kse_lect_2010_zao_2

Более глубокий смысл второго начала состоит в том, что замкнутые системы эволюционируют к наиболее устойчивому состоянию, когда все части такой системы приходят в состояние взаимного теплового равновесия. С одной стороны, такое состояние является наиболее вероятным из всех возможных, поскольку при любых малых отклонениях (флуктуациях) от него система вернется в это же состояние. С другой стороны, в этом состоянии система будет максимально однородной для обеспечения равновесия. Таким образом, второе начало термодинамики утверждает непременное возрастание меры хаоса (энтропии) и разрушение упорядоченной структуры (потерю со временем информации) в замкнутых системах.

Возникновение упорядоченных структур связано с ростом информации и, следовательно, с падением энтропии. Упорядоченное состояние менее вероятно, чем состояние термодинамического равновесия, и для того чтобы система пришла в такое «маловероятное» состояние, она или должна быть в начальный момент времени далека от состояния термодинамического равновесия, или неравновесность в ней должна все время поддерживаться внешними воздействиями – т.е. система должна быть открытой.

Равновесие каждого малого элемента открытой системы нарушается из-за протекающих через него потоков энергии. Если эти элементы взаимосвязаны, они образуют так называемую распределенную активную среду, в которой благодаря коллективным эффектам становится возможным формирование различных стационарных или динамических (изменяющиеся во времени) упорядоченных структур.

Таким образом, условия неравновесности и открытости являются необходимыми для нарушения второго начала и возникновения процессов самоорганизации. Из-за особой важности роли коллективных эффектов в этих процессах, изучающее их научное направление получило название

синергетики.

Процессы самоорганизации составляют большой класс явлений в системах разной природы – физических, химических, биологических, социальных. И для всех таких систем характерны непрерывные приток энергии от внешнего источника и ее диссипация (рассеяние), поэтому такие системы также называют диссипативными. Существуют множество относительно простых диссипативных систем: образование волнового рельефа песка под действием дующего ветра, возникновение шестиугольных конвективных ячеек Рэлея-Бенара в жидкости, налитой в сосуд, подогреваемый снизу, в северных сияниях, обусловленных взаимодействием электронов, направляющихся от солнца и захваченных магнитным полем Земли и электронами и ионами ионосферы и др.

Даже в системе с малым числом частиц могут наблюдаться очень сложные движения. В таких системах малые изменения в начальных условиях приводят к почти непредсказуемым изменениям траекторий. Такой характер движения принято определять термином

детерминированный (динамический) хаос, подчеркивая этим отсутствие в системе источников беспорядка. При этом процессы в системе теряют свойство обратимости. Действительно, все основные законы физики обратимы во времени, т.е. если система была выведена из исходного состояния, то возможно и ее возвращение в него. Однако при возникновении динамического хаоса становится необходимым описание эволюции сравнительно простых систем в терминах вероятности, что делает невозможной обратимость таких процессов.