Пришла пора разобраться со вторым фундаментальным постулатом термодинамики, который именуется второе начало термодинамики . Второе начало не является доказуемым в рамках классической термодинамики. Его формулировки – результат обобщения опытов, наблюдений и экспериментов. Попытаемся рассказать о нем кратко и понятно.
В прошлой статье по термодинамике мы говорили о термодинамических системах, состоящих из большого числа частиц. Для описания подобных систем используются так называемые функции состояния .
Термодинамическая функция состояния (или термодинамический потенциал) – это функция, зависящая от нескольких независимых параметров, определяющих состояние системы. Чтобы было понятнее, приведем пример. Одна из функций состояния системы – это ее внутренняя энергия. Она не зависит от того, как именно система оказалось в данном состоянии
Еще одно понятие, с которым нужно познакомиться – это энтропия . Для понимания второго начала термодинамики энтропия очень важна. А еще это красивое слово, которое многих ставит в ступор и которым можно блеснуть в компании.
В самом общем случае, энтропия – мера хаотичности некоторой системы
Простой пример : представим, что у вас есть ящик с носками. Если все носки в ящике разбросаны и валяются вперемешку и по одному, энтропия такой системы максимальна. А если носки собраны по парам и лежат аккуратненько в рядок - минимальна.
В термодинамике, энтропия – это функция состояния термодинамической системы, которая определяет меру необратимого рассеивания энергии. Что это значит? Это значит, что какая-то часть внутренней энергии системы не может перейти в совершаемую системой механическую работу. Например, процесс преобразования теплоты в механическую работу всегда сопровождается потерями, в результате которых теплота трансформируется в другие виды энергии.
При необратимых термодинамических процессах увеличивается, а при обратимых – остается постоянной. Математическая запись энтропии (S):
Здесь дельта Q – количество теплоты, подведенное или отведенное от системы, T – температура системы, dS – изменение энтропии.
Существует несколько различных формулировок второго начала термодинамики, и вот одна из них:
Энтропия замкнутой системы возрастает при любых необратимых процессах в этой системе
Так как нас интересует именно понимание сути вещей, приведем еще одно самое простое определение:
К слову, данная формулировка второго начала термодинамики принадлежит Рудольфу Клаузиусу, который и ввел в обиход понятие энтропии .
И снова вечный двигатель
После разочарования с идеей вечного двигателя первого рода люди и не думали сдаваться. Через какое-то время был придуман вечный двигатель второго рода, работа которого основывалась на передаче тепла и не перечила закону сохранения энергии. Такой двигатель преобразует все тепло, полученное от окружающих тел, в работу. Например, в качестве его реализации предполагалось путем охлаждения океана получить огромное количество теплоты. Но к счастью до охлаждения океана и заморозки рыб дело не дошло, т.к. данная идея противоречит второму началу динамики. КПД любой машины не может быть равен единице, также как тепло не может быть преобразовано в работу полностью. Так что сколько ни старайтесь, а вечный двигатель второго рода создать невозможно, так же как и вечный двигатель первого рода.
Тепловая смерть Вселенной
После введения Рудольфом Клаузиусом понятия энтропии в 1865 году возникло множество споров, домыслов и теорий, связанных с этим понятием. Одна из них – гипотеза о тепловой смерти Вселенной , сформулированная самим Клаузиусом на основе второго начала термодинамики.
Данная теория, сформулированная Клаузиусом, гласит, что Вселенная, как любая замкнутая система, стремится к состоянию термодинамического равновесия, характеризующемуся максимальной энтропией и полным отсутствием макроскопических процессов, что в свою очередь обессмысливает привычное нам понятие времени. По Клаузиусу: «Энергия мира остается постоянной. Энтропия мира стремиться к максимуму» . Это означает, что когда Вселенная придет в состояние термодинамического равновесия, все процессы прекратятся и мир погрузиться в состояние «тепловой смерти». Температура в любой точке Вселенной будет одной и той же, более не будет каких-либо причин, способных вызвать возникновение каких бы то ни было процессов.
Концепция тепловой смерти вселенной еще в недалеком прошлом была довольно широко распространена и являлась предметом активных дискуссий. Так, в книге Джинса «Universe around us» (1932г.) можно найти следующие строки касательно тепловой смерти Вселенной: «Вселенная не может существовать вечно; рано или поздно должно наступить время, когда ее последний эрг энергии достигнет наивысшей степени на лестнице падающей полезности, и в этот момент активная жизнь Вселенной должна будет прекратиться» .
При выводе своей теории Клаузиус прибегал в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям (приближениям):
- Вселенная рассматривается как замкнутая система.
- Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.
Интересный факт : рассуждения о тепловой смерти позволили церкви заявить, что с научной точки зрения (в том числе и благодаря теории Клаузиуса) можно найти предпосылки, указывающие на существование бога. Так, в 1952 году на заседании «папской академии наук» папа Пий 12-й в своей речи сказал: «Закон энтропии, открытый Рудольфом Клаузиусом, дал нам уверенность, что спонтанные природные процессы всегда связаны с некоторой потерей свободной, могущей быть использованной энергии, откуда следует, что в замкнутой материальной системе в конце концов эти процессы в макроскопическом масштабе когда-то прекратятся. Эта печальная необходимость...красноречиво свидетельствует о существовании Необходимого Существа» .
Опровержение теории тепловой смерти Вселенной
Как уже отмечалось выше Клаузиусом, при выводе его теории применялись определенные экстраполяции. Сегодня несмотря на некоторые сложности можно с уверенностью сказать, что подобные выводы являются антинаучными. Дело в том, что существуют определенные границы применимости второго начала термодинамики: нижняя и верхняя . Так, второе начало термодинамики не может быть применено для описания микросистем, размеры которых сравнимы с размерами молекул, и для макросистем, состоящих из бесконечного числа частиц, т.е. для Вселенной в целом.
Собственно первым ученым, установившим статистическую природу второго начала термодинамики и противопоставившим теории тепловой смерти Вселенной так называемую флуктуационную гипотезу, был выдающийся физик-материалист Больцман. Имеет место формула Больцмана, позволяющая дать статистическое истолкование второму началу термодинамики
Здесь S – энтропия системы, k – постоянная Больцмана, P – термодинамическая вероятность состояния, определяющая число микросостояний системы, соответствующих данному макросостоянию. Согласно формуле Больцмана,
То есть термодинамическая вероятность состояния изолированной системы при всех происходящих в ней процессах не может убывать. Однако т.к. для систем, состоящих из бесконечного числа частиц, все состояния будут равновероятными, вышеописанное соотношение неприменимо ко Вселенной. В подобных системах имеют место значительные флуктуации (флуктуация – отклонение истинного значения некоторой величины от ее среднего значения), представляющие собой отклонения от второго начала термодинамики. Согласно Больцману, состояние термодинамического равновесия представляет собой лишь наиболее часто встречающееся и наиболее вероятное; наряду с этим в равновесной системе могут самопроизвольно возникнуть сколь угодно большие флуктуации. То есть во Вселенной, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, постоянно возникают флуктуации, причем одной такой флуктуацией является та область пространства, в которой находимся мы.
Современный подход безусловно отвергает теорию тепловой смерти Вселенной. Учитывая огромный возраст Вселенной и тот факт, что она не находится в состояние тепловой смерти, можно сделать вывод о том, что во Вселенной протекают процессы, препятствующие росту энтропии, т.е. процессы с отрицательной энтропией. Однако выводам Больцмана о том, что во Вселенной преобладает состояние термодинамического равновесия, все более противоречит растущий экспериментальный материал астрономии. Материя обладает никогда не утрачиваемой способностью к концентрации энергии и превращения одних форм движения в другие. Так, например, процесс образования из рассеянной материи звезд подчиняется определенным закономерностям и не может быть сведен исключительно к случайным флуктуациям распределения энергии во Вселенной.
Дорогие друзья! Сегодня мы по возможности выяснили, какой смысл имеет понятие энтропии для второго начала термодинамики, узнали, что вечный двигатель второго рода невозможен, а также порадовались, что тепловой смерти Вселенной все-таки не случится. Мы как всегда надеемся на то, что вам понравилась наша статья, в которой мы старались рассказать о термодинамике просто, понятно и интересно. Желаем успехов в учебе и напоминаем – подсказать, помочь, проконсультировать и взять часть нагрузки на себя всегда готовы наши специалисты . Учитесь и живите в свое удовольствие!
Наиболее заметная теория о том, как началась Вселенная Большого Взрыва, где вся материя сначала существовала как сингулярность, бесконечно плотная точка в крошечном пространстве. Потом что-то привело ее к взрыву. Материя расширилась с невероятной скоростью и в конечном итоге сформировала Вселенную, которую мы видим сегодня.
Большое Сжатие, как вы могли догадаться, противоположность Большого Взрыва. Все, что разлетелось по краям Вселенной, под воздействием силы тяжести будет сжиматься. Согласно этой теории, гравитация замедлит расширение, вызванное Большим Взрывом и в конечном итоге все вернется обратно в точку.
- Неизбежная тепловая смерть Вселенной.
Подумайте о тепловой смерти, как полной противоположности Большому Сжатию. В этом случае, сила тяжести не достаточно сильна, чтобы преодолеть расширение, так как Вселенная просто держит курс на расширение в геометрической прогрессии. Галактики отдаляться друг от друга, как несчастные влюбленные, и всеохватывающая ночь между ними становится все шире и шире.
Вселенная подчиняется тем же правилам, как и любая термодинамическая система, что в конечном итоге приведет нас к тому, что тепло равномерно распределится по всей Вселенной. Наконец, вся Вселенная погаснет.
- Тепловая смерть от Черных дыр.
Согласно популярной теории, большинство материи во Вселенной вращается вокруг черных дыр. Просто посмотрите на галактики, которые содержат сверхмассивные черные дыр в их центрах. Большая часть теории черной дыры предполагает поглощение звезд или даже целых галактик, как они попадают в горизонт событий дыры.
В конце концов, эти черные дыры поглотят большую часть материи, и мы останемся в темной Вселенной.
- Конец Времени.
Если что-то вечное, то это, безусловно, время. Есть ли Вселенная или нет, время все равно идет. В противном случае, не было бы никакого способа, чтобы различить один момент из следующего. Но что, если время упущено и просто замерло? Что делать, если не будет больше моментов? Просто один и тот же момент времени. Навсегда.
Предположим, что мы живем во Вселенной, время в которой никогда не заканчивается. С бесконечным количеством времени, все, что может случиться происходит со 100-процентной вероятностью. Парадокс же произойдет, если у вас есть вечная жизнь. Вы живете бесконечное время, поэтому все, что можно гарантированно произойдет (и произойдет бесконечное количество раз). Остановка времени тоже может случится.
- Большое Столкновение.
Большое Столкновение похоже на Большое Сжатие, но гораздо более оптимистично. Представьте себе, тот же сценарий: Гравитация замедляет расширение Вселенной и все сжимается обратно в одну точку. В этой теории, сила этого быстрого сжатия достаточна, чтобы начать еще один Большой Взрыв, и Вселенная начинается снова.
Физикам не нравится это объяснение, так что некоторые ученые утверждают, что, возможно, Вселенная не пройдет весь путь обратно к сингулярности. Вместо этого, она сожмется очень сильно, а затем оттолкнется от силы, подобной той, что отталкивает мяч, когда вы его ударяете об пол.
- Большой Разрыв.
Независимо от того, как заканчивается мир, ученые пока не чувствуют необходимость использовать (ужасно заниженное) слово «большой», чтобы описать его. В этой теории, невидимая сила называется «темная энергия», она вызывает ускорение расширения Вселенной, что мы и наблюдаем. В конце концов, скорости вырастут настолько, что материя начнет рваться на мелкие частицы. Но есть и светлая сторона этой теории, по крайней мере Большого Разрыва придется ждать еще 16 миллиардов лет.
- Эффект Метастабильности Вакуума.
Эта теория зависит от идеи, что существующая Вселенная находится в крайне нестабильном состоянии. Если вы посмотрите на значения квантовых частиц физики, то можно сделать предположение, что наша Вселенная находится на грани устойчивости.
Некоторые ученые предполагают, что миллиарды лет спустя, Вселенная будет на грани разрушения. Когда это произойдет, в какой-то момент во Вселенной, появится пузырь. Подумайте об этом как об альтернативной Вселенной. Этот пузырь будет расширяться во всех направлениях со скоростью света, и уничтожать все, к чему прикасается. В конце концов, этот пузырь уничтожит все во Вселенной.
- Временной Барьер.
Потому что законы физики не имеют смысла в бесконечной мультивселенной, единственный способ понять эту модель это предположить, если что есть реальная граница, физическая граница Вселенной, и ничто не может выйти за пределы. И в соответствии с законами физики, в ближайшие 3,7 млрд лет, мы пересечем временной барьер, и Вселенная кончится для нас.
- Это не случится (потому что мы живем в мультивселенной).
По сценарию мультивселенных, с бесконечными Вселенными, эти Вселенные могут возникать в или из существующих. Они могут возникать из Больших Взрывов, уничтожаться Большими Сжатиями или Разрывами, но это не имеет никакого значения, так как новых Вселенных всегда будет больше, чем уничтоженных.
- Вечная Вселенная.
Ах, вековая идея, что Вселенная всегда была, и всегда будет. Это одна из первых концепций, которую люди, создали о природе Вселенной, но есть и новый виток в этой теории, что звучит немного интересней, ну, серьезно.
Вместо сингулярности и Большого Взрыва, который положил начало самого времени, время мог существовать раньше. В этой модели, Вселенная циклична, и будет продолжать расширяться и сжиматься всегда.
В ближайшие 20 лет мы с большей уверенностью сможем сказать, какая из этих теорий наиболее соответствует реальности. И возможно, найдем ответ на вопрос, как наша Вселенная начиналась и как она закончится.
Введение
1. Понятие Вселенной
2. Проблема тепловой смерти Вселенной
2.2 "За" и "против" теории тепловой смерти
Заключение
Введение
В данной работе мы поговорим о будущем нашей Вселенной. О будущем очень далеком, настолько, что неизвестно, наступит ли оно вообще. Жизнь и развитие науки существенно меняют наши представления и о Вселенной, и об ее эволюции, и о законах, управляющих этой эволюцией. В самом деле, существование черных дыр было предсказано еще в XVIII веке. Но лишь во второй половине XX столетия их стали рассматривать как гравитационные могилы массивных звезд и как места, куда может навечно «провалиться» значительная часть вещества, доступного наблюдениям, выбывая из общего круговорота. А позже стало известно, что черные дыры испаряются и, таким образом, возвращают поглощенное, хотя совсем в другом обличие. Новые идеи постоянно высказываются космофизиками. Поэтому картины, нарисованные еще совсем недавно, неожиданно оказываются устаревшими.
Одним из наиболее дискуссионных вот уже около 100 лет является вопрос о возможности достижения равновесного состояния во Вселенной, что эквивалентно понятию ее «тепловой смерти». В данной работе мы и рассмотрим его.
A что такое Вселенная? Ученые под этим термином понимают максимально большую область пространства, включающую в себя как все доступные для изучения небесные тела и их системы, т.е. как Метагалактику, так и возможное окружение, еще влияющее на характер распределения и движения тел в ее астрономической части.
Известно, что Метагалактика находится в состоянии приблизительно однородного и изотропного расширения. Все галактики удаляются друг от друга со скоростью тем большей, чем больше расстояние между ними. С течением времени скорость этого расширения уменьшается. На расстоянии 15-20 миллиардов световых лет удаление происходит со скоростью, близкой к скорости света. По этой и ряду других причин, мы не можем видеть более далекие объекты. Существует как бы некий «горизонт видимости». Вещество на этом горизонте находится в сверхплотном («сингулярном», т.е. особом) состоянии, в каком оно было в момент условного начала расширения, хотя на этот счет имеются и другие предположения. Из-за конечности скорости распространения света (300000 км/с) мы не можем знать, что происходит на горизонте сейчас, но некоторые теоретические расчеты позволяют думать, что за пределами горизонта видимости вещество распределено в пространстве примерно с той же плотностью, что и внутри него. Именно это и приводит как к однородному расширению, так и к наличию самого горизонта. Поэтому часто Метагалактику не ограничивают видимой частью, а рассматривают как сверхсистему, отождествленную со всей Вселенной в целом, считая ее плотность однородной. В простейших космологических построениях рассматривают два основных варианта поведения Вселенной – неограниченное расширение, при котором средняя плотность вещества с течением времени стремится к нулю, и расширение с остановкой, после которой Метагалактика должна начать сжиматься. В общей теории относительности показывается, что наличие вещества искривляет пространство. В модели, где расширение сменяется сжатием, плотность достаточно высока и кривизна оказывается такой, что пространство «замыкается на себя», подобно поверхности сферы, но в мире с большим, чем «у нас», числом измерений. Наличие горизонта приводит к тому, что даже этот пространственно конечный мир мы не можем видеть целиком. Поэтому с точки зрения наблюдений замкнутый и открытый мир различаются не очень сильно.
Скорее всего, реальный мир устроен сложнее. Многие космологи предполагают, что существует несколько, может быть, даже очень много метагалактик и все они вместе могут представлять какую-то новую систему, являющуюся частью некоторого еще более крупного образования (может быть, принципиально иной природы). Отдельные части этого гипермира (вселенные в узком смысле) могут иметь совершенно различные свойства, могут быть не связаны друг с другом известными нам физическими взаимодействиями (или быть слабо связанными, что имеет место в случае так называемого полузамкнутого мира). В этих частях гипермира могут проявляться иные законы природы, а фундаментальные константы типа скорости света могут иметь другие значения или вообще отсутствуют. Наконец, в таких вселенных может быть не такое, как у нас, число пространственных измерений.
2.1 Второй закон термодинамики
Согласно второму закону (началу) термодинамики, процессы, происходящие в замкнутой системе, всегда стремятся к равновесному состоянию. Иными словами, если нет постоянного притока энергии в систему, идущие в системе процессы стремятся к затуханию и прекращению.
Идея о допустимости и даже необходимости применения второго закона термодинамики ко Вселенной как целому принадлежит В. Томсону (лорду Кельвину), который опубликовал ее еще в 1852 г. Несколько позже Р. Клаузиус сформулировал законы термодинамики в применении ко всему миру в следующем виде: 1. Энергия мира постоянна. 2. Энтропия мира стремится к максимуму.
Максимальная энтропия как термодинамическая характеристика состояния соответствует термодинамическому равновесию. Поэтому обычно интерпретация этого положения сводилась (часто сводится и сейчас) к тому, что все движения в мире должны превратиться в теплоту, все температуры выровняются, плотность в достаточно больших объемах должна стать всюду одинаковой. Это состояние и получило название тепловой смерти Вселенной.
Реальное разнообразие мира (кроме, разве что, распределения плотности на самых больших ныне наблюдаемых масштабах) далеко от нарисованной картины. Но если мир существует вечно, состояние тепловой смерти уже давно должно было бы наступить. Полученное противоречие получило название термодинамического парадокса космологии. Чтобы его ликвидировать, нужно было допустить, что мир существует недостаточно долго. Если говорить о наблюдаемой части Вселенной, а также о ее предполагаемом окружении, то это, по-видимому, так и есть. Мы уже говорили о том, что она находится в состоянии расширения. Возникла она скорее всего в результате взрывообразной флуктуации в первичном вакууме сложной природы (или, можно сказать, в гипермире) 15 или 20 миллиардов лет назад. Астрономические объекты – звезды, галактики – возникли на более поздней стадии расширения из первоначально почти строго однородной плазмы. Однако по отношению к далекому будущему вопрос остается. Что ждет нас или наш мир? Наступит рано или поздно тепловая смерть или же этот вывод теории по каким-то причинам неверен?
2.2 «За» и «против» теории тепловой смерти
Многие выдающиеся физики (Л. Больцман, С. Аррениус и др.) категорически отрицали возможность тепловой смерти. Вместе с тем даже и в наше время не менее крупные ученые уверены в ее неизбежности. Если говорить о противниках, то, за исключением Больцмана, обратившего внимание на роль флуктуаций, их аргументация была скорее эмоциональной. Лишь в тридцатые годы нашего столетия появились серьезные соображения относительно термодинамического будущего мира. Все попытки решения термодинамического парадокса можно сгруппировать в соответствии с тремя основными идеями, положенными в их основу:
1. Можно думать, что второй закон термодинамики неточен или же неверна его интерпретация.
2. Второй закон верен, но неверна или неполна система остальных физических законов.
3. Все законы верны, но неприменимы ко всей Вселенной из-за каких-то ее особенностей.
В той или иной мере все варианты могут быть использованы и действительно используются, хотя с разным успехом, для опровержения вывода о возможной тепловой смерти Вселенной в сколь угодно удаленном будущем. По поводу первого пункта заметим, что в «Термодинамике» К.А. Путилова (М., Наука, 1981) приводится 17 различных определений энтропии, не все из которых эквивалентны. Мы скажем лишь, что если иметь в виду статистическое определение, учитывающее наличие флуктуаций (Больцман), второй закон в формулировке Клаузиуса и Томсона действительно оказывается неточным.
Закон возрастания энтропии, оказывается, имеет не абсолютный характер. Стремление к равновесию подчинено вероятностным законам. Энтропия получила математическое выражение в виде вероятности состояния. Таким образом, после достижения конечного состояния, которое до сих пор предполагалось соответствующим максимальной энтропии Smax, система будет находиться в нем более продолжительное время, чем в других состояниях, хотя последние неизбежно будут наступать из-за случайных флуктуаций. При этом крупные отклонения от термодинамического равновесия будут значительно более редкими, чем небольшие. На самом деле состояние с максимальной энтропией достижимо только в идеале. Эйнштейн отметил, что «термодинамическое равновесие, строго говоря, не существует». Из-за флуктуаций энтропия будет колебаться в каких-то небольших пределах, всегда ниже Smax. Ее среднее значение будет соответствовать больцмановскому статистическому равновесию. Таким образом, вместо тепловой смерти можно было бы говорить о переходе системы в некоторое «наиболее вероятное», но все же конечное статистически равновесное состояние. Считается, что термодинамическое и статистическое равновесие – практически одно и то же. Это ошибочное мнение опроверг Ф.А. Цицин, показавший, что различие в действительности весьма велико, хотя о конкретных значениях разницы мы здесь говорить не можем. Важно, что любая система (например, идеальный газ в сосуде) рано или поздно будет иметь не максимальное значение энтропии, а скорее , соответствующее, как будто, сравнительно малой вероятности. Но здесь дело в том, что энтропию имеет не одно состояние, а громадная их совокупность, которую лишь по небрежности называют единым состоянием. Каждое из состояний с имеет и в самом деле малую вероятность осуществления, и поэтому в каждом из них система не задерживается долго. Но для их полного набора вероятность получается большой. Поэтому совокупность частиц газа, достигнув состояния с энтропией, близкой к , должна довольно быстро перейти в какое-то другое состояние с примерно той же энтропией, затем в следующее и т.д. И хотя в состоянии, близком к Smax, газ будет проводить больше времени, чем в любом из состояний с , последние вместе взятые становятся более предпочтительными.
Попытку распространить законы термодинамики на Вселенную в целом предпринял Р.Клаузиус , выдвинувший следующие постулаты.
- Энергия Вселенной всегда постоянна, то есть Вселенная – это замкнутая система.
- Энтропия Вселенной всегда возрастает.
Если мы примем второй постулат, то нам надо признать, что все процессы во Вселенной направлены на достижение состояния термодинамического равновесия, характеризуемого максимумом энтропии, что означает наибольшую степень хаоса, дезорганизации, энергетическое уравновешивание. В этом случае во Вселенной наступает тепловая смерть и никакой полезной работы, никаких новых процессов или образований в ней производиться не будет (не будут светить звезды, образовываться новые звезды и планеты, остановится эволюция вселенной).
С этой мрачной перспективой были не согласны многие ученые, предполагавшие, что наряду с энтропийными процессами во Вселенной должны происходить и антиэнтропийные процессы, которые препятствуют тепловой смерти Вселенной.
Среди таких ученых был и Л.Больцман, который предположил, что для небольшого числа частиц второйзакон термодинамики не должен применяться , ибо в этом случае нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом наша часть Вселенной должна рассматриваться как небольшая часть бесконечной Вселенной. А для такой небольшой области допустимы небольшие флуктуационные (случайные) отклонения от общего равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция нашей части Вселенной в направлении к хаосу. Во Вселенной имеются относительно небольшие участки, порядка нашей звездной системы, которые в течение относительно небольших промежутков времени значительно отклоняются от теплового равновесия. В этих участках имеет место эволюция, то есть развитие, усовершенствование, нарушение симметрии.
В середине ХХ века новая неравновесная термодинамика, или термодинамика открытых систем , или синергетика где место закрытой изолированной системы заняло фундаментальное понятие открытой системы. Основателями этой новой науки было И.Р.Пригожин (1917-2004) и Г.Хакен (1927).
Открытая система – это система, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией или информацией.
Открытая система тоже производит энтропию, как и закрытая, но в отличие от закрытой, эта энтропия не накапливается в открытой системе, а выводится в окружающую среду. Использованная отработанная энергия (энергия низшего качества – тепловая при низкой температуре) рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая энергия (высокого качества, способная переходить из одной формы в другою), способная производить полезную работу.
Возникающие для этих целей материальные структуры, способные рассеивать использованную энергию и поглощать свежую, называются диссипативными . В результате такого взаимодействия система извлекает порядок из окружающей среды, одновременно внося беспорядок в эту среду. С поступлением новой энергии, вещества или информации неравновесность в системе возрастает. Прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяла ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, приводящие к кооперативным процессам, то есть к коллективному поведению элементов. Так схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых системах.
В качестве примера такой системы можно взять работу лазера , с помощью которого получают мощные оптические излучения. Хаотические колебательные движения частиц такого излучения, благодаря поступлению определенной порции энергии извне производят согласованные движения. Частицы излучения начинают колебаться в одинаковой фазе, вследствие чего мощность лазерного излучения много кратно увеличивается, несоизмеримо с количеством подкаченной энергии.
Изучая процессы, происходящие в лазере, немецкий физик Г.Хакен (р.1927) назвал новое направление синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает “совместное действие”, “взаимодействие”.
Еще одним известным примером самоорганизации могут служить химические реакции, которые изучал И.Пригожин. Самоорганизация в этих реакциях связана с поступлением в систему извне веществ, обеспечивающих эти реакции (реагентов), с одной стороны, и выведением в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Внешне такая самоорганизация может проявиться в виде периодически появляющихся концентрических волн или в периодическом изменении цвета реагируемого раствора. Подобную химическую реакцию получил и исследовал известный бельгийский химик русского происхождения И.Р.Пригожин. Свою химическую реакцию Пригожин назвал «Брюсселятор» в честь города Брюсселя, где Пригожин жил и работал, и где была впервые поставлена эта реакция.
Вот как писал об этом сам Пригожин: “Предположим, что у нас имеются молекулы двух сортов: “красные” и “синие”. Из-за хаотического движения молекул можно было бы ожидать, что в какой-то момент в левой части сосуда окажется больше “красных” молекул, а в следующий момент больше станет “синих” молекул и т.д. Цвет смеси с трудом поддается описанию: фиолетовый с беспорядочными переходами в синий и красный. Иную картину мы увидим, разглядывая химические часы: вся реакционная смесь будет иметь синий цвет, затем ее цвет резко изменится на красный, потом снова на синий и т.д. Смена окраски происходит через правильные интервалы времени. Для того чтобы одновременно изменить свой цвет, молекулы должны каким-то образом поддерживать связь между собой. Система должна вести себя как единое целое” (Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986. С.202-203).
Конечно же, никакого «сговора» между молекулами в прямом смысле этого слова нет и быть не могло. Дело в том, что в определенный момент времени все молекулы начинали колебаться в одной фазе – синего цвета, и тогда вся смесь приобретала синий цвет. Через определенный промежуток времени молекулы начинали колебаться в другой фазе – фазе красного цвета, и тогда вся смесь приобретала красный цвет и т.д., пока не заканчивалось действие реагента.
Приведем другой пример. Если взять цирковой прозрачный барабан с синими и красными шариками и начать его вращать с определенной частотой – частотой красного цвета, то мы, как и в случае с молекулами, обнаружим, что все шарики стали красными. Если мы сменим частоту вращения барабана на соответствующую синей длине волны, то увидим, что шарики посинели и т.д.
Наиболее показательным примером самоорганизации могут служить ячейки Бенара . Это маленькие шестигранные структуры, которые могут, к примеру, образоваться в слое масла на сковородке при соответствующем перепаде температур. Как только температурный режим меняется ячейки распадаются.
Таким образом, чтобы самопроизвольно выстроилась новая структура, необходимо задать соответствующие параметры среды.
Управляющие параметры – это параметры среды, которые создают граничные условия, в рамках которых существует данная открытая система (это может быть температурный режим, соответствующая концентрация веществ, частота вращения и т.п.).
Параметры порядка – это «ответ» системы на изменение управляющих параметров (перестройка системы).
Очевидно, что процесс самоорганизации может начаться не в любой системе и не при любых условиях. Рассмотрим условия, при которых может начаться процесс самоорганизации.
Необходимыми условиями для возникновения самоорганизации в различных системах являются следующие:
1. Система должна быть открытой , потому что закрытая система, в конечном счете, должна прийти в состояние максимального беспорядка, хаоса, дезорганизации в соответствии со 2 законом термодинамики;
2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точкитермодинамического равновесия . Если система уже находится вблизи от этой точки, то она неизбежно приблизится к ней и, в конце концов, придет в состояние полного хаоса и дезорганизации. Ибо точка термодинамического равновесия является сильным аттрактором;
3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит «возникновение порядка через флуктуации» (И.Пригожин). Флуктуации или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения в начале подавляются и ликвидируются системой. Однако, в открытых системах, благодаря усилению неравновесности, эти отклонения со временем возрастают, усиливаются и, в конце концов, приводят к “расшатыванию” прежнего порядка, к хаотизации системы. В состоянии неустойчивости, нестабильности система будет особенно чувствительна к начальным условиям, чувствительна к флуктуациям. В этот момент какая-то флуктуация прорывается с макроуровня системы на ее микроуровень и осуществляет выбор дальнейшего пути развития системы, дальнейшей ее перестройки. Предсказать, как поведет себя система в состоянии нестабильности, какой выбор будет ей сделан в принципе невозможно. Этот процесс характеризуется как принцип «возникновения порядка через флуктуации». Флуктуации носят случайный характер. Поэтому становится ясным, что появление нового в мире связано с действием случайных факторов.
Например, тоталитарное общество в Советском Союзе являлось прочной социальной структурой. Однако, поступающая из-за рубежа информация о жизни других обществ, торговля (обмен товарами) и т.п. стали вызывать в тоталитарном обществе отклонения в виде свободомыслия, недовольства, диссидентства и т.п. Вначале структура тоталитарного общества была в состоянии подавлять эти флуктуации, но их становилось все больше, и сила их нарастала, что привело к расшатыванию и развалу старой тоталитарной структуры и замене ее новой.
И еще один шуточный пример: Сказка про репку. Посадил дед репку. Выросла репка большая пребольшая. Настало время ее вытаскивать из земли. Дед тащил, тащил репку, но вытащить ее так и не смог. Слишком еще устойчивая система наша репка. Позвал дед на помощь бабку. Тащили они, тащили репку вместе, но вытащить так и не смогли. Флуктуации, расшатывающие репку усиливаются, но их пока еще не достаточно, чтобы разрушить систему (репку). Позвали они внучку, но тоже репку не вытащили. Затем позвали собаку Жучку, и, наконец, позвали мышку. Казалось бы, какое усилие могла сделать мышка, но она явилась «последней каплей», которая привела к качественно новому изменению системы – ее развалу (репка была вытащена из земли). Мышку можно назвать непредсказуемой случайностью, которая сыграла решающую роль, или «малой причиной больших событий»;
4. Возникновение самоорганизации опирается на положительную обратную связь . Согласно принципу положительной обратной связи, изменения, появляющиеся в системе не устраняются, а усиливаются, накапливаются, что приводит, в конце концов, к дестабилизации, расшатыванию старой структуры и замене ее на новую;
5. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушениемсимметрии . Симметрия означает устойчивость, неизменность. Самоорганизация же предполагает асимметрию, то есть развитие, эволюцию;
6. Самоорганизация может начаться лишь в больших системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов (10 10 -10 14 элементов), то есть в системах, имеющих некоторые критические параметры . Для каждой конкретной самоорганизующейся системы эти критические параметры свои.
Лекция № 14. Основные понятия синергетики. Возможностьуправления синергетическими системами.
Взрывные, катастрофические процессы были известны человечеству издавна. Скажем, человек, путешествующий по горам знал, на основе своего эмпирического опыта, что горная лавина может обрушиться внезапно, чуть ли не от дуновения ветра или неудачно сделанного шага.
Революции и катаклизмы часто представляли собой следствия последней капли народного недовольства, последнего случайного события переполнившего чашу весов. Это были типичные малые причины больших событий.
Каждый из нас может вспомнить определенные ситуации выбора, которые стояли на жизненном пути, и в решающие жизненные моменты перед нами открывалось несколько возможностей. Все мы включены в механизмы, где в критический момент, момент перелома решающий выбор определяет случайное событие. Итак, лавинообразные процессы, социальные катаклизмы и потрясения, критические ситуации выбора на жизненном пути каждого человека.. . Можно ли подвести единую научную основу под все эти, казалось бы различные, факты? Последние 30 лет закладывается фундамент такой универсальной научной модели, которая получила название синергетики.
Как мы уже видели, синергетика основана на идеях системности,целостного подхода к миру, нелинейности (то есть много вариантности), необратимости , глубинной взаимосвязи хаоса и порядка . Синергетика дает нам образ сложноорганизованного мира , который является не ставшим, а становящимся, не просто существующим, а непрерывно возникающим . Этот мир развивается по нелинейным законам , он полон неожиданных , непредсказуемых поворотов, связанных с выбором дальнейшего пути развития.
Предметом синергетики являются механизмы самоорганизации . Это механизмы образования и разрушения структур, механизмы, обеспечивающие переход от хаоса к порядку и обратно. Эти механизмы не зависят от конкретной природы элементов систем. Они присущи неживому миру и природе, человеку и социуму. Синергетику поэтому считают междисциплинарным направлением научного исследования.
Синергетика, как и любая другая наука, имеет свой собственный язык, свою систему понятий. Это такие понятия как “аттрактор”, “бифуркация”, “фрактальный объект”, “детерминированный хаос” и другие. Понятия эти должны стать доступными для каждого образованного человека, тем более что им можно найти соответствующие аналоги в науке и культуре.
Основными понятиями синергетики являются понятия «хаоса» и «порядка».
Порядок – это множество элементов любой природы, между которыми существуют устойчивые (регулярные) отношения, повторяющиеся в пространстве и во времени. Например, строй солдат, марширующих на параде.
Хаос – множество элементов, между которыми нет устойчивых повторяющихся отношений. Например, бегущая в панике толпа людей.
Понятие “аттрактор” близко к понятию цели. Это понятие можно раскрыть как целеподобность, как направленность поведения системы, как устойчивое относительно конечное ее состояние. В синергетике под аттрактором понимают относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягиваетк себе всемногообразие траекторий системы , определяемых разными начальными условиями. Если система попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию. Например, независимо от начального положения мяча, он скатится на дно ямы. Состояние покоя мяча на дне ямы – это аттрактор движения мяча.
Аттракторы подразделяются на простые и странные .
Простой аттрактор (аттрактор)- это предельное состояние порядка. Система выстраивает порядок и совершенствует его не до бесконечности, а до уровня, определяемой простым аттрактором.
Странный аттрактор – это предельное состояние хаотизации системы. Система хаотизируется, разваливается тоже не до бесконечности, а до уровня, определяемого странным аттрактором.
Понятие бифуркация в переводе с английского означает вилку с двумя зубцами – befork. Говорят обычно не о самой бифуркации, а о точки бифуркации . Синергетический смысл точкибифуркации таков – это точка ветвлениявозможных путей эволюции системы . Прохождениечерез точки ветвления, совершенный выбор закрывает иные пути и делает тем самымэволюционный процесс необратимым .
Нелинейную систему можно определить как систему, таящую в себе бифуркации.
Очень важным для синергетики является нелинейность . Под нелинейностью понимают:
1. Возможность выбора пути развития системы (подразумевается, что у системы существует не один путь развития, а несколько);
2. Несоизмеримость нашего воздействия на систему и получаемого в ней результата. По пословице «мышь родит гору».
То, что в синергетике называют “бифуркацией ” имеет глубокие аналоги в культуре. Когда сказочный рыцарь стоит, задумавшись у придорожного камня на развилке дорог и выбор пути определит его дальнейшую судьбу, то это и является по существу наглядно-образным представлением бифуркации в жизни человека. Эволюция биологических видов, представленная в виде эволюционного дерева , наглядно иллюстрирует ветвящиеся пути эволюции живой природы.
«Смотри - лучи солнца, не могут пробиться
сквозь серое небо
и все твои мысли, молитвы о помощи...
Пути пройдены, нам некуда бежать. И осторожно, касаясь пальцем звезд,
Я понимаю … но, неизбежно то, что слишком поздно…»
Английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин), один из основателей термодинамики в 1852 году выдвинул гипотезу о тепловой смерти Вселенной.
"Тепловая смерть" - это термин в термодинамике, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической системы, когда все виды энергии переходят в тепловую энергию. При этом термодинамическая энтропия системы максимальна.
Тогда «тепловая смерть Вселенной» это состояние Вселенной, когда все виды энергии в ней перейдут в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по всей Вселенной. После этого все термодинамические процессы во Вселенной должны прекратиться.
Томсон считал, что материальная Вселенная, то есть звезды, планеты и прочие небесные тела, является единой, замкнутой, изолированной системой. Ведь другой такой же Вселенной нет. А если так, то второе начало термодинамики полностью применимо ко всему космосу и, стало быть, в конце концов наш разнообразный и веселый мир ждет унылая «тепловая смерть»...
В 1865 году известный физик Р. Клаузиус , основываясь на втором законе термодинамики сделал теоретический вывод о тепловой смерти Вселенной. Согласно второму началу термодинамики, любая замкнутая физическая система, т. е. не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию, т.е. к состоянию теплового равновесия, что соответствует максимуму энтропии.
Рудольф Клаузиус утверждал, что хотя энергия некоторой системы и остается постоянной (первое начало термодинамики), однако с течением времени она лишается способности к превращениям, а значит и способности совершать работу. Это означает, что всякая термодинамическая система со временем "деградирует", наступает "тепловая смерть".
Он согласился с выводом Томсона и написал: «.. энтропия Вселенной стремится к некоторому максимуму. Чем больше Вселенная приближается к этому предельному состоянию, ...тем больше исчезают поводы к дальнейшим изменениям, а если это состояние было бы наконец-то достигнуто, то больше не происходило бы никаких дальнейших изменений, и Вселенная находилась бы в некотором мертвом состоянии инерции».
Теория «тепловой смерти» находилась в противоречии с ньютоновской вечной Вселенной. Действительно, если рассмотреть Вселенную как изолированную термодинамическую систему, то, учитывая ее бесконечный возраст, на основании закона возрастания энтропии можно сделать вывод о достижении ею уже максимума энтропии, то есть состояния термодинамического равновесия. Но в реально окружающей нас Вселенной этого не наблюдается.
Попытка избежать указанного противоречия гипотезы тепловой смерти Вселенной была предпринята Больцманом , который предположил, что у системы и в состоянии термодинамического равновесия могут наблюдаться небольшие изменения - флуктуации термодинамических параметров (температуры, давления, объема).
Вселенная с энергетической точки зрения уже мертва, но отдельные ее области подвержены флуктуациям.
И наша часть бесконечной Вселенной, все пространство, до которого достигает взгляд человека, находится в режиме огромной, ныне затухающей флуктуации. А если считать, что наблюдаемая Вселенная является следствием такой флуктуации, то противоречия парадокса о тепловой смерти Вселенной исчезают.
В 1909 году против тепловой смерти выступил известный шведский ученый Сванте Август Аррениус , занимавшийся вопросами образования и эволюции небесных тел.
Аррениус писал: «Если бы Клаузиус был прав, то эта «смерть тепла» за бесконечно долгое время существования мира давно бы уже наступила, чего, однако, не случилось. Или нужно допустить, что мир существует не бесконечно долго и что он имел свое начало; это, однако, противоречит первой части положения Клаузиуса, устанавливающей, что энергия мира постоянна, - ибо тогда пришлось бы допустить, что вся энергия возникла в момент творения».
В 20 веке Общая Теория Относительности А. Эйнштейна разрешила многие противоречия, существовавшие в классической физике.
Однако и в наше время в науке нет единого мнения о строении Вселенной и ее возникновении. Хотя современной космологией однозначно установлено , что Вселенная, возраст которой определен в 13,72 млрд лет, не стационарна.
Среди ученых не утихают споры о будущем Вселенной, о ее «бесконечном расширении», о существовании «скрытой материи», огромное количество которой может опровергнуть современные представления о свойствах Вселенной.
А понятие «тепловой смерти Вселенной» стало первым шагом к осознанию возможной конечности существования Вселенной, хотя и неизвестно, когда и по какому сценарию возможна её гибель.
