8.4 Закрытые и открытые макросистемы. Эволюционизм «принципа возрастания энтропии»

В классической науке (XIX в.) господствовало убеждение, что материи, изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что в энергетическом смысле и означало неупорядоченность, т.е. хаос. Заслуга в утверждении этого убеждения принадлежит равновесной динамике – одной из классических физических теорий.

Именно она своим вторым началом (законом) термодинамики выделяет односторонность, одонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах. Суть закона раскрывается в формулировке немецкого физика-теоретика Рудольфа Клаузиуса:

«Теплота не переходит самопроизвольно (сама по себе) от более холодного тела к более теплому».

Для отражения этого процесса в термодинамику им же вводится новое понятие – энтропия (1865) – с греч. – поворот, превращение, и устанавливает ее важную особенность: в замкнутой системе энтропия либо остается неизменной в случае обратимых процессов, либо возрастает в случае необратимых процессов.

В эволюционном же понимании, энтропия характеризует меру беспорядка системы, а тенденция к разрушению всякой упорядоченности выражается принципом возрастания энтропии. В этой связи максимальному значению энтропии должно соответствовать полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.

Точная формулировка второго начала термодинамики выражается через понятие энтропии:

«При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает».

Второе начало устанавливает закон возрастания энтропии в системе, не обменивающейся с внешним миром ни энергией, ни веществом, выражает увеличение молекулярного хаоса до тех пор, пока система не достигнет термодинамического равновесия Энтропия позволяет отличать, в случае изолированных систем, обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых (энтропия возрастает). Л. Больцман (1844 – 1906) и М. Планк (1858 – 1947) сформулировали один из важнейших законов природы, связывающий энтропию S и вероятность состояния W системы:

S =k ln W ,

k – постоянная Больцмана. Закон математически иллюстрирует, что чем более вероятно состояние системы (т.е. чем ближе W к единице), тем больше энтропия.

Именно противоречие между вторым началом термодинамики и примерами высокоорганизованного окружающего нас мира было разрешено с появлением более пятидесяти лет назад и последующим естественным развитием нелинейной неравновесной термодинамики открытых систем. Большой вклад в становление этой новой науки внесли И.Р. Пригожин (бельгийский физик русского происхождения Илья Романович Пригожин за работы в этой области в 1977 году был удостоен Нобелевской премии), П. Гленсдорф, Герман Хакен.

Необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных, замкнутых системах рано или поздно приводит к превращению всех видов энергии в тепловую, которая рассеется, т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос.

Если наша Вселенная замкнута, то ее согласно второму закону равновесной термодинамики ждет участь полного хаоса, именно к такому ошибочному выводу о так называемой «тепловой смерти» Вселенной пришел Р. Клаузиус, когда попытался распространить принцип возрастания энтропии на такую Вселенную.

Но дарвиновская теория эволюции первой засвидетельствовала - живая природа почему-то не стремится в состояние термодинамического равновесия и тем более хаоса. Возникла явная нестыковка в новом научном понимании неживой и живой природы.

И только при замене модели стационарной (замкнутой) Вселенной на модель развивающейся (расширяющейся) Вселенной с нарастающим усложнением организации материальных объектов – от элементарных и субэлементарных частиц в начале Большого взрыва до наблюдаемых сейчас звездных систем, наука для сохранения непротиворечивой картины мира запостулировала наличие у материи в целом не только разрушительной – стремление к хаосу, но и созидательной тенденции – стремление к самоорганизации. Наука еще раз убедилась, что материя обладает неисчерпаемыми свойствами, а сама подошла к новому рубежу ее познания – к очередному «порогу» научной революции.

Что касается Вселенной как универсальной системы организации материи, если считать ее открытой системой, то возникает вопрос, что же может служить ее внешней обменной средой? Современная физика полагает, что такой средой для нашей вещественной Вселенной является вакуум.