Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
3.3.Эволюция материи и второе начало термодинамики
Как было ранее, идеи космологической эволюции формировались в XVII-XVIII веках и особых противоречий это не вызывало вплоть до открытия второго начала термодинамики. Решение проблемы самоорганизации для конкретных систем было найдено в рамках неравновесной термодинамики. Однако физическая эволюция Вселенной в целом при этом не объясняется, приводя к тепловой смерти Вселенной.
Парадоксальная методологическая ситуация – эмпирические факты говорят о развитии и самоорганизации материи, строятся различные гипотезы, а потом появляется закон, который всему этому противоречит. Причем любопытно подчеркнуть: второе начало термодинамики было открыто принципиально в иной области – для термодинамических процессов – и уже позже его экстраполировали на космические явления и на весь мир вообще. Возникает вопрос: правомерна ли такая экстраполяция?
Приведем некоторые современные формулировки второго начала термодинамики:
невозможен циклический процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты, получаемой системой от внешней среды, в работу без изменений в окружающей среде;
невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения рабочего тела;
невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии рабочего тела;
невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение в работу всего количества теплоты, полученного системой;
нельзя построить вечный двигатель второго рода;
замкнутая система самопроизвольно стремится к равновесному состоянию, при котором все виды энергии переходят в тепловую, и энергия обесценивается;
все самопроизвольные процессы в замкнутых системах протекают в направлении увеличения энтропии (или она не меняется) [89, 191-196].
В формулировке Томсона второй закон термодинамики звучал следующим образом.
1. В материальном мире существует в настоящее время тенденция к рассеянию механической энергии.
2. Никакое восстановление механической энергии, без более чем эквивалентного рассеяния, невозможно в неживых материальных процессах и, вероятно, никогда не осуществляется при помощи организованной материи, как наделенной растительной жизнью, так и подчиненной воле одушевленного существа.
3. В прошлом, отстоящим на конечный промежуток времени от настоящего момента, Земля находилась и спустя конечный промежуток времени она снова очутится в состоянии, непригодном для обитания человека, если только в прошлом не были проведены и в будущем не будут предприняты такие меры, которые являются неосуществимыми при наличии законов, регулирующих известные процессы, протекающие ныне в материальном мире.
Любопытно отметить, что во втором пункте нет категорического утверждения о том. что рассеяние энергии идет и в живых системах, Томсон говорит об этом со словом «вероятно», то есть строго не доказывает.
Как утверждается, все эти формулировки эквивалентны. В данной работе мы не будем обсуждать этот вопрос, а остановимся на математической стороне дела, которая связана с энтропией и вероятностью состояния системы.
Но прежде поговорим об истории возникновения второго начала термодинамики и его методологических предпосылках.
Как известно, первые попытки описания тепловых явлений были связаны с предполагаемой возможностью описать их на основе механических явлений. Так, в XVIII века была популярной теория теплорода, согласно которой существует некая жидкость, которая, перетекая от тела к телу, вызывает ощущение тепла или холода – если жидкости в теле много, оно теплое, если мало – холодное. Так же считалось, что выполняется закон сохранения – теплород не может образовываться или исчезать.
Эта модель удовлетворительно объясняла передачу тепла от тела к телу, но сталкивалась с серьезными трудностями, при объяснении превращения работы в теплоту.
В 1798 году Б. Румфорд опроверг теорию теплорода путем следующих рассуждений. В те времена пушки отливали целыми, а потом в них высверливали отверстия. Румфорд заметил, что при сверлении пушки сильно нагреваются, и сделал вывод, что причина выделения тепла - совершение механической работы. Для проверки высказанной гипотезы Румфорд взял тупое сверло (для увеличения силы трения) и пушечный ствол поместил в бочку с водой. Через некоторое время вода закипела.
Это можно было объяснить двумя различными способами: либо теплород можно производить в неограниченном количестве, либо нагревание тела связано с другими причинами, и теплорода не существует вообще. Дальнейшее развитие науки причину нагревания связало с молекулярным строением вещества и движением молекул.
Второе начало термодинамики было сформулировано на основе огромного числа эмпирических фактов, из которых следовали вышеприведенные формулировки, то есть его основой являлась неполная индукция. Уже позже этому закону был предан некий математический вид, связанный с понятием энтропии.
Основная суть второго начала заключается в том, что оно определяет направление процессов, происходящих в природе, выделяет направление термодинамической стрелы времени, делает неоднозначным прошлое и будущее.
Приведем классический пример, который можно найти в любых учебниках по термодинамике. Если мы снимем на пленку движение планет Солнечной системы в течение длительного времени, а потом прокрутим ее в обратном направлении, то мы не сможем сказать, что время пошло вспять – ни один закон механики не будет нарушен, все будет происходить естественно. То есть время в механических явлениях обратимо.
Если же мы заснимем на пленку процесс рассеивания молекул газа из маленького объема в больший, а потом посмотрим кино «наоборот», то мы сразу же поймем неестественность процесса и определим, что события идут в обратном направлении. В термодинамике время необратимо. Но, обратите внимание! Опять же ни один закон механики нарушен не будет! Будет нарушен второй закон термодинамики, который был выведен на основе невозможности такого процесса в естественных условиях. Неестественность процесса в данном случае связана только с тем, что такой процесс маловероятен, хотя и возможен.
Для малых объемов и коротких промежутков времени такой процесс бы зафиксирован экспериментально. Это удалось сделать ученым из Австралийского национального университета.
В эксперименте исследовалось поведение системы коллоидных частиц микронного размера, находящихся в воде, в оптической ловушке, созданной сфокусированным лазерным лучом. С помощью регистрационной системы исследователи могли с высокой точностью отслеживать положение частиц. При выключенном лазере латексные частицы совершали броуновское движение, однако при включении лазера на них начинала действовать сила, направленная в область максимальной интенсивности света. Исследователи делали 1000 фотографий в секунду, что позволяло отследить траекторию движения частицы в течении эксперимента (длительность эксперимента составляла до 10 секунд). Полученные траектории анализировались и было установлено, что на малых коротких временах траектории многих частиц соответствуют уменьшению энтропии, тогда как на секундных масштабах таких траекторий практически не наблюдается [219]. Это говорит о том, что второй закон термодинамики не может рассматриваться как универсальный, выполняющийся везде и всегда. Хотя чем больше система, тем меньше вероятность его нарушения. Заметим, что речь идет о термодинамических процессах, и вполне возможны другие формы движения материи, к которым этот закон применять нельзя.
Теперь рассмотрим еще один пример. Мы снимаем на пленку процесс образования атомов водорода из протонов и электронов (рекомбинацию), а затем прокручиваем пленку назад. В результате мы будем наблюдать процесс ионизации, что так же может восприниматься естественно. Время обратимо! Но есть существенное отличие от механического движения. Если при наблюдении «наоборот» движения планет в Солнечной системе изменилось только направление движения, то в последнем случае мы наблюдаем два взаимно противоположных процесса, которые качественно отличаются друг от друга. Далее будет показано, что оба этих процесса (распад и соединение, или стремление к хаосу или порядку) является следствием одной и той же закономерности. Справедливости ради отметим, что в указанных случаях изменения в окружающей среде будут разные, но теоретически можно придумать такое состояние системы, при котором средняя энергия атомов будет равна энергии ионизации, и тогда без каких-либо изменений в окружающей среде будут одновременно идти два качественно противоположных процесса.
Подобный пример термодинамического равновесия насыщенного пара в замкнутом сосуде – испарение и конденсация. Возникает вопрос – обратимо ли время в этих процессах, и можно ли здесь использовать второе начало термодинамики? А уж тем более можно ли применять второе начало термодинамики для Вселенной в целом? При такой попытке возникает проблема тепловой смерти Вселенной – все виды энергии обесцениваются, и образование сложных структур невозможно. Однако, весь повседневный опыт и история эволюции Вселенной практически во всех современных моделях говорит о том, что такие структуры образуются.
Было несколько подходов в решении указанной проблемы: некоторые ученые считали, что наряду с повышением энтропии в природе должны идти процессы, приводящие к ее уменьшению. Так, Герман фон Гельмгольц задал вопрос, а возможен ли обратный переход от недоступной к доступной энергии «для хрупких структур, состоящих из живых органических тканей».
Сомнение высказывал не толькоГельмгольц. О существовании физического закона, противоположного второму закону термодинамики, говорили И.И.Гвай, Дж.Льюис, М.Планк, С.А.Подолинский, К.Э.Циолков-ский, Э.Шредингер. О неприменимости второго начала к биологии высказывались В.Байер, Дж.Бернал, В.И.Вернадский, К.С.Тринчер.
Ко Вселенной в целом второе начало термодинамики также неприменимо, поскольку наличие поля тяготения делает систему незамкнутой. С учётом тяготения однородное изотермическое распределение вещества вовсе не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии. Наблюдения показывают, что Вселенная резко нестационарна. Она расширяется, и почти однородное в начале расширения вещество в дальнейшем под действием сил тяготения распадается на отдельные объекты, образуются скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и не требуют нарушения законов термодинамики.
В работах И. Пригожина подчеркивается, что увеличение энтропии отнюдь не сводится к увеличению беспорядка, ибо порядок и беспорядок возникают и существуют одновременно. Порядок и беспорядок, таким образом, оказываются тесно связанными – один включает в себя другой. И в другой работе совместно с Г. Николисом, отмечается, что сложность отнюдь не противоречит законам физики; более того, она является неизбежным следствием этих законов при выполнении этих условий.
С.Д. Хайтун приводит ряд направлений решения этой проблемы, обосновывает свое решение, основанное на том, что проблема, состоящая в противоречии между законом возрастания энтропии и эволюцией в сторону усложнения, с самого начала оказалась замешанной на заблуждении, связанном с трактовкой энтропии реальных систем как меры беспорядка.