Хаос теплового движения. Влияние этой концепции на развитие представлений о веществе. Порядок из хаоса.

С некоторых пор ряд понятий из физики стал общезначимым. К ним в первую очередь можно отнести «турбулентность». Есть основополагающие вопросы или представления (по Вернадскому) о Космосе, которые стали затрагивать специалистов из разных областей знаний. Точно также и «хаос» стал синонимом отсутствия порядка. Однако он стал обретать структуру, как физический вакуум, считавшийся синонимом «ничего». Эти понятия Пригожин применил к идее самоорганизации. Есть процессы в изолированных системах, ведущие к равновесному состоянию, отвечающему максимальной неупорядоченности, то есть хаосу. Это следует ещё из работ Больцмана и Гиббса, показавших, что энтропия служит мерой неупорядоченности, или хаоса системы. Её аналог в общественной жизни – правила поведения. Их соблюдение поддерживает порядок в обществе. Если нет знания – нет порядка в фактах – это хаос.

Для записи выражения закона – порядка - изобрели число, письменность и язык. Знания тщательно хранились, например, жрецами в древнем Египте, символизируя власть над природой и людьми. Галилей и Ньютон установили три закона динамики и закон всемирного тяготения. Для извлечения количественных следствий из них Ньютон создал дифференциальное и интегральное исчисление. Пространство и время у него наделялись свойствами, в которых проявлялось движение. Можно сказать, что Ньютон открыл, что в природе существует порядок, который человек может познать.

Оказывается, порядок есть и в случайности. С последними люди сталкивались и в обычной жизни, например, при игре в карты, кости и так далее. В них везде торжествовал случай. Математики заинтересовались, почему наживаются владельцы казино, ведь при бросании монеты можно ожидать события с разным исходом? Но во множестве событий можно установить вероятность интересующего нас события, которая определяется отношением числа «выпавших» интересующих нас событий к числу испытаний при числе испытаний, стремящемуся к бесконечности.

Работами Максвелла с использованием понятия вероятность была создана статистическая физика. С её помощью удалось точно вычислять макропараметры системы (давление, температуру и так далее), хотя при этом изначально идет речь об исчезающе малых объектах – атомах или молекулах. Математика подводит нас к тому, что хаос оборачивается порядком. В этой статистической механике было создано позже две статистики: с целым спином (Бозе–Эйнштейна) и с полуцелым (Ферми–Дирака). Итак, мы приходим к выводу, что случайность в единичном дает порядок при множественном проявлении единичности. Таким образом, повторение случайности – закономерность.

Как говорят, мир человека возник из хаоса и обломков, он хрупок и рискует снова обратиться в ничто. Возникший мир отмечен печатью неустранимой неопределенности, а потому закон для хаоса требует глубокого его изучения. В отличие от Больцмана и Гиббса, Пригожин в своей книге «Порядок из хаоса» разработал вопросы термодинамики неравновесных процессов в открытых системах. В ней акцентируется внимание на изучение разупорядоченности и нелинейных явлений, в которых малый сигнал (возмущение) на входе системы может вызывать сколь угодно сильный отклик на её выходе. Следовательно, хаос может обрести порядок. Это значит, что возможно спонтанное возникновение порядка и организации из беспорядка и хаоса. Это и есть самоорганизация. При этом энтропия выступает как прародительница порядка.

Типичный пример имеет место, когда в подогреваемых жидкостях, начиная с некоторых значений перепадов температуры, образуются почти идеальные соты шестиугольных ячеек Бенара. То же самое происходит в газоразрядной трубке лазера, где при некотором критическом значении электрического поля достигается скачком упорядоченное состояние: излучение становится поляризованным и когерентным.

Во всех наблюдающихся процессах односторонность хода времени (его необратимость) играет важнейшую роль, как это следует по Клаузиусу из второго начала термодинамики. В изолированных системах энтропия монотонно возрастает, достигая максимального значения в состоянии равновесия, то есть её изменение DS ³  0. Энтропия выступает в роли тени энергии – царицы природы.

В идеальных машинах с обратимыми процессами DSид = 0. В реальных же S = Sид + Sнеоб. Причём, здесь dSнеоб ³  0. Энтропия – показатель эволюции или стрела времени: для изолированных систем будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Каждое макросостояние системы характеризуется числом способов Р, которым оно может быть достигнуто, то есть числом микросостояний. По Больцману энтропия S = k lnP, где Р = Р1×Р2×Р3×... Рn, k = 1,38×10-23 Дж/К – постоянная Больцмана.

То есть необратимое изменение есть изменение в сторону более вероятного состояния и это состояние – аттрактор – есть макросостояние, отвечающее максимальной вероятности системы. Тогда начальные условия забываются системой. Как бы система ни эволюционировала, она перейдет в одно из тех микросостояний, которым отвечает макросостояние хаоса и максимальной симметрии. Все это обобщено и на случай открытых систем, где ситуация более сложная. В замкнутой системе равновесие соответствует минимуму свободной энергии  F = U - TS, где U – внутренняя энергия системы и равновесие есть результат конкуренции между U и TS. При малых температурах равновесие определяется минимумом внутренней энергии (для металлов и кристаллов). При высоких температурах доминирует хаос. Экстремумы S и F задают состояние системы (её аттрактор). Именно в это состояние самопроизвольно стремится система.