которая вместе с его же статистической интерпретацией второго начала термодинамики (т.е. закона о поведении энтропии в изолированных системах) была положена в основу теории необратимых процессов. Она породила острую дискуссию, связанную с ее принципиальной необратимостью, что не согласовывалось с обратимостью механики Ньютона – Гамильтона. Второе начало термодинамики говорит о том, что необратимые процессы приводят к асимметрии времени, к выделенности одного из направлений временного порядка, к направленности временного порядка: второе начало связывает направленность времени с возрастанием энтропии. Причем, направленность времени, связываемая со вторым началом, является фундаментальной, а не локальной. Она не может быть включена в схему симметричного динамического описания, как это можно сделать, например, с направленным временем в случае сверхслабого взаимодействия: распада К-ноль мезона.

Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в весьма своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции.

Очевидно, что такое понятие о времени и особенно об эволюции системы коренным образом отличается от понятия эволюции, которое лежало в основе теории Дарвина. В то время как в дарвиновской теории происхождения новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60-х гг. нашего века, пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов.

Второй закон термодинамики сразу же приобрел огромную популярность, какой в те времена (1850 – 1865 годы) еще никогда не знала физика. В 1852 году У.Томсон выдвинул идею тепловой смерти Вселенной. К такому же выводу пришел и Р.Клаузиус. В своих работах Р. Клаузиус, выдвигал 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 максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых и философов, но в середине прошлого века было еще мало научных аргументов для опровержения мнения Р. Клаузиуса и обоснования альтернативного взгляда. Некоторые авторы предполагали, что наряду с энтропийными процессами в природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению "тепловой смерти" во Вселенной. Другие высказывали сомнение в правомерности распространения понятий термодинамики, в частности энтропии, с отдельных систем на Вселенную в целом. Но только единицы догадывались, что само понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.

В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы являются именно открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой, которая также состоит из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. Информационный обмен осуществляется также в биологических системах, в частности при передаче генетической информации.

В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды.

Открытые системы и неравновесная термодинамика.

Классическая термодинамика в своем анализе систем в значительной мере абстрагировалась от их реальной сложности, в частности, отвлекалась от их взаимодействия с внешней средой. Поэтому ее исходное понятие закрытой, или изолированной, системы не отражало действительного положения вещей и приводило к противоречию с результатами исследований в биологии и социальных науках. Действительно, эволюционная теория Дарвина свидетельствовала, что живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения новых видов растений и животных. История, социология, экономика и другие социальные и гуманитарные науки показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги и движение вспять, в целом наблюдается также прогресс.

В противоположность этому классическая термодинамика утверждала, что физические и другие системы неживой природы эволюционируют в направлении усиления их беспорядка, разрушения и дезорганизации. В таком случае становилось непонятным, каким образом из неживой природы, системы которой имеют тенденцию к дезорганизации, могла появиться когда-либо живая природа, где системы, напротив, стремятся к совершенствованию и усложнению своей организации. Все это показывало, что результаты исследования классической термодинамики находились в явном противоречии с тем, что было хорошо известно из биологии, истории, социологии и других общественных наук.

Важно также подчеркнуть, что сами понятия времени и эволюции по-разному интерпретировались в прежней термодинамике, с одной стороны, и в биологии, социологии и истории, с другой. В самом деле, так называемая стрела времени связывалась в термодинамике с возрастанием энтропии системы, с усилением ее беспорядка и дезорганизации, тогда как в биологии и социологии она рассматривалась, наоборот, с точки зрения становления и совершенствования системы, увеличения в ней порядка и организации. Если эволюция в неживой природе истолковывалась как постепенное движение систем к их разрушению и дезорганизации, то в живой природе, наоборот, как медленное поступательное движение к усилению организации систем, их совершенствованию и усложнению. Недаром же вскоре после того как было сформулировано второе начало термодинамики, появились мрачные прогнозы о "тепловой смерти" Вселенной.

В чем же заключаются причины такого противопоставления точек зрения на понятия времени и эволюции? Как можно было разрешить противоречие, возникшее между представлениями классической термодинамики и биологии, социологии и истории? Очевидно, что для этого необходимо было пересмотреть те исходные понятия и принципы, которых придерживалась старая, классическая термодинамика, потому что они не соответствовали действительности, нашим наблюдениям, а также результатам исследований в биологических и социальных науках. Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной, системы представляет собой далеко идущую абстракцию и потому она слишком упрощает и огрубляет действительность, поскольку в ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не взаимодействовали с окружающей средой, состоящей также из систем. Поэтому в новой термодинамике место закрытой, изолированной, системы заняло принципиально иное фундаментальное понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Одно из первых определений этого понятия принадлежит выдающемуся австрийскому физику Эрвину Шредингеру (1887—1961), который сформулировал его в своей книге "Что такое жизнь? С точки зрения физика". В ней он ясно указал, что законы физики лежат в основе образования биологических структур, и подчеркнул, что характерная особенность биологических систем состоит в обмене энергией и веществом с окружающей средой. Он писал:

Средство, при помощи которого организм поддерживает себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточно низком уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды.

Взаимодействуя со средой, открытая система не может оставаться замкнутой, ибо она вынуждена заимствовать извне либо новое вещество или свежую энергию и одновременно выводить в среду использованное вещество и отработанную энергию. Поскольку между веществом (массой) и энергией существует глубокая взаимосвязь, выражаемая уравнением Эйнштейна: Е = тс2, то можно сказать, что в ходе своей эволюции система постоянно обменивается энергией с окружающей средой, а, следовательно, производит энтропию. Но в отличие от закрытых систем эта энтропия, характеризующая степень беспорядка в системе, не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Это означает, что использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая, свежая энергия, способная производить полезную работу.

Такого рода материальные структуры, способные диссипиировать, или рассеивать, энергию, называются диссипативными. Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывает Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду.

Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Так схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах.

Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера, с помощью которого можно получать мощные оптические излучения. Не вдаваясь в детали его функционирования, отметим, что хаотические колебательные движения составляющих его частиц благодаря поступлению энергии извне, при достаточной его "накачке," приводятся в согласованное движение. Они начинают колебаться в одинаковой фазе и вследствие этого мощность лазерного излучения многократно увеличивается. Этот пример свидетельствует, что в результате взаимодействия со средой за счет поступления дополнительной энергии прежние случайные колебания элементов такой системы, как лазер, превращаются в когерентное, согласованное коллективное движение. На этой основе возникают кооперативные процессы и происходит самоорганизация системы.

Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Герман Хакен (р. 1927) назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает совместное действие, или взаимодействие, и хорошо передает смысл и цель нового подхода к изучению явлений.

Другим примером может служить самоорганизация, которая возникает в химических реакциях. В них она связана с поступлением извне новых реагентов, т. е. веществ, обеспечивающих продолжение реакции, с одной стороны, и выведение в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Внешне самоорганизация проявляется здесь в появлении в жидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора, например, с синего на красный и обратно ("химические часы"). Эти реакции впервые были экспериментально изучены отечественными учеными Б. Белоусовым и А. Жаботинским. На их экспериментальной основе бельгийскими учеными во главе И. Р. Пригожиным (русским по происхождению, р. 1917 г.) была построена теоретическая модель, названная брюсселятором (по имени столицы Бельгии — Брюсселя). Эта модель легла в основу исследований новой термодинамики, которую часто называют неравновесной, или нелинейной. Как отмечает И. Р. Пригожин:

Переход от термодинамики (правильнее термостатики) равновесных состояний к термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии ряда областей науки.

О равновесии и неравновесии систем уже говорилось. Поясним, что понимается под нелинейностью в термодинамике и теории самоорганизации вообще. Отличительная черта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоит в том, что в них используются нелинейные математические уравнения, в которые входят переменные в степени выше первой (линейной). Хотя линейные уравнения и до сих пор часто применяются в физике и точном естествознании в целом, они оказываются неадекватными для описания открытых систем или же при весьма интенсивных воздействиях на системы. Именно с подобными системами и процессами имеет дело новая термодинамика и поэтому ее нередко называют нелинейной.

Развитие теорий состояний, далеких от равновесия, показывает, что для диссипативных систем с необходимостью возникают нелинейные уравнения, а с ними естественным образом возникает необратимость процессов, с которой связывают необратимость времени. В таком случае необратимость времени оказывается тесно связанной с неустойчивостями в открытых системах.

И.Р.Пригожин вводит два времени: динамическое и внутреннее. Динамическое время – это время, позволяющее задать описание движение точки в классической механике или изменение волновой функции в квантовой механике. Внутреннее время – это время, которое существует только для неустойчивых динамических систем. Оно характеризует состояние системы, связанное с энтропией.

Описание внутреннего времени сильно отличается от традиционного представления о времени как о величине, изоморфной прямой, идущей из далекого прошлого (t стремится к минус бесконечности) в далекое будущее (t стремится к плюс бесконечности) “Настоящее в таком представлении соответствует единственной точке, отделяющей прошлое рт будущего. Настоящее возникает ниоткуда и исчезает в никуда. Стянутое в точку, оно бесконечно близко и прошлому и будущему. “В нашем представлении, - пишет И.Р.Пригожин ,- прошлое отделено от будущего интервалом, длина которого определяется характерным временем тау, и настоящее обретает продолжительность”. При этом происходит, по выражению Пригожина, овременивание пространства, поскольку его характеристики связаны с характерным временем тау.

Принятие второго начала термодинамики в качестве фундаментального динамического принципа приводит к далеко идущим следствиям в наших представлениях о пространстве, времени и динамике. Применение второго начала позволяет определить внутреннее время Т, которое дает возможность сформулировать нарушение симметрии, лежащее в основе второго начала. Важно, что внутреннее время существует только для неустойчивых динамических систем. Необратимость и неустойчивость тесно связаны между собой: “необратимое, ориентированное время может появиться только потому, что будущее не содержится в настоящем. … мы приходим к выводу, что нарушенная временная симметрия является существенным элементом нашего понимания природы”.

Самоорганизация как свойство открытых систем

Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы, прежде всего в физике и химии, имеет огромное научное и философско-мировоззренческое значение. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в фундаменте самого "здания материи", и тем самым проливает новый свет на взаимосвязь живой природы с неживой. С такой точки зрения возникновение жизни на Земле не кажется теперь таким редким и случайным явлением, как об этом говорили многие ученые раньше. С позиции самоорганизации становится также ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции.

Как же объясняет современная наука, и в частности, синергетика процесс самоорганизации систем?

1. Для этого система должна быть открытой, потому что закрытая, изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна придти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому неспособна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум ее самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов придет в состояние полной дезорганизации.

3. Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к "расшатыванию" прежнего порядка и возникновению нового порядка.

Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер (а именно: с них начинается возникновение нового порядка и структуры), то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. В этом выводе находит свое конкретное подтверждение гениальная догадка античных философов Эпикура (341—270 до н. э.) и Лукреция Кара (99—45 до н. э.), требовавших допущения случайности для объяснения появления нового в развитии мира.

4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на диаметрально противоположный принцип — положительную обратную связь. Функционирование различных технических регуляторов и автоматов основывается на принципе отрицательной связи, т.е. получении обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. Для понимания самоорганизации следует обратиться к принципу положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

6. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Здесь перечислены необходимые, но далеко недостаточные условия для возникновения самоорганизации в различных системах природы. Даже в химических самоорганизующихся системах, которые изучали Белоусов и Жаботинский, в "игру" вступают такие новые факторы, как процессы катализа, которые ускоряют химические реакции. Поэтому можно сделать вывод, что чем выше мы поднимаемся по эволюционной лестнице развития систем, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые играют роль в самоорганизации.

Список литературы: