54. Самоорганизация и классическая термодинамика

Согласно современным представлениям, элементарным процессом эволюции является самоорганизация. Можно сказать, что в сущности эволюция состоит из бесконечной последовательности процессов самоорганизации. В широком смысле слова под самоорганизацией понимают тенденцию развития природы от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации материи. В более узком понимании самоорганизация есть спонтанный переход открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Самоорганизующиеся системы должны отвечать определенным требованиям: 1) они должны быть неравновесными или находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия; 2) они должны быть открытыми и получать приток энергии, вещества и информации извне. По Г. Хакену, систему можно назвать самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием понимается такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В последнее время сущность самоорганизации в открытых системах изучается в новой области естествознания - синергетике, которая охватывает все проблемы, связанные с образованием упорядоченных структур в сложных системах в результате скоррелированного поведения подсистем. Ее основные идеи восходят к Э. Шрёдингеру, A.M. Тьюрингу, Л. фон Берталанфи и др.

Для того чтобы понять сущность самоорганизующихся систем, которые рассматривает синергетика, напомним, что выделяют закрытые системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Поведение закрытых систем рассматривается в рамках классической термодинамики. Центральным понятием термодинамики является энтропия S — функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению количества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре Т системы: dS = dQ/T. Неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, приближая систему к состоянию равновесия, в котором энтропия максимальна.

По отношению к закрытым системам были сформулированы два из трех начал термодинамики. Первое начало термодинамики по существу является законом сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам. Согласно первому началу, в закрытой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы.

Второе начало термодинамики именуется законом возрастания энтропии и гласит, что в замкнутой системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах).

Другими словами, невозможен переход теплоты от более холодного тела к более нагретому без каких-либо других изменений в системе или окружающей среде. На основании второго начала термодинамики была сформулирована модель «тепловой смерти» Вселенной, согласно которой все виды энергии во Вселенной постепенно переходят в тепловую энергию, а Вселенная неизбежно приближается к тепловой смерти.

Использование второго начала имеет глубокий естественнонаучный смысл. С его помощью описывается достаточно широкий класс явлений. Приведем несколько примеров: 1) если холодное тело вступило в контакт с нагретым, обмен теплотой происходит так, что в конце концов температуры обоих тел выравниваются; система становится совершенно однородной, а процесс идет лишь в одном направлении; 2) если из сосуда, часть которого заполнена газом, убрать перегородку, газ заполнит все пространство. Противоположный процесс не происходит: газ сам по себе не сконцентрируется в половине объема сосуда; 3) след, который самолет оставляет за собой в небе, постепенно размывается и исчезает. Во всех этих случаях системы эволюционируют к единственному конечному состоянию - состоянию теплового равновесия. Первоначальные структуры исчезают, заменяясь однородными системами. Именно такие явления описываются классической термодинамикой.

Накопившиеся данные позволили в рамках неравновесной термодинамики и синергетики сформулировать следующие постулаты: 1) процессы разрушения систем и их самоорганизации во Вселенной равноправны; 2) процессы нарастания сложности и упорядоченности имеют в основном единый алгоритм, который не зависит от природы систем, т.е. существует достаточно универсальный механизм самоорганизации в живой и неживой природе.