§ 5.3. Термодинамическое древо

Зерно термодинамики было найдено судовым врачом Юлиусом Робертом Майером (1814-1878), подарившем физике одно из основных термодинамических соотношений с_р-с_v= R, где R - работа расширения одного моля газа при постоянном давлении, впоследствии названное уравнением Майера. В левой части уравнения стоит разность удельных теплоёмкостей, которая приравнивается работе, совершаемой расширяющимся газом при том же условии постоянства давления. Проблема взаимоотношений теплоты и движения издревле волновала ученые умы, и в первой половине XIX в. все главные точки над i в этом вопросе были обозначены общими усилиями представителей европейской науки. Главной задачей, которую поставил себе вошедший в историю физики судовой врач, было определение механического эквивалента теплоты, которое он выполнил в 1842 г. В отличие от последующих, гораздо более квалифицированных физиков и инженеров, основателей термодинамики, по сути являющихся экспериментаторами, Майера привлекала скорее всего даже не медицинская или биохимическая, а философская сторона исследования связи "живой силы" (кинетической энергии), которой обладают движущиеся по закону Ньютона тела, с теплотой, отдаваемой сжатыми газами. Мало того, он рассматривал всю жизнедеятельность организмов, населяющих Землю с точки зрения, как бы сейчас сказали, энергетических потребителей Солнца.

Открытие закона сохранения энергии и определение механического эквивалента тепла современниками Майера Дж. Джоулем и Г. Фон Гельмгольцем происходило с иных позиций, а именно - экспериментальной физики.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889), учёный-любитель, сын богатого манчестерского пивовара, владелец лондонского пивоваренного завода, в 1843 г., когда ему не было ещё 25 лет, сделал сообщение о превращении тепла, нагревающего 1 фунт воды на 1 ° Фаренгейта, в механическую силу, способную поднять 838 фунтов на высоту 1 фут. Доклад начинающего экспериментатора был принят собранием Британской Ассоциации с недоверием... В 50-х годах позапрошлого века совместно с Уильямом Томсоном (1824-1907), - будущим лордом Кельвином, автором термина "термо-динамика", что в прямом переводе с греческого означает "теплота-сила (движение)", а в трансформированном - "теплота-работа", он провёл знаменитый эксперимент установившегося перехода газа под воздействием разности давлений, приведший к открытию эффекта Джоуля-Томсона и теоретической оценке энтальпии (суммы внутренней энергии и работы идеального газа), а в 60-х и 70-х годах вошёл в состав комиссии по определению механического эквивалента теплоты.

Д . П. Джоуль

После встречи с Джоулем Томсон изменил свою точку зрения на главный параметр физики, за который он принимал силу. Теперь появилось более фундаментальное понятие - энергия - "божественный дар творца вселенной на вечные времена", тогда как "сила эфемерна - она может появляться и исчезать". Будучи другом как Джоуля, так и Гельмгольца, Томсон объединил всеобщие результаты ареопага в докладе "О динамической теории тепла" (1851).

Как известно, общая теория теплоты или термодинамика построена на аксиомах (началах) исходя из опытных данных. Внутреннее движение частиц и строение вещества остаётся за порогом тайны, и теплота считается набором неизвестной природы форм перехода материи за счёт превращения энергии, отличающейся от материи отсутствием веса.

Разные формы энергии - механическая работа, электричество и теплота - стали подвластны расчётам благодаря сформулированному закону сохранения энергии - величайшему физическому открытию середины XIX в. Теперь все стороны деятельности человека и природы рассматривались с точки зрения их энергетики. Возникла даже "школа энергетизма", возглавляемая Джоном Тиндалем (1820-1893) и автором термина энергия в современном понимании (слово энергия, то есть по-гречески - деятельность, встречалось ещё у Аристотеля и было возрождено Томасом Юнгом в 1807 г.) Уильямом Джоном Макуорном Ранкином (1820-1872), которая считала механистические понятия материи и силы не реалистическими, а единственным объективным критерием физики принимала энергию, в будущем - "царицу мира".

Т омсону и Клаузиусу мы обязаны появлением первого и второго начал термодинамики. Помимо соавторства открытия термодинамики и множества других научных достижений, надо отметить океанографический вклад сэра Уильяма в подводную телеграфию, благодаря которой Великобритания получила лидерство в этой области среди морских держав.

У. Томсон

В свои 34 года, когда Томсона стали величать сэром Уильямом, в 1858 г. пришло первое сообщение, принятое по трансатлантическому кабелю, проложенному по дну океана: "Европа и Америка имеют телеграфную связь! Слава Богу на небесах и Миру на земле и добрые пожелания всем людям!" Это была заслуга Томсона, отмеченная муниципалитетом Глазго избранием автора почетным гражданином и присвоением рыцарского звания. Королева Виктория даровала сэру Томсону звание пэра. Однако лорд Уильям не остановился на карьерных достижениях, успехах в фундаментальных науках и прикладных работах по укладке кабеля. Научный лидер морской державы не мог пройти мимо проблем морской навигации - среди его изобретений были эхолот непрерывного действия, мареограф и усовершенствованный морской компас. До него компас представлял собой сухопутный прибор, не рассчитанный на воздействие бортовой и килевой качки. Томсон изобрел карданное приспособление для компенсации помех, создаваемых качкой корабля, что намного облегчило работу штурманов, один из которых подытожил многочисленные заслуги учёного в области технических усовершенствований морских приборов весьма эмоциональным высказыванием: "Каждый моряк должен молиться за него еженощно!". За свою долгую и счастливую жизнь Кельвин внёс огромный вклад в термо- и гидродинамику, электротехнику, математику и многие другие отрасли науки и имел 70 патентов на изобретённые им приборы.

Г ерман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821-1894), до 1845 г. эскадронный хирург гусарского полка стал общепризнанным лидером физической науки второй половины XIX столетия. В 1847 г. на заседании Берлинского физического общества он сделал доклад "О сохранении силы". Так же как у его коллеги по медицине Роберта Майера, работа не была принята в физический журнал, но опубликована отдельной брошюрой. В отличие от двух своих предшественников, Гельмгольц исходил из невозможности существования вечного двигателя и во главу угла ставил принцип сохранения "живых сил", сумма которых при взаимодействии материальных точек "... остается одна и та же во все моменты времени, в которые все точки получают те же самые относительные положения друг по отношению к другу и по отношению к существующим центрам, каковы бы ни были их траектории и скорости в промежутках между соответствующими моментами". Подтверждение закона, как сказали бы наши современники, сохранения и превращения энергии, по мнению автора, должно быть рассматриваемо как одна из главных задач ближайшего будущего.

Г. Л. Ф. Гельмгольц

Физиологический термин живая сила, перейдя из медицинского миропонимания в физическое мировоззрение, впоследствии стал обозначать энергию. Действительно, непонятная внутренняя двигательная сила расширяющегося в цилиндре и двигающего поршень пара не могла не ассоциироваться с "понятной" мускульной деятельностью мышц человека и животных, как стало ясным из медицинского опыта, невозможной без сгорания в организме пищи - своего рода топлива, тепло которого превращается в движение. Медицина пока давала физике только интуитивные прообразы термодинамических процессов, которые наблюдались всеми без исключения повсеместно не только в живых организмах, но и в атмосфере и в океане.

Однако измерить или взвесить ускользающее тепло не было никакой возможности, можно было лишь констатировать результаты его воздействия на некоторый объём за счёт расширения или сжатия газов, главными из которых были пар, извергаемый кипящей водой и толкавший поршень, и поднимающийся над обширными полями влажный воздух, в восходящих токах которого чертили свои загадочные круги парящие птицы. Был ещё один косвенный показатель трансформации тепла - животворный кислород, превращающий отработанную венозную кровь в артериальную. (Концентрация растворённого кислорода в будущем станет третьим из самых показательных параметров морской воды - температуры, солености и кислорода - и послужит нам универсальным ключом для оценок адвекции, конвекции и биологической составляющей кислородного бюджета водных масс: § 9.3).

И нтересно, что медицинский поход Майера в физику способствовал внедрению физических понятий в биологию. Именно Роберт Майер вдохновил К. А. Тимирязева на создание книги "Солнце, жизнь и хлорофилл". "Природа, - пишет Майер, - поставила перед собой задачу поймать на лету льющийся на Землю свет и накопить самую подвижную силу, приведя её в неподвижное состояние. Для достижения этой цели она покрыла земную кору организмами, которые, живя, поглощают солнечный свет и при использовании этой силы порождают непрерывно возобновляющуюся сумму химических различий. Этими организмами являются растения".

К. А. Тимирязев

Таким образом, 40-е годы XIX в. стали временем рождения самого универсального закона природы - закона сохранения энергии. Но признание первооткрывателя Майера наступило лишь в последние несколько лет перед его смертью (1878). Любопытно, что первым толчком для размышлений начинающего судового врача о превращении энергии из одного вида в другой послужило сообщение старого рулевого о том, что во время шторма вода в море нагревается.

Главным исходным пунктом доктора, как представителя медицины, было открытие Лавуазье и Лапласом зависимости выделения теплоты живыми организмами от окислении пищи кислородом. Догадка Майера о том, что разница в цвете зависящей от содержания углекислоты венозной крови у людей, живущих в тёплом и холодном климате, объясняется реакцией организма на температуру окружающей среды, привела к открытию принципа эквивалентности. Вычисление же механического эквивалента теплоты уже не медиком-философом, а физиком-теоретиком Майером происходило на основе экспериментов французского учёного Жозефа Гей-Люссака (1778-1850), открывшего закон пропорциональности объёма идеального газа абсолютной его температуре вплоть до абсолютного нуля при постоянном давлении, опытов Б. Румфорда-Э. Дарвина, расчётов теплоёмкости воздуха при постоянном давлении, выполненных Деларошем и Бераром (1813).

В конечном итоге врач-дилетант вывел на правильную дорогу всех заблудившихся в джунглях неразъяснённой пока термодинамики профессионалов, будучи не признанным ими и гонимым обществом.

Идеи ещё одного основателя термодинамики, предшественника трёх первооткрывателей великого закона физики, французского военного инженера, автора единственного небольшого научного сочинения, почитателя музыки, живописи, поэзии и театра, рано ушедшего из жизни Сади Никола Леонарда Карно (1796-1832), "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу" которого были опубликованы в Париже (Carnot, 1824), имеют уже не морские, а атмосферные корни. Сади был старшим сыном и наследником научных идей крупнейшего деятеля французской революции и учёного Лазара Карно, осуждённого после разгрома Наполеона. Сын "великого Карно", как называли прославленного Лазара, сподвижника французского императора, не сделал военной карьеры, закончив её в чине отставного капитана. "Движущая сила" (то, что теперь называют энергией) тепла стала главной темой его жизни. Почти идеальный тип учёного, сумевшего интуитивно найти правильное теоретическое решение вопреки неверным, но принятым большинством выдающихся физиков того времени, представлениям о механизме передачи тепла, 28-летний автор рабочего цикла теплового двигателя начинает своё изложение с примера природной тепловой машины, главными проявлениями которой служат адвективные движения воздушных масс атмосферы, проще говоря - ветер, а также конвективное поднятие облаков, выпадение осадков и течения рек. (Забегая вперёд, заметим, что конвективный перенос связан с уменьшением удельного веса частиц воздуха и нарушением устойчивости гравитационного поля, а авдвективный – с уменьшением удельного объёма и совершением работы, характеризующей цикл Карно). Самой ценной в данном случае является мысль об аналогии принципов работы рукотворного парового двигателя и природной тепловой машины (приводящей в движение средневековые ветряные и водяные мельницы), рабочим телом которой тоже служит водяной пар, но не стеснённый адиабатическими стенками цилиндра (условием отсутствия теплообмена с окружающей средой) и таким же непроницаемым поршнем, а насыщающий свободный воздух атмосферы. Последнее обстоятельство станет в будущем непреодолимым барьером идеологии гидротермодинамических моделей главных подвижных оболочек нашей планеты - океана и атмосферы. Главное, что Карно рассматривал паровые машины с самой широкой точки зрения, угадав суть перехода тепла (именно перехода тепла из котла в конденсатор, а не его затраты) в механическое движение (такое неограниченное какими-либо конструктивными рамками обобщение было в те времена недоступно никому из физиков). Он установил, что работа всех тепловых машин, а не только паровых, может совершаться исключительно при наличии нагревателя (более нагретого), холодильника (менее нагретого источника тепла) и рабочего тела, что обратимый теплообмен, определяемый этими тремя главными составным частями тепловой машины, может иметь место только в результате объёмных изменений рабочего тела. Круговой процесс Карно подробно описал на примере атмосферного воздуха, заключенного в цилиндрический сосуд с подвижным поршнем. Грандиозность замысла состояла в том, что автор сумел абстрагироваться от реальных паровых двигателей и ввёл в рассмотрение идеальную тепловую машину, в которой движущая сила зависит только от температур нагревателя и холодильника, и согласно третьему принципу работы машин, способных развивать движущую силу тепла при потреблении упругих жидкостей, т. е. газов. Только через два года после ранней смерти Карно, последовавшей от холеры, его мемуар получил первое признание благодаря французскому физику и инженеру Бенуа Полю Эмилю Клапейрону (1799-1864), придавшему "Размышлениям" более строгий, математический, вернее, геометрический характер и воплотив знаменитый цикл Карно в диаграмму с популярными ныне изотермами и адиабатами. И всё равно, ещё 50 лет открытие Карно оставалось только на страницах его неопубликованных записных книжек. Лишь в начале 50-х годов XIX в. идеи Карно и Майера начали свое триумфальное шествие, они превратились в два основных закона термодинамики - первое и второе начала и были положены в основу работ Кельвина, который считал "Размышления" Карно самой превосходной научной работой XIX в., и Рудольфа Юлиуса Готтлиба (1822-1888), взявшего себе латинское имя Клаузиус, - автора энтропии (1865), научное значение которой не менее важно, чем понятие энергии - немецкого физика, ближе всех подошедшего к созданию современной термодинамики уже в первой своей монографии "О движущей силе теплоты", опубликованной в 1850 г.

Рудольф Клаузиус

И ещё один физический закон, появившийся в это продуктивное время понадобится нам в дальнейшем - это закон о парциальных давлениях, открытый школьным учителем и профессиональным химиком Джоном Дальтоном (1766-1844) не без помощи собственных метеорологических наблюдений температуры, давления и влажности: давление пара одинаково независимо от того, какое пространство он занимает - пустое или заполненное воздухом той же плотности.

Джон Дальтон

В 1802 г., независимо от Дальтона закон теплового расширения газов открыл, будучи ещё молодым, французский ученый Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850), благодаря которому впоследствии в химии возникло представление о связи между качеством и количеством. Три года спустя, вместе с Александром фон Гумбольдтом он установил, что один объём кислорода соединяется с двумя объёмами водорода.

Ж. Л. Гей-Люссак

Заодно можно отметить, что следуя за Дальтоном, который предложил отличные от принятых алхимических символы элементов, в первой половине XIX в. появилась близкая к современной химическая система обозначений, разработанная шведским химиком и минералогом Йенсеном Берцелиусом (1779-1848). А в 1817 г., за семнадцать лет до рождения Д. И. Менделеева (1834-1907), великого автора главного закона химии (в 1868 г. впервые вышла его периодическая таблица химических элементов, а в 1871 - её окончательный вариант: "Естественная система элементов и применение её к указанию свойств неоткрытых элементов"), профессор Йенского университета Иоганн Вольфганг Деберейнер (1780-1849) предложил объединения химических элементов, основываясь на том, что в группах сходных простых веществ атомная масса каждого из них равна среднему арифметическому из суммы масс двух рядом стоящих элементов. И это тоже вошло в фундамент бурно развивающейся науки первой половины XIX в.

В 1769 г. лаборант университета в Глазго Джеймс Уатт (1736-1819) получил патент на водоподъёмную машину, которую усовершенствовал в 1782 г. В 1784 году бывший технический работник, а теперь владелец мастерской по изготовлению и починке точных приборов и музыкальных инструментов запатентовал первый универсальный паровой двигатель двойного действия, в котором поршень совершал рабочий и обратный ход.

С самого начала перед молодым механиком Джеймсом возникла проблема утери пара вследствие его сгущения в холодном цилиндре. Шотландский химик Джозеф Блэк (1728-1799) объяснил изобретателю физическую природу этого явления с точки зрения скрытой теплоты, и Уатт уже в 1765 г. нашёл способ сгущения пара в отдельном от цилиндров конденсаторе, что имело решающее значение в развитии паровых машин, поскольку коэффициент полезного действия машины намного возрастал.

Г. В. Рихман

Почти одновременно с Джозефом Блэком к идее скрытой теплоты смеси воды и снега в 1772 г. пришёл шведский академик Иоганн К. Вильке (1732-1796). В экспериментальной части исследований оба они были продолжателями петербургских академиков: упоминаемого выше Г. В. Крафта, и Георга Вильгельма Рихмана (1711-1753). Последний, исходя из принципа теплового баланса смеси нескольких жидкостей, нашёл и обосновал правильную калориметрическую формулу "избытка теплоты смеси в сравнении с нулем градусов по Фаренгейту". Но решив именуемую в учебниках "задачу Рихмана" и опубликовав её в статье "Размышления о количестве теплоты, которое должно получаться при смешении жидкостей, имеющих определённые градусы теплоты" в 1750 г., к теоретическому понятию количества теплоты он ещё не подошёл.

Следует добавить, что Блэк обратил внимание на изменение структуры воды при переходе её в твёрдое состояние, предвосхитив дипольное строение молекул воды, из-за которого составляющие её частицы располагаются таким образом, что увеличивают объём единицы массы воды, вследствие чего ледяные кристаллы имеют положительную плавучесть. Исследования морских плавучих льдов и твёрдой фазы воды в верхних слоях тропосферы в будущем станут огромным полем деятельности учёных-естествоиспытателей: океанографов и гидрометеорологов.

Теоретик Блэк был автором нового, но продолжающего традиционно оставаться медико-физическим, взгляда на теплоту. Проходящее через кровеносные сосуды количество теплоты ("субстанция теплоты") он определил понятием теплоёмкости или удельной теплоты различных видов вещества. Перенося свои физиологические соображения на опыты с водой в трёх агрегатных состояниях, он открыл латентное (от лат. lаtentis - скрытый, невидимый) состояние теплоты, которая переходила из одного состояния вещества в другое, не изменяя степень его нагретости (скрытая теплота, требующаяся при перегонке, и выделяющаяся при конденсации водяного пара в змеевике перегонного куба, для охлаждения которого требовалось большое количество холодной воды).

Физическую сущность понятия теплоёмкости первыми поняли Лавуазье и Лаплас, которые в своих мемуарах писали: "У физиков нет согласия в отношении теплоты. Многие из них рассматривают ее как флюид, рассеянный в природе... Другие же считают её лишь результатом невидимых движений молекул. Это невидимое движение и есть теплота. На основе закона сохранения живой силы можно, следовательно, дать определение: теплота есть живая сила, т. е. сумма произведений масс всех молекул на квадрат скорости".

Таким образом, уже в XVIII веке в результате гармоничного слияния теории Блэка (главным агентом передачи "субстанции теплоты" всё ещё оставался теплород, с которым постепенно вынуждены были расставаться даже самые яростные его апологеты) и практики Уатта человечество получило паровые машины, вначале не очень охотно принимаемые людьми (как известно, изобретателя Роберта Фултона, предложившего Наполеону Бонапарту постройку военных пароходов, раздраженный император выставил за дверь, каковой поступок впоследствии сам расценил как причину потери своей короны), использующими в своих производствах гидротехнические сооружения и механизмы конной тяги, а в качестве движителей мельниц и парусников - ветер, но потом совершившие настоящую революцию в промышленности и мореплавании.

Разумеется, это были первые образцы двигателей низкого давления. Близкие к современным, быстроходные паровые машины высокого давления стали изготавливать только во второй половине века - в 1870 г. Вода и тепло - вот главные физические составляющие, которые стали основными научными объектами в дальнейших исследованиях окружающей нас среды и созидательной деятельности человека – творца техносферы. Обмен энергией и влагой между океаном и атмосферой обрёл свои косвенные показатели, измеряемые в морских водах: температуру и солёность. Но о связи между этими двумя параметрами водных масс учёные задумаются только через сто лет (через двести лет, к слову сказать, они придут к ложному умозаключению об её отсутствии). А ещё 100 лет назад, в 1744 г. М. В. Ломоносов представил на суд диссертацию "Размышления о причине теплоты и холода", которая была возвращена, якобы для смягчения выражений, направленных против Роберта Бойля, но на самом деле - потому что наносила смертельный удар по флогистону - "огненной материи", наиболее крутым идеологом которой был выдающийся английский физик и химик. Чисто проведённые опыты по взвешиванию металлической стружки, прокалённой в запаянной реторте, окончательно и бесповоротно убедили первого русского физикохимика в том, "... что славного Роберта Бойля мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожжённого металла остаётся в одной мере". Так было положено начало открытию кислорода и газового состава воздуха.

Однако, как стало известно из работ историков, ещё за десять веков до Ломоносова китайский алхимик Мао Хоа по-своему раскрыл сложный состав воздуха и мог выделять из него кислород. Но восточный "железный занавес" надёжно блокировал любую информацию, как практических технологий, так и теоретических экспериментов, и европейским учёным не пришлось попользоваться достижениями своих далёких предшественников из Поднебесной. Что касается классической термодинамики, то первым по времени было открыто второе, а последним нулевое её начало. Последнее, по мнению оксфордского профессора физической химии Питера У. Эткинса [1987] представляет собой полученное задним числом логическое оправдание для введения понятия температуры. Первое начало в самой краткой интерпретации звучит как "энергия сохраняется", второе - "распределение имеющейся энергии изменяется необратимым образом" - устанавливает наличие асимметрии взаимодействий частиц, то есть однонаправленности всех природных самопроизвольных процессов. Третье начало касается свойств веществ при очень низких температурах и утверждает невозможность охлаждения до температуры абсолютного нуля.

Если обратиться к биологии, то экологическая пирамида биомассы [Небел, 1993] является ярко выраженной энтропийной пирамидой. Её основанием служит неживая природа. Эффект устойчивости подсистем пирамиды достигается уменьшением их энтропии за счёт более быстрого увеличения энтропии всей системы в целом: "Энтропия системы может быть уменьшена только в том случае, если система взаимодействует с другой или другими системами таким образом, что в процессе взаимодействия происходит компенсирующее увеличение энтропии" [Рейф, 1986, с. 277]. Таким образом, в конечном итоге в нашей земной биосфере происходит быстрое истощение внешних систем, питающих упорядоченную подсистему, а для "поддержания комфорта жизни человека распыляется высококачественная энергия живой и неживой природы" [Куклев, 2001, с. 207]. Вообще, понятия энтропии, температуры, энергии в приложении к живым объектам приводит к непреодолённым до сих пор трудностям. "Это вызвано прежде всего тем, что если традиционная термодинамика занималась в основном "грубыми" системами и состояниями, то термодинамика живого - преимущественно неклассическая термодинамика околокритических явлений и состояний" [Шугрин, 1999, с. 56]. "Все и только живые системы, – формулирует свой основной принцип Эрвин Симонович Бауэр (1890–1938), предвосхитивший представления о стационарном, динамическом поддержании неравновесных состояний, об обратных связях как условии динамического поддержания таких состояний, о термодинамике далёких от равновесия систем, – никогда не бывают в равновесии и исполняют за счёт своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях" [Бауэр, 2002, с. 27].

Л юдвиг Больцман

Возвращаясь к исходной позиции данного раздела, необходимо отметить, что дорога от классической термодинамики к статистической теории её второго начала освещена научным подвигом Людвига Больцмана, результаты которого, так же как инженерные догадки Карно и уравнения Майера, оставались чуждыми вниманию учёных десятки лет. Благодаря победившему новому направлению высокопрофессиональные физики перестали доверять старому и доброму здравому смыслу, который всё чаще стал заводить в тупик. Впрочем, и раньше утверждения, скажем, о зависимом положении Земли в космосе противоречило традиционному "здравому смыслу" геоцентрической системы. Так что можно сказать, каких-либо сверханомальных изменений в человеческом сознании с самого начала умственной деятельности не происходило. Важной темой внедрения науки в жизнь является проблема наглядности любой вновь появившейся теории. Очевидно, что отсутствие наглядного образа связано с непригодностью старой системы для представления нового, открытого явления. Существующие вне нас факты естественным образом не могут отражаться нашим сознанием до тех пор, пока не будет разработана новая система представлений, основанная на экспериментах с непременными позитивными результатами.

Н орберт Винер

В настоящее время выросла новая общественная дисциплина - наука управления, совершенно необычная для старых представлений о науке. Основой научной управленческой методологии стала сравнительно новая, тоже когда-то неприемлемая для традиционного восприятия учёных кибернетика.

Возникновение в 1948 году кибернетики (от греч. cybernos- рулевой) Норберта Винера (1894-1964), как и предшествующих великих поворотных научных систем Коперника, Ньютона, Майера, обязано достижениям в области других наук-предшественниц, служащих своеобразными техническими помощниками учёным, на этот раз: автоматики, радиоэлектроники, теории вероятностей и физиологии нервной деятельности. Последняя внесла первый вклад в 30-х годах ХХ в. благодаря теории физиологической активности Беркштейна и принципу функциональной системы П. К. Анохина. Не обошлось и без участия философов: тенденцию математизации организационных задач предвосхитил Александр Александрович Богданов (1873–1928), основатель эмпириомонизма, сторонник теории равновесия в природе и обществе, пришедший к обоснованию принципа обратной связи - одной из ключевых концепций кибернетики, назвав его механизмом двойного взаимного регулирования.

Наука об управлении, как замкнутом процессе связи, всё-таки более всего сродни термодинамике. Подобно тепловому двигателю, понятие кибернетической машины стало универсальным для живых и неживых систем, использующих замкнутый процесс, проходящий по замкнутому контуру, состоящему из органа управления, объекта управления, каналов прямой и обратной связи, по которым циркулирует информация. Управление - это процесс сбора, обработки, преобразования и передачи информации для осуществления целенаправленных действий, информация при этом обратно пропорциональна энтропии. Изоляция системы от окружающей среды приводит её к состоянию термодинамического равновесия, то есть максимальной энтропии, примером такого состояния является смерть. Неравновесное состояние живых систем поддерживается за счёт извлечения из окружающей среды отрицательной энтропии - негэнтропии (§ 12.5). Назначение обмена - освободится от производимой неживой природой положительной энтропии и извлечь отрицательную - источник упорядоченности, свойственной живым организмам.

Как утверждает физика: жизнь и второй принцип термодинамики - два наиболее ярких примера необратимости времени. В 1929 г. известный физик Л. Сциллард указал на соответствие между количеством информации и энтропией - мерой перехода различных форм энергии в тепловую. Одновременно теория информации возникла как новый раздел теории вероятностей. Начиная работать, то есть получая информацию, кибернетическая машина все более и более делает поведение системы предсказуемым - энтропия уменьшается. Наблюдаемое и необходимое природе неравновесное состояние живых систем поддерживается, как уже говорилось, за счёт негэнтропии. "Производство" негэнтропии - это извлечение порядка, необходимого для жизнедеятельности организма. Единственным на Земле естественным самопроизвольным процессом, где энтропия уменьшается, является фотосинтез, в котором средством достижения отрицательной энтропии является солнечный свет, когда под его воздействием в хлорофилле происходит повышение упорядоченности деградировавших веществ. Таким образом, налицо главный аналог кибернетической модели настоящего мира, борющегося с вселенским хаосом и роковым возрастанием энтропии. Но главным инструментарием кибернетики, безусловно, были не биология и физика, а математика и вычислительная техника. К процессам передачи, хранения и переработки информации можно подойти с единой меркой, с единым статистическим аппаратом, что и легло в фундамент общей теории управления и связи - кибернетики.

Д жордж Буль (Буул)

Исследования ирландского математика Джорджа Буля (1815-1864) положили начало разработке алгебры логики, которую широко использует кибернетика. Постановка проблем кибернетики Норберта Винера потребовала кардинального совершенствования ЭВМ в сторону быстродействия. Следующее нововведение учёного заключалось во внедрении более экономичной двоичной, а не десятичной системы счисления, создания блока памяти и разработки системы самообучения машины, которая давала определенную долю самостоятельности перспективного главного формального помощника человеческого интеллекта.

Появление кибернетики вызвало многочисленные и довольно страстные дискуссии, связанные главным образом с нарушением традиционных философских понятий и сомнениями в практической эффективности новой теории. К 1958 г. кибернетика выиграла спор на все сто процентов. Исключительно все жизненные обстоятельства стали работать на неё. В 1959 г. наш крупнейший математик Андрей Николаевич Колмогоров подытожил явление кибернетики следующими словами: "Кибернетика занимается изучением систем любой природы, способных воспринимать, хранить и перерабатывать информацию и использовать её для управления и регулирования. При этом кибернетика широко пользуется математическим методом и стремится к получению конкретных специальных результатов, позволяющих как анализировать такого рода системы (восстанавливать их устройство на основании опыта обращения с ними), так и синтезировать их (рассчитывать схемы систем, способных осуществлять заданные действия). Благодаря этому своему конкретному характеру кибернетика ни в коем случае не сводится к философскому обсуждению природы "целесообразности" в машинах и философскому анализу изучаемого ею круга явлений".