9. Основной парадокс эволюционной картины мира: закономерность эволюции на фоне всеобщего роста энтропии.

Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия никогда не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Иначе говоря, согласно второму началу термодинамики запас энергии во Вселенной иссякает, а вся Вселенная неизбежно приближается к тепловой смерти. Ход событий во Вселенной невозможно повернуть вспять, дабы воспрепятствовать возрастанию энтропии. Со временем способность Вселенной поддерживать организованные структуры ослабевает, и такие структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. По мере того как иссякает запас энергии и возрастает энтропия, в системе нивелируются различия. Это значит, что Вселенную ждет все более однородное будущее.

Вместе с тем, уже во второй половине ХIХ века, и особенно в ХХ веке, биология - и, прежде всего, теория эволюции Дарвина - убедительно показали, что эволюция Вселенной не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм материи. Скорее, наоборот. История и эволюция Вселенной развивают ее в противоположном направлении - от простого к

сложному, от низших форм организации к высшим, от менее организованного к более организованному. Иначе говоря, со временем, старея, Вселенная обретает все более сложную организацию. Попытки согласовать второе начало термодинамики с выводами биологических и социальных наук долгое время были безуспешными. Классическая термодинамика не могла описывать закономерности открытых систем. И только в конце ХХ века, с переходом естествознания к

изучению открытых систем появилась возможность такого согласования. Что такое открытые системы?

Открытые системы - это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, которые неизбежно стремятся (в

соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию. Открытые системы - это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени.

В открытых системах ключевую роль - наряду с закономерным и необходимым - могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая прежде организация не выдерживает и разрушается.

[Хакен Г. Информация и самоорганизация. Макроскопический подход к

сложным системам. - М.,1991.

Капица С.П., Курдюмов С.П., Малинецкий Г.Г. Синергетика и прогнозы

будущего. - М. 1997.]

10. Энтропия открытой системы: производство энтропии в системе, входящий и выходящий потоки энтропии.

Открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом, импульсом и информацией. Все реальные системы являются открытыми. В открытых системах изменяется энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду. Энтропия открытых систем в неравновесном состоянии (локально-неравновесном состоянии) определяется как сумма значений энтропий отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии (вследствие аддитивности энтропии). Отклонение термодинамических параметров от их равновесных значений вызывают в системе потоки энергии и вещества. Процессы переноса приводят к росту энтропии системы (производству энтропии). В замкнутых системах энтропия возрастает и стремится к своему равновесному максимальному значению (производство энтропии стремится к нулю). В открытой системе возможны стационарные состояния с постоянной энтропией при постоянном производстве энтропии, которая должна при этом отводиться от системы. Стационарное состояние играет в термодинамике открытых систем такую же роль, что играет термодинамическое равновесие для изолированных систем в термодинамике равновесных процессов. Энтропия открытых систем в этом состоянии хотя и остается постоянной ( производство энтропии компенсируется ее отводом), но это стационарное состояние не соответствует ее максимуму. Наиболее интересные свойства открытых систем выявляются при нелинейных процессах, когда в них возможно появление термодинамически устойчивых неравновесных состояний, далеких от состояния термодинамического равновесия и характеризующихся определенной пространственной или временной упорядоченностью (диссипативной структурой). Существование такой структуры требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой.

Таким образом, в новой термодинамике место закрытой, изолированной системы заняло понятие открытой системы, способной обмениваться с окружением энергией, веществом и информацией.

Характерная особенность биологических систем состоит в обмене энергией и веществом с окружающей средой. Средство, при помощи которого организм поддерживает себя на достаточно высоком уровне упорядоченности (на достаточно низком уровне энтропии), состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды. Взаимодействующая со средой система не может оставаться замкнутой, так как она вынуждена получать извне новые вещества или энергию и одновременно выводить в окружающее пространство использованное вещество и отработанную энергию. Так как между массой (веществом) и энергией существует взаимосвязь, выражаемая уравнением Эйнштейна Е = mc2, то можно сказать, что в ходе своей эволюции система постоянно обменивается энергией с окружающей средой, а, следовательно, увеличивает энтропию. Но в отличие от закрытых систем эта энтропия не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Такого рода материальные структуры, способные рассеивать энергию, как уже указывали выше, называются диссипативными.

С поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном итоге, прежняя связь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т.е. к коллективному поведению ее элементов. Так схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых системах. Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера. Достаточно хаотические колебательные движения частиц кристалла благодаря поступлению энергии извне приводятся в согласованное движение. Это приводит к увеличению мощности лазерного излучения. Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Г. Хакен назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает «совместное действие», или взаимодействие.

[Новоженов В.А. - Концепции современного естествознания (2001)]