Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в весьма своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции.
Тепловые и механические процессы несхожи. Все явления, описываемые механикой Ньютона, - чисто механические явления - обратимы. Это значит, что законы механики не меняются при изменении знака времени, т.е. замены в формулах t на -t. В самом деле, второй закон Ньютона содержит ускорение (вторую производную от перемещения по времени), где время в квадрате.
Но что такое знак времени? Время течет из прошлого через настоящее в будущее. Возвращение назад не происходит. Действительность необратима. Человек рождается, растет, достигает зрелости, старится и умирает. Жизнь необратима. Если выразить математически, то в уравнение движения войдет сила трения, пропорциональная скорости, (скорость в первой степени и инвариантность по отношению к замене t на -t исчезает).
Если два тела с разными температурами, находятся в контакте, теплота перетекает от более нагретого тела к менее нагретому. Температуры выравниваются. Прошлое - разность температур, будущее - равные температуры. Процесс перехода теплоты от одного тела к другому необратим. Невозможно самопроизвольно разделение тела, находящегося при определенной температуре, на две части - горячую и холодную. Различие между механическими и тепловыми явлениями оказались связанными с самыми глубокими вопросами естествознания [2, 59].
Раскрытие природы и смысла необратимых процессов стало одной из центральных проблем физики 19 века. И не только физики. Система, в которой протекают тепловые процессы, способна к необратимому развитию, т.е. к эволюции. Ясное понимание такой способности пришло в науку лет через тридцать после труда Карно, но было этим трудом подготовлено. В те же десятилетия строилась эволюционная теория в биологии, нашедшая свое выражение в "Происхождении видов" Чарльза Дарвина, опубликованном в 1859 г. Речь шла об эволюции, т.е. о необратимом развитии живой природы. Наиболее резкое противоречие в прошлом веке возникло между прежней физикой и эволюционной теорией Дарвина. Если, например, в механике все процессы представляются обратимыми, лишенными своей истории и развития, то теория Дарвина убедительно доказала, что новые виды растений и животных возникают в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбе выживают те организмы, которые оказываются лучше приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе все процессы являются необратимыми. То же самое можно сказать в принципе и о социально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных системах, хотя эволюция в природе происходит значительно медленнее, чем в обществе. Связи между биологией и физикой, вначале казавшиеся несуществующими, сыграли громадную роль в развитии науки.
В изолированных системах направление времени совпадает с направлением возрастания энтропии. К моменту зарождения термодинамики в естествознании господствовала механика Ньютона с обратимым временем, механика неразвивающегося мира. Времени в этом естествознании не было. Оно существовало в гуманитарных науках, прежде всего в истории. Время впервые появилось во втором начале термодинамики - возникло необратимое возрастание энтропии в самопроизвольных процессах. Но в остальном термодинамика была термостатикой - наукой о равновесиях и равновесных процессах.
1.3 Третий закон термодинамики
При стремлении температуры к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к постоянному минимуму. Энтропия открыла путь от технологии (тепловые машины) к космологии (направление времени и судьба Вселенной). Он знаменовал переход от существующего к возникающему. Наступил век Дарвина - из биологии (а также гуманитарных наук) в физику вошли представления о развитии, о росте вероятности состояния физической системы. Первый этап термодинамики завершился построением статистической физики в трудах Больцмана и Гиббса. Энтропия стала мерой неупорядоченности системы, объективной характеристикой недостатка информации о системе [3, 64].
На втором этапе развития термодинамики наука обратилась к изучению открытых неравновесных систем, близких, однако, к равновесию. Это линейная термодинамика открытых систем создана трудами Онзагера, Пригожина и других наших современников. В этой науке зависимость от времени стала количественной. Неравновесная термодинамика не ограничивается констатацией возрастания энтропии в необратимых процессах, но вычисляет скорость этого возрастания - производную продукции энтропии по времени, т.е. функцию диссипации. Два основных положения линейной термодинамики существенны и нетривиальны. Во-первых, возможность существования открытой системы в стационарном неравновесном состоянии, в котором внутренняя продукция энтропии компенсируется ее оттоком из открытой системы. Во-вторых, сопряжение динамических процессов, благодаря которому в открытой системе процесс, невозможный в отсутствие сопряжения, так сам по себе он связан с понижением энтропии, реализуется за счет свободной энергии других, энтропийно выгодных процессов.
Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и космологические проблемы характера процессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял один из основателей этой теории — Р. Клаузиус, выдвинувший два постулата:
• энергия Вселенной всегда постоянна;
• энтропия Вселенной всегда возрастает [3, 84].
Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых и философов, но в середине прошлого века было еще мало научных аргументов для опровержения мнения Р. Клаузиуса и обоснования альтернативного взгляда. Некоторые авторы предполагали, что наряду с энтропийными процессами в природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению "тепловой смерти" во Вселенной. Другие высказывали сомнение в правомерности распространения понятий термодинамики, в частности энтропии, с отдельных систем на Вселенную в целом. Но только единицы догадывались, что само понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.
В последние десятилетия наступил третий этап развития термодинамики - возникла физика диссипативных систем, физика неравновесных процессов. Открытые системы способны творить порядок из хаоса за счет экспорта энтропии, ее оттока из открытой системы. Организм питается отрицательной энтропией, а не положительной энергией. Сформировалась новая область физики - физика диссипативных систем или синергетика (Хакен). Через сто лет после "Происхождения видов" Дарвина физика объединилась с биологией в понимании процессов необратимого развития, естествознание впервые встретилось с синергетикой именно в "Происхождении видов".
Термодинамика превратилась в стройную феноменологическую теорию, описывающую в самом общем виде энергетические процессы в любых системах; понятия, принципы, методы термодинамики оказались поистине всеобъемлющими.
Заключение
Современная наука и синергетика объясняют процесс самоорганизации систем следующим образом.
1. Система должна быть открытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией.
2. Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точке равновесия система обладает максимальной энтропией и поэтому не способна к какой-либо организации: в этом состоянии достигается максимум ее самодезорганизации. В состоянии, близком к равновесию, система со временем приблизится к нему и придет в состояние полной дезорганизации.
3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения, системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Но в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к "расшатыванию" прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Так как флуктуации носят случайный характер, то становится ясно, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. Об этом говорили античные философы Эпикур (341–270 до н.э.) и Лукреций Кар (99–45 до н.э.)
4. Возникновение самоорганизации опирается на положительную обратную связь. Функционирование различных автоматических устройств основывается на принципе отрицательной обратной связи, т.е. на получение обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. В самоорганизующейся системе изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.