Концепція необоротності й термодинаміка. Самоорганізація у відкритих системах

Концепція необоротності й термодинаміка

Найбільш різке протиріччя в 19 столітті виникло між колишньою фізикою й еволюційною теорією Дарвіна. Якщо, наприклад, у механіку всі процеси представляються оборотними, позбавленими своєї історії й розвитку, то теорія Дарвіна переконливо довела, що нові види рослин і тварин виникають у ході еволюції в результаті боротьби за існування. У цій боротьбі виживають ті організми, які виявляються краще пристосованими до умов, що змінилися, навколишнього середовища. Отже, у живій природі всі процеси є необоротними. Те ж саме можна сказати в принципі й про соціально-економічні, культурно-історичні й гуманітарні системи, хоча еволюція в природі відбувається значно повільніше, ніж у суспільстві.

Фізика наближалася до дозволу зазначеного вище протиріччя через перегляд і створення ряду проміжних концепцій, однієї з яких є ідея про еволюцію систем, але не убік посилення їхньої організації й складності, а навпроти, - убік дезорганізації й руйнування систем.

Поняття часу в класичній термодинаміці

До виникнення термодинаміки поняття часу по суті було відсутнє в класичній фізиці в тім виді, у якому воно розглядається в реальному житті й у науках, що вивчає процеси, що протікають у часі й має свою історію. Хоча в якості змінної час входить в усі рівняння класичної й квантової механіки, проте воно не відбиває внутрішні зміни, які відбуваються в системі. Саме тому в рівняннях фізики його знак можна міняти на зворотний, тобто відносити його як майбутньому, так і до минулого.

Положення істотно змінилося після того, як фізика впритул зайнялася вивченням теплових процесів, закони яких були сформульовані в класичній термодинаміці. Якщо колишня динаміка описувала закони руху тіл під впливом зовнішніх сил, свідомо відволікаючись від внутрішніх змін, що відбуваються в механічних системах, то термодинаміка змушена була досліджувати фізичні процеси при різних перетвореннях теплової енергії. Однак вона не аналізує внутрішню будову термодинамічних систем, як це робить статистична фізика, що розглядає теплоту як безладний рух величезного числа молекул.

Термодинаміка виникла з узагальнення численних фактів, що описують явища передачі, поширення й перетворення тепла. Самим очевидним є той факт, що поширення тепла являє собою необоротний процес. Добре відомо, наприклад, що тепло, що виникло в результаті тертя або виконання іншої механічної роботи, не можна знову перетворити в енергію й потім використовувати для виробництва роботи. Не менш відомо, що тепло передається від гарячого тіла до холодного, а не навпаки.

З іншого боку, шляхом точних експериментів було доведено, що теплова енергія перетворюється в механічну енергію в строго певних кількостях. Існування такого механічного еквівалента для теплоти свідчило про її збереження. Всі ці численні факти й знайшли своє узагальнення й теоретичне пояснення в законах класичної термодинаміки:

Якщо до системи підводить тепло Q і над нею виробляється робота W, то енергія системи зростає до величини U: U= Q + W.

Цю енергію називають внутрішньою енергією системи, і вона показує, що тепло, отримане системою, не зникає, а затрачається на збільшення внутрішньої енергії й виробництво роботи, тобто Q= U-W.

Процес, єдиним результатом якого було б вилучення тепла з резервуара, неможливий.

Наведені формулювання відбивають зв'язку, які існують між тепловою енергією й отриманої за її рахунок роботою. У першому законі мова йде про збереження енергії, у другому - про неможливість виробництва роботи винятково за рахунок вилучення тепла з одного резервуара при постійній температурі. Наприклад, не можна зробити роботу за рахунок охолодження озера, моря або іншого резервуара при сталій температурі. Таким чином, другий закон, або початок термодинаміки, можна сформулювати простіше, як уперше це зробив французький учений Сади Карно (1796-1832).

Неможливо здійснити процес, єдиним результатом якого було б перетворення тепла в роботу при постійній температурі.

Іноді цей закон виражають у ще більш простій формі:

Тепло не може перетекти мимовільно від холодного тіла до гарячого.

Надалі німецький фізик Рудольф Клаузиус (1822-1888) використовував для формулювання другого закону термодинаміки поняття ентропії, що згодом австрійський фізик Людвіг Больцман (18441906) інтерпретував у термінах зміни порядку в системі. Коли ентропія системи зростає, то відповідно підсилюється безладдя в системі. У такому випадку другий закон термодинаміки постулює:

Ентропія замкнутої системи, тобто системи, що не обмінюється з оточенням ні енергією ні речовиною, постійно зростає.

А це означає, що такі системи еволюціонують убік збільшення в них безладдя, хаосу й дезорганізації, поки не досягнуть крапки термодинамічної рівноваги, у якій усяке виробництво роботи стає неможливим.

Оскільки про зміну систем у класичній термодинаміці ми можемо судити по збільшенню їхньої ентропії, те остання й виступає як своєрідна стріла часу. У механічних процесах ні про який реальний час говорити не доводиться. Задавши в них початковий стан (координати й імпульси), можна, відповідно до рівнянь руху, однозначно визначити будь-який інший її стан у майбутньому або минулому. Тому час у них виступає просто як параметр, знак якого можна міняти на зворотний, і в такий спосіб повернутися до первісного стану системи. Нічого подібного не зустрічається в термодинамічних процесах, які є необоротними по своїй природі.

Термодинаміка вперше ввела у фізику поняття часу в досить своєрідній формі, а саме необоротного процесу зростання ентропії в системі. Чим вище ентропія системи, тим більший часовий проміжок пройшла система у своїй еволюції.

Очевидно, що таке поняття про час і особливо про еволюцію системи докорінно відрізняється від поняття еволюції, що лежало в основі теорії Дарвіна. У той час як у дарвінівській теорії походження нових видів рослин і тварин шляхом природного добору еволюція спрямована на виживання більше зроблених організмів і ускладнення їхньої організації, у термодинаміку еволюція зв'язувалася з дезорганізацією систем. Це протиріччя залишалося недозволеним аж до 60-х рр. нашого століття, поки не з'явилася нова, нерівновага термодинаміка, що опирається на концепцію необоротних процесів.

Класична термодинаміка виявилася нездатної вирішити й космологічні проблеми характеру процесів, що відбуваються у Всесвіті. Першу спробу поширити закони термодинаміки на Всесвіт почав один із засновників цієї теорії - Р. Клаузиус, що висунув два постулати:

- енергія Всесвіту завжди постійна;

- ентропія Всесвіту завжди зростає. Якщо прийняти другий постулат, то необхідно визнати, що всі процеси у Всесвіті спрямовані убік досягнення стану термодинамічної рівноваги, що відповідає максимуму ентропії, а отже, стану, характерного найбільшим ступенем хаосу, безладдя й дезорганізації. У такому випадку у Всесвіті наступить теплова смерть і ніяка корисна робота в ній зробити буде не можна. Такі похмурі прогнози зустріли критикові з боку ряду видатних учених і філософів, але в середині минулого століття було ще мало наукових аргументів для спростування думки Р. Клаузиуса й обґрунтування альтернативного погляду. Деякі автори припускали, що поряд з ентропийними процесами в природі відбуваються антіентропийні процеси, які перешкоджають настанню «теплової смерті» у Всесвіті. Інші висловлювали сумнів у правомірності поширення понять термодинаміки, зокрема ентропії, з окремих систем на Всесвіт у цілому. Але тільки одиниці догадувалися, що саме поняття закритої, або ізольованої, системи є далеко, що йде абстракцією, що не відбиває реальний характер систем, які зустрічаються в природі.

Відкриті системи й нова термодинаміка

На відміну від закритих, або ізольованих, відкриті системи обмінюються з навколишнім середовищем енергією, речовиною й інформацією. Всі реальні системи є саме відкритими. У неорганічній природі вони обмінюються із зовнішнім середовищем, що також складається з різних систем, що володіють енергією й речовиною. У соціальних і гуманітарних системах до цього додається обмін інформацією. Інформаційний обмін здійснюється також у біологічних системах, зокрема при передачі генетичної інформації.

У відкритих системах також виробляється ентропія, оскільки в них відбуваються необоротні процеси, але ентропія в цих системах не накопичується, як у закритих системах, а виводиться в навколишнє середовище. Оскільки ентропія характеризує ступінь безладдя в системі, остільки можна сказати, що відкриті системи живуть за рахунок запозичення порядку із зовнішнього середовища.

Відкриті системи й нерівновага термодинаміки

Класична термодинаміка у своєму аналізі систем значною мірою абстрагувалася від їхньої реальної складності, зокрема, відволікалася від їхньої взаємодії із зовнішнім середовищем. Тому її вихідне поняття закритої, або ізольованої, системи не відбивало дійсного положення речей і приводило до протиріччя з результатами досліджень у біології й соціальних науках. Дійсно, еволюційна теорія Дарвіна свідчила, що живаючи природа розвивається в напрямку вдосконалення й ускладнення нових видів рослин і тварин. Історія, соціологія, економіка й інші соціальні й гуманітарні науки показували, що в суспільстві, незважаючи на окремі зиґзаґи й рух назад, у цілому спостерігається також прогрес.

На противагу цьому класична термодинаміка затверджувала, що фізичні й інші системи неживої природи еволюціонують у напрямку посилення їхнього безладдя, руйнування й дезорганізації. У такому випадку ставало незрозумілим, яким образом з неживої природи, системи якої мають тенденцію до дезорганізації, могла з'явитися коли-або живаючи природа, де системи, навпроти, прагнуть до вдосконалювання й ускладнення своєї організації. Все це показувало, що результати дослідження класичної термодинаміки перебували в явному протиріччі з тим, що було гарно відомо з біології, історії, соціології й інших суспільних наук.

Важливо також підкреслити, що самі поняття часу й еволюції по-різному інтерпретувалися в колишній термодинаміці, з одного боку, і в біології, соціології й історії, з іншої. Справді, так звана стріла часу зв'язувалася в термодинаміку зі зростанням ентропії системи, з посиленням її безладдя й дезорганізації, тоді як у біології й соціології вона розглядалася, навпаки, з погляду становлення й удосконалювання системи, збільшення в ній порядку й організації. Якщо еволюція в неживій природі витлумачувалася як поступовий рух систем до їхнього руйнування й дезорганізації, то в живій природі, навпаки, як повільний поступальний рух до посилення організації систем, їхньому вдосконалюванню й ускладненню. Недарма ж незабаром після того як був сформульований другий початок термодинаміки, з'явилися похмурі прогнози про «теплову смерть» Всесвіту.

У чому ж полягають причини такого протиставлення точок зору на поняття часу й еволюції? Як можна було дозволити протиріччя, що виникло між поданнями класичної термодинаміки й біології, соціології й історії? Очевидно, що для цього необхідно було переглянути ті вихідні поняття й принципи, яких дотримувалася стара, класична термодинаміка, тому що вони не відповідали дійсності, нашим спостереженням, а також результатам досліджень у біологічних і соціальних науках. Досвід і практична діяльність свідчили, що поняття закритої, або ізольованої, системи являє собою далеко, що йде абстракцію, і тому вона занадто спрощує дійсність, оскільки в ній важко або навіть неможливо знайти системи, які б не взаємодіяли з навколишнім середовищем, що складається також із систем. Тому в новій термодинаміці місце закритої, ізольованої, системи зайняло принципово інше фундаментальне поняття відкритої системи, що здатна обмінюватися з навколишнім середовищем речовиною, енергією й інформацією.

Одне з перших визначень цього поняття належить видатному австрійському фізикові Ервину Шредингеру (1887-1961), що сформулював його у своїй книзі «Що таке життя? З погляду фізика». У ній він ясно вказав, що закони фізики лежать в основі утворення біологічних структур, і підкреслив, що характерна риса біологічних систем складається в обміні енергією й речовиною з навколишнім середовищем. Він писав:

Засіб, за допомогою якого організм підтримує себе постійно на досить високому рівні впорядкованості (дорівнює на досить низькому рівні ентропії), у дійсності складається в безперервному витягу впорядкованості з навколишнього його середовища.

Взаємодіючи із середовищем, відкрите система не може залишатися замкнутої, тому що вона змушена запозичити ззовні або нову речовину або свіжу енергію й одночасно виводити в середовище використана речовина й відпрацьована енергія.

Але на відміну від закритих систем ця ентропія, що характеризує ступінь безладдя в системі, не накопичується в ній, а віддаляється в навколишнє середовище. Це означає, що використана, відпрацьована енергія розсіюється в навколишнім середовищі й замість її із середовища витягає нова, свіжа енергія, здатна робити корисну роботу.

Такого роду матеріальні структури, здатні розсіювати, енергію, називаються дисипативними. Звідси стає ясним, що відкрита система не може бути рівноважної, тому що її функціонування вимагає безперервного надходження із зовнішнього середовища енергії або речовини, багатого енергією. У результаті такої взаємодії система, як указує Шредингер, витягає порядок з навколишнього середовища й тим самим вносить безладдя в це середовище.

Очевидно, що з надходженням нової енергії або речовини неравноважність у системі зростає. В остаточному підсумку колишній взаємозв'язок між елементами системи, що визначає її структуру, руйнується. Між елементами системи виникають нові зв'язки, які приводять до кооперативних процесів, тобто до колективного поводження її елементів. Так схематично можуть бути описані процеси самоорганізації у відкритих системах.

Наочною ілюстрацією процесів самоорганізації може служити робота лазера, за допомогою якого можна одержувати потужні оптичні випромінювання. Не вдаючись у деталі його функціонування, відзначимо, що хаотичні коливальні рухи тридцятилітніх його часток завдяки надходженню енергії ззовні, при достатній його «накачуванні» приводяться в погоджений рух. Вони починають коливатися в однаковій фазі й внаслідок цього потужність лазерного випромінювання багаторазово збільшується. Цей приклад свідчить, що в результаті взаємодії із середовищем за рахунок надходження додаткової енергії колишні випадкові коливання елементів такої системи, як лазер, перетворюються в когерентний, погоджений колективний рух. На цій основі виникають кооперативні процеси й відбувається самоорганізація системи.

Вивчаючи процеси самоорганізації, що відбуваються в лазері, німецький фізик Герман Хакен (р. 1927) назвав новий напрямок досліджень сінергетикою, що в перекладі з давньогрецького означає спільну дію, або взаємодія, і добре передає зміст і ціль нового підходу до вивчення явищ.

Іншим прикладом може служити самоорганізація, що виникає в хімічних реакціях. У них вона пов'язана з надходженням ззовні нових реагентів, тобто речовин, що забезпечують продовження реакції, з одного боку, і виведення в навколишнє середовище продуктів реакції, з іншої сторони. Зовні самоорганізація проявляється тут у появі в рідкому середовищі концентричних хвиль або в періодичній зміні цвіту розчину, наприклад, із синього на червоний і назад («хімічні годинники»). Ці реакції вперше були експериментально вивчені вітчизняними вченими Б. Белоусовим і А. Жаботинським. На їхній експериментальній основі бельгійськими вченими на чолі І. Р. Пригожиним (росіянином по походженню, р. 1917 р.) була побудована теоретична модель, названа брюсселятором (по ім'ю столиці Бельгії - Брюсселя). Ця модель лягла в основу досліджень нової термодинаміки, що часто називають нерівновагою, або нелінійної. Як відзначає И. Р. Пригожин:

Перехід від термодинаміки (вірніше термостатики) рівноважних станів до термодинаміки нерівновагих процесів, безсумнівно, знаменує прогрес у розвитку ряду галузей науки.

Про рівновагу й нерівновагу систем уже говорилося. Пояснимо, що розуміється під нелінійністю в термодинаміку й теорії самоорганізації взагалі. Відмітна риса моделей, що описують відкриті системи й процеси самоорганізації, полягає в тому, що в них використовуються нелінійні математичні рівняння, у які входять змінні в ступені вище першої (лінійної). Хоча лінійні рівняння й дотепер часто застосовуються у фізику й точному природознавстві в цілому, вони виявляються неадекватними для опису відкритих систем або ж при досить інтенсивних впливах на системи. Саме з подібними системами й процесами має справа нова термодинаміка й тому її нерідко називають нелінійною.

Самоорганізація у відкритих системах

Відкриття самоорганізації в найпростіших системах неорганічної природи, насамперед у фізику й хімії, має величезне наукове й філолофсько-світоглядне значення. Воно показує, що такі процеси можуть відбуватися у фундаменті самого «будинку матерії», і тим самим проливає нове світло на взаємозв'язок живої природи з неживий. З такого погляду виникнення життя на Землі не здається тепер таким рідким і випадковим явищем, як про це говорили багато вчених раніше. З позиції самоорганізації стає також ясним, що весь навколишній нас мир і Всесвіт являють собою сукупність різноманітних процесів, що самоорганізуються, які є основою будь-якої еволюції.

Як же пояснює сучасна наука, і зокрема, сінергетика процес самоорганізації систем?

1. Для цього система повинна бути відкритої, тому що закрита, ізольована система у відповідності із другим законом термодинаміки в остаточному підсумку повинна прийти в стан, характеризуємо максимальним безладдям або дезорганізацією.

2. Відкрита система повинна перебувати досить далеко від крапки термодинамічної рівноваги. Якщо система перебуває в крапці рівноваги, то вона має максимальну ентропію й тому нездатне до якої-небудь організації: у цьому положенні досягається максимум її самодезорганізації. Якщо ж система розташована поблизу або недалеко від крапки рівноваги, то згодом вона наблизиться до неї й зрештою прийде в стан повної дезорганізації.

3. Якщо принципом, що впорядковує, для ізольованих систем є еволюція убік збільшення їхньої ентропії або посилення їхнього безладдя (принцип Больцмана), то фундаментальним принципом самоорганізації служить, навпроти, виникнення й посилення порядку через флуктуації. Такі флуктуації, або випадкові відхилення системи від деякого середнього положення, на самому початку придушуються й ліквідуються системою. Однак у відкритих системах завдяки посиленню неравноважності ці відхилення згодом зростають і зрештою приводять до «розхитування» колишнього порядку й виникненню нового порядку.

Цей процес звичайно характеризують як принцип утворення порядку через флуктуації. Оскільки флуктуації носять випадковий характер (а саме: з них починається виникнення нового порядку й структури), те стає ясним, що поява нового у світі завжди пов'язане з дією випадкових факторів. У цьому висновку знаходить своє конкретне підтвердження геніальний здогад античних філософів Епікура (341-270 до н.е.) і Лукреція Кара (99-45 до н.е.), що вимагала допущення випадковості для пояснення появи нового в розвитку миру.

4. На відміну від принципу негативного зворотного зв'язку, на якому ґрунтується керування й збереження динамічної рівноваги систем, виникнення самоорганізації опирається на діаметрально протилежний принцип - позитивний зворотний зв'язок. Функціонування різних технічних регуляторів і автоматів ґрунтується на принципі негативного зв'язку, тобто одержанні зворотних сигналів від виконавчих органів щодо положення системи й наступного коректування цього положення керуючими пристроями. Для розуміння самоорганізації варто звернутися до принципу позитивного зворотного зв'язку, відповідно до якого зміни, що з'являються в системі, не усуваються, а навпроти, накопичуються й підсилюються, що й приводить зрештою до виникнення нового порядку й структури.

5. Процеси самоорганізації, як і переходи від одних структур до інших, супроводжуються порушенням симетрії. Процеси самоорганізації, пов'язані з необоротними змінами, приводять до руйнування старих і виникненню нових структур.

6. Самоорганізація може початися лише в системах, що володіють достатньою кількістю взаємодіючих між собою елементів і, отже, що має деякі критичні розміри. У противному випадку ефекти від сінергетичної взаємодії будуть недостатні для появи кооперативного (колективного) поводження елементів системи й тим самим виникнення самоорганізації.

Ми перелічили необхідні, але далеко не всі умови для виникнення самоорганізації в різних системах природи. Навіть у хімічних системах, що самоорганізуються, які вивчали Белоусов і Жаботинський, в «гру» вступають такі нові фактори, як процеси каталізу, які прискорюють хімічні реакції. Тому можна зробити висновок, що чим вище ми піднімаємося по еволюційним сходам розвитку систем, тим більш складними і численними виявляються фактори, які відіграють роль у самоорганізації.

Література

1. Аскин Я.Ф. Проблема времени. Её физическое истолкование. - М., 1986.

2. Ахундов М.Д. Концепції простору й часу: джерела, еволюція, перспективи, - К., 1992.

3. КСЕ. Для студентов вузов. - Р.-на- Д., 1997

4. Осипов А.И. Простір і час як категорії світогляду й регулятори практичної діяльності. - К., 1989.

5. Основи філософії. //за ред. О.Г.Спиркіна - К., 1993.