Порядок и беспорядок в природе: принцип возрастания энтропии и законы сохранения энергии.

К числу важнейших положений современной физики относится идея неуничтожимости движения. В качестве естественнонаучного обоснования принципа неуничтожимости движения выступает открытый в середине XIX в. закон сохранения и превращения энергии, который утверждает существование качественно-своеобразных видов энергии и присущую им способность при определенных условиях превращаться друг в друга и указывает, что в любых процессах в замкнутых системах численное значение энергии остается постоянным. Однако данный закон не раскрывает направления, в котором протекают эти превращения, и сводится лишь к количественным аспектам сохранения энергии.

Аспекты качественного превращения энергии изучаются во втором начале термодинамики и известны как закон возрастания энтропии. Энтропия означает при этом меру беспорядка системы. При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.

В конечном итоге необратимость процессов превращения энергии приведет к переходу всех ее видов в тепловую энергию, которая со временем рассеется, что и будет означать термодинамическое равновесие, или хаос. Именно такая мысль отчетливо прозвучала в концепции «тепловой смерти Вселенной», связанной с именами создателей классической термодинамики У. Кельвина и Р. Клаузиуса. Фактически они не находили процессов, в которых энергия могла бы повышать свое качество. Поэтому критика теории «тепловой смерти Вселенной» строилась, прежде всего, на поиске неких антиэнтропийных процессов в природе, а также на анализе статистического характера закона возрастания энтропии. Первую попытку такого опровержения предпринял Л. Больцман, считая, что возможны флуктуации, отклонения от состояния теплового равновесия.

Кроме того, не совсем корректна и экстраполяция замкнутой системы на всю Вселенную, опять же в силу статистического характера энтропии, поскольку само формулирование более или менее вероятных состояний системы, состоящей из бесконечного числа частиц, оказывается бессмысленным. Любая замкнутая система приходит в состояние равновесия, только если она находится в стационарных условиях. А если эти условия с течением времени меняются, то равновесие не наступает. Но так как существует нестационарное гравитационное поле, то для больших систем, подпадающих под его воздействие, состояние равновесия невозможно.

Более того, в физике прочно утвердилась идея, что материя способна самоорганизовываться и самоусложняться. Особое место это положение заняло в синергетике - теории самоорганизации открытых нелинейных диссипативных систем (Г. Хакен, И. Пригожин и др.). Синергетика развивает следующие принципы:

• процессы разрушения и созидания, эволюции и деградации во Вселенной равноправны;

• для процессов самоорганизации необходим ряд условий: система должна быть открытой, т.е. взаимодействовать с окружающей средой, а число подсистем должно превышать определенный минимум; система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия;

• для процессов самоорганизации существует единый алгоритм, имеющий место во всех системах, где осуществляется подобная самоорганизация.

Именно в открытой системе происходит обмен с окружающей средой веществом, энергией или информацией. «Поскольку между веществом и энергией существует взаимосвязь, постольку можно сказать, что система в ходе своей эволюции производит энтропию, которая не накапливается в ней, а удаляется и рассеивается в окружающей среде. Вместо нее из среды поступает новая энергия и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной».

В открытых системах также имеет место возрастание энтропии, но она не накапливается, а выводится в окружающую среду. Такого рода материальные структуры, способные рассеивать энергию, называются диссипативными. Однако существуют случаи самоорганизации иного типа, в которых переход к новым структурам не связан с диссипацией, например, за счет увеличения энтропии самой системы (образование биологических мембран).

Синергетика утверждает, что фундаментальным принципом самоорганизации является возникновение порядка через флуктуации (случайные отклонения системы от некоторого среднего положения). Тем самым синергетика привлекла внимание ученых и философов к проблеме случайности, значение которой до этого практически не учитывалось.

Самоорганизация базируется на принципе положительной обратной связи, согласно которому, изменения, происходящие в системе, не устраняются, а накапливаются, что приводит к образованию новой структуры.

Итак, в синергетике выдвигается положение, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем возрастающей сложности и упорядоченности. При таком развитии различаются две фазы:

• период эволюции с предсказуемыми линейными изменениями, приводящими систему к неустойчивому состоянию;

• выход из критического состояния и переход к новому с большей степенью сложности.

Первая фаза заканчивается тем, что система попадает в точку бифуркации, когда возможен выбор путей ее дальнейшего развития, т.е. идет процесс выбора нового аттрактора (притягивающей цели). Но после того как выбор сделан, система начинает переходить в новое устойчивое состояние. Следовательно — хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен, а само развитие осуществляется через неустойчивость, хаотичность.

Развитие большинства открытых систем носит нелинейный характер, а это значит, что в точке бифуркации перед такими системами существует несколько путей эволюции, которые подчас избираются случайно. Тем самым случайность встроена в механизм эволюции. Синергетика настаивает, что подобный механизм самоорганизации имеет место во всех системах открытого типа, находящихся в состоянии неустойчивости.