Geum.ru

Концепции Современного Естествознания

Вид материалаДокументы

Содержание


Аксиомы биологии
Подобный материал:
1   ...   7   8   9   10   11   12   13   14   ...   21

40. Энтропия – (от греч. поворот, превращение), функция состояния термодинамической системы, определяемая для обратимого процесса как отношение количества тепловой энергии Q, сообщенной системе или отведенной от неё к абсолютной температуре T, при которой проходил этот обратимый процесс: S=(Q2-Q1)/T0 K. Например, при плавлении твердого тела энтропия равна количеству теплоты, затраченной на этот процесс, деленному на температуру плавления по абсолютной шкале Кельвина. Основной принцип термодинамики (т.н. второе начало термодинамики) гласит, что в замкнутой системе в необратимых процессах энтропия всегда возрастает или в случае идеального циклического процесса без тепловых потерь (полностью обратимого), её изменение равно нулю.

Энтропия характеризует направление тепловых процессов, причем самопроизвольно тепло может переходить только от более нагретого тела к менее нагретому, что соответствует возрастанию энтропии и приводит к выравниванию температуры во всей системе тел, т.е. к равновесному состоянию, или состоянию теплового хаоса, которое характеризуется максимальным значением энтропии. Обратный процесс без затраты энергии извне невозможен, и если на замкнутую систему не оказывать никакого воздействия, она постепенно придет в такое состояние, в котором кроме малых флуктуаций, никаких процессов не происходит – т.н. равновесное термодинамическое состояние теплового хаоса, или «тепловой смерти». Понятие энтропии в 1865 году ввел в термодинамику выдающийся немецкий физик Рудольф Клаузиус, он же сформулировал второе начало термодинамики и, считая Вселенную замкнутой системой, пришел к выводу о её неизбежной «тепловой смерти», поскольку, согласно его формулировке: «Энергия Вселенной есть величина постоянная, энтропия Вселенной стремится к максимуму».

В 1872 году выдающийся австрийский физик Людвиг Больцман на основании статистической модели сложных термодинамических систем связал энтропию с вероятностью того или иного состояния системы, т.е. показал, что энтропия с точки зрения статистической физики – это мера упорядоченности или неупорядоченности элементов системы. Если в данной системе осуществилось W элементарных состояний, то величина энтропии S равна: S=k*ln W , где k = 1,381*10-23 Дж/Кельвин – постоянная Больцмана. Отсюда видно, что наиболее вероятное состояние любой системы – это состояние равновесного хаоса, т.е. беспорядка, когда количество микросостояний её элементов очень велико и отсутствуют какие-либо различия между отдельными областями системы. Такое состояние характеризуется большим значением энтропии и следовательно, отсутствием порядка в структуре, в то время как уникальная, идеально упорядоченная (м.б. почти невероятная), система с одним возможным устойчивым состоянием или какая-нибудь редчайшая, но очень продуктивная флуктуация имеют очень малое или нулевое значение энтропии, (т.к. логарифм единицы в формуле Больцмана равен нулю).

Современная трактовка понятия энтропии в больцмановском виде на основе идей синергетики считает Вселенную такой суперсистемой, к которой нельзя приложить понятие замкнутой системы и в которой, при её практической бесконечности и неравновесности, могут в качестве больших флуктуаций происходить редкие и необратимые во времени диссипативные процессы самоорганизации и самоупорядочения структур с локальным уменьшением энтропии. И наконец, загадка антиэнтропийной деятельности живого вещества, создающего и поддерживающего свою структуру в порядке длительное время, объясняется тем, что живой организм также не является замкнутой системой, а наоборот – принципиально открытой, участвующей в постоянном обмене веществ, энергии и информации с внешней средой.

К деятельности живых организмов применимы все выводы теории самоорганизации в сложных неравновесных системах. Трофические цепи в биосфере сложились таким образом, что каждый вид на каждой стадии, начиная с автотрофов, всё в большей степени упорядочивает вещество, служащее пищей организмам более высокой ступени, т.е. затрачивая внешнюю энергию, живые организмы с определенным (и в принципе не очень высоким) КПД как бы создают в природе запас отрицательной энтропии, повышая при этом энтропию и, следовательно, беспорядок в окружающей среде. По образному выражению одного из создателей квантовой механики Э. Шредингера, живые организмы питаются отрицательной энтропией (т.н. негэнтропией), заключенной в высокоупорядоченном органическом веществе.

С точки зрения физики жизнь протекает в постоянной борьбе деградирующего и хаотизирующего влияния процессов самопроизвольной термодинамической деструкции и распада менее вероятных сложных структур в более вероятные простые (согласно второму началу термодинамики) и противоэнтропийной деятельности живых организмов, восстанавливающей порядок в нарушенных структурах, за счет использования внешних источников энергии. Это происходит согласно тому принципу порядка, который закодирован в самой упорядоченной структуре, созданной природой – молекуле ДНК, носительнице генетической наследственной информации о принципах строения и развития каждого данного вида организмов. Естественная смерть одного организма – это локальная победа энтропии и равновесного хаоса над индивидуальной сложностью, гармонией и порядком, но это вместе с тем и залог возникновения новых параметров порядка, появления и развития в природе новых форм, а значит, и новых разнообразных видов организмов и типов экосистем.

Универсальность понятия энтропии стала особенно осознаваться с появлением в информатике формулы, выведенной в 1947 году американским математиком и специалистом по передаче информации Клодом Шенноном, которая аналогична формуле Больцмана, где информация получает количественную меру, а энтропия трактуется как мера первоначальной неопределенности исхода какого-либо опыта стохастического типа, - т.е. как мера статистического разнообразия исходов операций со случайной величиной в процессах передачи информации (см.). Этот вывод Шеннона вполне соответствует высказыванию самого Больцмана о том, что энтропия вообще есть мера недостающей информации о состоянии сложной системы.

В этой трактовке информация уже выступает в качестве меры порядка, а всякий процесс получения информации становится инструментом упорядочивания хаотических потоков различной природы в соответствующих сложных системах любого типа и создает условия для появления в них устойчивых организованных структур. Аналогия, использующая формальное сходство между разнообразием термодинамических микросостояний физических систем и разнообразием вероятностных исходов в информационных системах, оказалась универсальной и весьма продуктивной в общенаучном смысле.

Так, считая разумную человеческую культурную деятельность процессом, создающим целенаправленные энергетические потоки и упорядоченные структуры, ранее не существовавшие в природе, в которых актуализирована или закреплена конкретная информация, резко уменьшающая меру неопределенности, можно согласиться с мнением выдающегося отечественного культуролога Ю.М. Лотмана о том, что «культура есть устройство, вырабатывающее информацию». Любой текст или изделие, созданные разумной деятельностью человека представляют собой упорядоченные структуры, возникшие как результат антиэнтропийных процессов локального масштаба, требующие соответствующих затрат энергии и повышающие энтропию и хаос в окружающей среде (суперсистеме). Причем, чем "уникальнее" творение, тем, в некотором смысле, величина энтропии, характеризующая это состояние упорядоченного материала, меньше и тем «необратимее» во времени «траектория развития» этого процесса.

Антиэнтропийная деятельность культуры, происходящая аналогично жизнедеятельности организмов, отмечена Лотманом так: «Основная работа культуры состоит в структурной организации окружающего человека мира. Культура – это генератор структурности и этим она создает вокруг человека социальную сферу, которая, подобно биосфере, делает возможной жизнь, но не органическую, а общественную». Таким образом, на основе этой аналогии проводится важная общесистемная параллель между антиэнтропийным характером совокупных процессов самоорганизации в «первой природе» - биосфере, где определяющим фактором прогрессивной эволюции видов является спонтанное самоупорядочение биологической информации, и также антиэнтропийной, но только уже целенаправленной структурной организацией окружающей человека среды и создания в процессе этой деятельности «второй природы» – т.е. сферы человеческой культуры.

В таких же антиэнтропийных понятиях, (называя упорядоченные структуры стройностями), выражал смысл эволюции живой материи и человеческого культурного развития один из представителей русской космической философии естественнонаучного направления, – известный физик и математик Н.А. Умов: «Эволюция живой материи в общих чертах увеличивает количество и повышает качество стройностей в природе. По отношению к человеку эволюция выражается тем, что он вводит в круг своих стройностей растительное и животное царство, в своих орудиях и машинах распространяет эти стройности на неорганизованную материю и борется во имя этих стройностей со случайным распорядком событий в природе <…> Стройность есть необходимый признак живой материи».

Общий принцип самоорганизации в сложных неравновесных системах как процесс создания упорядоченных психо-информационных структур, использует в своих теориях личности и выдающийся швейцарский психолог Карл Густав Юнг. По Юнгу упорядочивание отношений в системе «индивидуальное сознание - коллективное бессознательное» происходит в процессе индивидуации личности. Этот процесс, как и любой процесс упорядочивания, представляет собой антиэнтропийную деятельность индивидуума, прилагающего энергию для преодоления энтропийного хаоса бессознательного и создания условий для самоидентификации.

Таким образом, Юнг кладет в основание психологии, а Лотман – в основание культурологии один из универсальных принципов всего естествознания, и этот подход к трактовке психических процессов и важнейших феноменов человеческого поведения – с одной стороны, и закономерностей совокупной историко-культурной деятельности человечества – с другой, интегрирует гуманитарные науки в самый широкий контекст человеческого знания и служит преодолению оппозиции «двух культур» (см.). Общий закон возрастания энтропии в замкнутых системах, отражающий переход термодинамической или информационной системы к состоянию равновесного теплового или информационного хаоса, распространяется и на социально-культурную сферу существования человечества. Развитие любой изолированной от мирового сообщества тоталитарной закрытой государственной системы требует для поддержания равновесного состояния минимума творческой энергии, но со временем неизбежно, в силу возрастания энтропии, обречено на культурный застой и деградацию (равновесный хаос).

Открытая социальная структура, испытывая постоянные влияния извне (флуктуации различной природы), может в своей траектории развития выйти в область, далекую от равновесия (состояние турбулентного хаоса). Однако именно (и только) при таком неравновесном состоянии государственной системы, целенаправленно приложив «социальную энергию», можно повысить вероятность появления новых параметров порядка и, следовательно, пусть через социальные потрясения (бифуркации) создать условия для процесса самоорганизации новых структур. Пути эволюции или траектории развития самоорганизующейся государственной или социальной системы также, как и для любого сложного нелинейного процесса, определяются существующими для таких структур аттракторами, или притягивающими множествами решений. Таковыми являются известные в истории мировой цивилизации типы государственного устройства, вероятность осуществления каждого из которых зависит от многих факторов - как внутренних, так и внешних.

Эти известные в истории события (эмпирические факты), хоть каждое из которых по-своему уникально и неповторимо, имеют похожие общесистемные черты. Их энтропийный характер и бифуркационная необратимость во времени получают, с данной точки зрения, общенаучное теоретическое объяснение. Таким образом, понятие энтропии, так же как и понятие энергии, приобретает в современной постнеклассической науке универсальный и фундаментальный смысл одной из основных категорий познания мира и человека.


********************************************************


Некоторые дополнительные сведения по дисциплине КСЕ

для расширенного изучения предмета.


Альтернативные космологические теории – ряд космологических теорий, в той или иной степени отрицающих основные положения и выводы теории Большого взрыва. Наиболее известная – это модель устойчивой «холодной» Вселенной, предложенная в 1948 году астрофизиками из Кембриджа – Германом Бонди, Томасом Голдом и Фредом Хойлом в противовес модели «горячей» Вселенной Джорджа Гамова и, соответственно, отрицающая любые варианты теорий типа Большого взрыва.

В альтернативной модели пространство Вселенной также предполагается открытым и бесконечным, как и в некоторых «горячих» моделях, но в качестве начальных условий рассматривается не взрыв из точки сингулярности или другой подобный катастрофический процесс, типа флуктуации квантового вакуума, а предполагается, что Вселенной существовала и существует во времени бесконечно. Таким образом, в холодной модели концепция происхождения из квантового вакуума всего того вещества, из которого затем сформировалась наблюдаемая сейчас структура Вселенной, вообще не используется, и поэтому трудностей, связанных с неопределенностью категории начального момента, а также с физическим истолкованием понятия сингулярности, не существует. Основной постулат данной модели Фред Хойл формулирует так: «Каждое облако галактик, каждая звезда, каждый атом имели начало, но не вся Вселенная целиком. Вселенная есть нечто большее, чем её части, хотя этот вывод может показаться неожиданным».

Авторы холодной модели, используя уравнения общей теории относительности, также приходят к результату, соответствующему расширению космического пространства, но рассматривают это свойство как внутренне присущее Вселенной и обусловленное особой, пока ещё неизвестной, силой отталкивания. Сам же процесс расширения пространства идет постоянно и никакой начальной катастрофой не вызван. Кстати, ещё в 1916 году Эйнштейн использовал придуманную им гипотетическую силу космологического отталкивания в общей теории относительности для объяснения причин, противодействующих гравитационному сжатию Вселенной, так что это допущение Бонди, Голда и Хойла не является чем-то необычным. В альтернативной модели не отрицается и космологический принцип, а Вселенная считается изотропной и однородной. Поскольку холодная Вселенная тоже расширяется, то в космосе должен существовать горизонт событий, граница которого формально определяется на основании закона Хаббла, согласно которому по мере расширения пространства, все космические объекты постепенно исчезают из поля зрения земного наблюдателя, уходя за световой барьер. Что в этой теории совершенно необычно, так это утверждение авторов о том что, несмотря на вечное расширение пространства, средняя плотность вещества во Вселенной не уменьшается (как это должно следовать из закона сохранения вещества), а поддерживается на постоянном уровне.

Для того чтобы объяснить возможность такого эффекта, обеспечивающего устойчивое состояние Вселенной, Ф. Хойл допускает, что в космосе осуществляется естественный и непрерывный процесс спонтанного образования вещества из вакуума, что в целом не противоречит квантовомеханическому принципу неопределенности и выводам специальной теории относительности. Нельзя сказать, что это допущение намного более фантастично, чем концепция Большого взрыва, где всё имеющееся во Вселенной вещество родилось (правда, только один раз) из квантовой сингулярности, тем более, что в гипотезе Хойла для компенсации недостающего количества вещества, которое обеспечило бы сохранение величины средней плотности Вселенной на современном уровне и, следовательно, её устойчивость, необходимо, чтобы примерно в десяти литрах космического пространства самопроизвольно возникал в среднем всего лишь один атом водорода за интервал времени, равный примерно 10 миллионам лет.

Альтернативная холодная модель Вселенной, также как и горячая, согласуется со всеми принципами ОТО и СТО; с её позиций можно удовлетворительно объяснить все существующие на сегодняшний день астрономические и астрофизические факты, но конечно, совсем по другому, чем в рамках теории Большого Взрыва. Некоторые факты, например, представление о том, что квазары находятся почти на границе космологического горизонта (что следует из стандартной космологической модели), альтернативные теории толкуют наоборот, - утверждая, что эти объекты находятся не так далеко, а чуть ли не в пределах нашей Галактики. Большую величину красного смещения, характерную для квазаров, можно объяснить и в рамках устойчивой модели на основании ОТО, как уменьшение энергии фотона при его взаимодействии с полями тяготения, через которые световой луч движется к наблюдателю (т.н. старение фотонов).

В 1964 году Ф. Хойл и Дж. В. Нарликар выдвинули ещё одну весьма оригинальную (и даже экзотическую) космологическую теорию статического характера, основанную на принципе Маха. Эта модель (также холодного типа) допускает наличие во Вселенной удаленных областей, содержащих частицы вещества, которые могут давать как положительный, так и отрицательный вклад в массу отдельной частицы, поэтому в пространстве может существовать граница, на которой происходит компенсация положительного и отрицательного вкладов и результирующая масса частицы равна нулю. При расширении пространства эта граница также перемещается, в результате чего тот или иной атом или частица вещества могут менять свою массу, а если частица состоит из нескольких элементов, то при увеличении массы размеры такой системы уменьшаются. В этом случае, усредняя все такие сокращения размеров, можно прийти к выводу о том, что все увеличения расстояний между галактиками (разбегание галактик) только видимость, а на самом деле все расстояния во Вселенной неизменны, а движется только эта граница компенсации масс или некоторый своеобразный космологический горизонт. Поскольку любая молекула – это осциллятор с характерной частотой колебаний, то молекула с уменьшающейся массой будет излучать волны большей длины (меньшей частоты), что и объясняет наблюдаемую величину красного смещения далеких галактик.

Если наблюдать очень далекие объекты (т.е., согласно СТО, получать информацию из далекого прошлого, когда атомы имели малую массу), то, согласно закону Хаббла, наблюдатель по измеренной величине красного смещения сможет определить скорость разбегания галактик (которая для некоторых космических объектов равна огромной величине – примерно 20% от скорости света!), тогда как на самом деле данный объект практически неподвижен. Таким образом, согласно этой модели, Вселенная стабильна, реальные расстояния между объектами неизменны, а закон Хаббла констатирует не разбегание галактик, а является следствием изменения массы атомов.

Несмотря на достаточно хорошую объяснительную способность альтернативных моделей, в настоящее время физическое и астрономическое научное сообщество по ряду причин (связанных также и с Теорией Великого объединения), рассматривает в качестве магистрального пути исследования Вселенной модель Большого взрыва. Альтернативные же модели играют положительную роль, создавая условия для фальсификации общепринятых теорий, что приводит к дискуссиям, в процессе которых укрепляются позиции тех теорий, которые способны дать более продуктивное научное объяснение наибольшему количеству эмпирических фактов.


Аксиомы биологии – предложенная отечественным биологом Б.М. Медниковым система концептуальных положений общесистемного уровня, дающая логически обоснованный вариант аксиоматической интерпретации проблемы отличия живого вещества от неживого.

1). Все живые организмы должны воплощать в себе единство фенотипа и генотипа, т.е. программы для своего построения, которые передаются по наследству из поколения в поколение. Согласно этому принципу, по наследству передается не сама структура организма, а её закодированное описание и инструкция по «изготовлению». Это кибернетический принцип общесистемного характера, отражающий необходимые условия для обеспечения процесса самовоспроизводства и самоподдержания любых сложных структур, который связан с именами выдающихся американских ученых Норберта Винера и Джона фон Неймана.

2). Наследственные молекулы синтезируются матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген организма будущего поколения, используется ген организмов предыдущего поколения. В генетике различаются следующие процессы матричного синтеза: репликация (ДНК – ДНК), транскрипция (ДНК – РНК), трансляция (РНК – белок). Т.е. непрерывное осуществление жизненного цикла – это процесс матричного копирования с последующей самосборкой копий. Это положение выдвинул выдающийся отечественный генетик Н.К. Кольцов (1872 – 1940).

3). В процессе передачи из поколения в поколение генетической программы в молекулах ДНК в результате многих причин возникают различные случайные и ненаправленные изменения, которые соответствуют биологическим признакам, лишь случайно оказывающимся приспособительными для вида. Т.е. мутации, спонтанно происходящие на молекулярном уровне, как результат квантовомеханических процессов, закономерности которого выражаются соотношением неопределенностей Гейзенберга, дают принципиально непредсказуемые результаты и нецеленаправленны по своей природе.

4). Случайные изменения, возникающие при мутациях в генетических программах, развертывающихся при развитии организмов и определяющих фенотип, многократно усиливаются и подвергаются естественному отбору под влиянием внешней среды. Без мутаций процесс отбора не происходит, поскольку не из чего выбирать, но при наличии различных вариантов эволюция как бы размножает потомков тех особей, которые лучше приспособлены к условиям окружающей среды. Таким образом, естественный отбор действует не на уровне изменения генетических программ, а на уровне фенотипов, где каждое изменение усиливается в миллиарды раз. При этом за счет потребления энергии и вещества внешней среды организмами как открытыми термодинамическими системами производится упорядочивающее, антиэнтропийное действие отбора и сохраняется структурная организация живых систем данного вида. Это положение, известное в генетике как принцип усиления, сформулировано знаменитым отечественным генетиком Н.В. Тимофеевым-Ресовским (1900 – 1980).

Таким образом, данная совокупность аксиом выражает исходные положения теории развития биологических объектов как сложных открытых неравновесных систем с нелинейным характером функционирования. Эти принципы отражают факт взаимовлияния макро- и микроуровней материального мира, которое осуществляется посредством сложной комбинации обратных связей и завершается в результате процессов самоорганизации появлением новых упорядоченных структур и форм живых организмов.