Глядя на мир, нельзя не удивляться
| Вид материала | Закон |
- Рудольф Штейнер Из ga 134: Мир чувств и мир духа Из Лекции 4 от 30 декабря 1911, 247.01kb.
- То она дополняет поэзию, досказывает то, что словами нельзя или почти нельзя выразить, 8951.66kb.
- Теуна Мареза "Мужское и женское: в поисках мужественности", 715.81kb.
- Литература в целом это один из способов познать мир, человечество, самого себя. Литература, 16.35kb.
- А. Д. Сахаров "мир. Прогресс. Права человека" Нобелевская лекция, 195.64kb.
- Мир алекса королева II маска власти алексей бессонов, 2880.78kb.
- «Мир, которого нет!», 1642.16kb.
- Собрание сочинений в 4 т. Т. М., Мысль, 1993 с. 347 Основной, 749.26kb.
- Этот сказочный компьютерный мир, 8.77kb.
- Живые мощи, 312.03kb.
Закон мировой асимметрии и его последствия
Обнаружена определенная закономерность в распределении порядка и беспорядка во Вселенной – в ней беспорядка больше, чем порядка. Сущность этой закономерности в том, что в ней масштабы деструктивных процессов гораздо больше, чем упорядочивающих. Причиной такого явления, как было показано раньше, является направленность первых в «естественную сторону» — в сторону равновесного состояния, а вторых - в сторону неравновесного. В результате процессы упорядочивания совершаются параллельно с процессами разрушения. При этом в мире устанавливается следующая «несправедливая» закономерность: там, где имеет место негэнтропийный процесс, его обязательно будет сопутствовать энтропийный, а там, где наблюдается энтропийный процесс, негэнтропийный может и не присутствовать — вот такой «однобокий» закон. Еще при изучении термодинамических процессов было замечено, что механическую работу можно полностью преобразовать в тепловую энергию, а тепловую энергию полностью преобразовать в механическую работу в принципе невозможно (по крайней мере, в земных условиях), в этом заключена суть второго начала термодинамики, открытого известными учеными Клаузиусом и лордом Кельвином.
Все вышесказанное является следствием закона Мировой асимметрии - все процессы во Вселенной направлены в сторону роста вероятности ее состояния, то есть в сторону термодинамического и структурного равновесия. Все структурообразующие процессы имеют обратную направленность и существуют лишь локально на фоне основного процесса, составляя «малое плечо» асимметричных весов. При этом независимо от локальных процессов суммарный прирост энтропии всегда положителен.
Известная однонаправленность «стрелы времени» обязана этому же закону. Даже из житейской практики хорошо известна следующая истина: беспорядок в домашнем хозяйстве устанавливается «сам собой», а порядок почему-то сам собой не устанавливается и требует целенаправленных действий. В этом непреложном факте проявляется тот же закон асимметрии. Вот в таком «нехорошем» мире мы вынуждены жить, так как другого у нас нет, но это не исключает возможности других миров в других вселенных. Согласно современной науке возможны зеркально противоположные миры по отношению к нашему и в них могут действовать совсем другие законы без энтропийного роста беспорядка.
Эстафетная цепочка
Термодинамическая энтропия является мерой обесценивания тепловой энергии. Процесс обесценивания энергии во Вселенной является многоступенчатым и многоуровневым. Энергия на своем пути к конечной цели (тепловому равновесию) вынуждена «просачиваться» через материальные структурные преобразования Вселенной — галактики, звездные системы, газопылевые туманности, планетные системы и др. При этом энергия как бы «застревает» в этих структурах, отдавая им часть свой упорядоченности, повышая их порядок. В связи с этим процесс роста термодинамической энтропии тоже носит скачкообразный характер, образуя эстафетную цепочку, проходя от одних материальных структур к другим.
Как известно, наша Вселенная устроена по иерархическому принципу — внизу расположена совокупность некоторого количества исходных элементарных частиц материи, выше — набор конечного числа атомов, еще выше — огромное количество молекул вещества и затем бесконечное множество материальных структур. Свободная энергия, вырвавшись на волю после Большого Взрыва, последовательно создавала эти образования, начиная от квантов излучения.
Характерным примером является солнечная система, где «экраном» на пути потоков солнечной энергии являются планеты, Земля, на которой энергия Солнца «застревает» в самых различных видах, начиная от горючих ископаемых и кончая энергией океана, атмосферы и биомассы. Вся эта энергия обречена на дальнейшее рассеивание через атмосферу в космос. Наше Солнце есть результат «застревания» на нем энергии исходной газопылевой туманности, состоявшей из водорода и продуктов выгорания первичных протозвезд. Эту эстафету можно продолжить и дальше — до первичных водородных облаков, образовавшихся после Большого Взрыва.
Многоликая госпожа
Приведенные выше деструктивные процессы встречаются не по отдельности, а совокупно, образуя единый непрерывный комплекс свойств материи. В связи с этим энтропийные процессы бесконечно разнообразны и проявляют себя как на микроуровне организации материи, так и на макроуровне организованных материальных структур. На первом уровне проявляет себя термодинамическая составляющая, а на втором — структурная составляющая энтропии. При всей сложности и многоликости этих свойств материи сущность их весьма проста. Все энтропийные процессы направлены в сторону возрастания беспорядка, а негэнтропийные процессы направлены в сторону его убывания, но только для локальных участков природы, Вселенной. Причем успех этих сил является временным — вездесущая энтропия постепенно выравнивает со временем любой «островок» упорядоченности до уровня окружающей среды. Естественно, в природе нет обособленных энтропийных и негэнтропийных процессов, а есть физико-химические процессы и они выступают как в роли разрушительных, так и созидательных процессов — все определяется их направленностью на создание порядка или беспорядка. Движущей силой этих процессов является свободная энергия, которая выполняет тоже двоякую роль в природе, участвуя как в созидательных, так и в разрушительных процессах.
Очень интересная картина взаимодействия создается между энтропийными процессами, происходящими на микро- и макроуровнях. Это хорошо прослеживается на примере эволюции любого структурного образования. При возникновении новой упорядоченной структуры энтропийные процессы одновременно идут на обоих уровнях, причем на макроуровне энтропия убывает, а на микроуровне — возрастает. При этом структурообразующие процессы сопровождаются выделением и рассеиванием тепловой энергии, примером чему служат процессы образования в неживой природе химических соединений, минералов, горных пород, различных объектов Вселенной, а в живой природе органических молекул и самой жизни. На этапе функционирования возникшей структуры все энтропийные составляющие действуют уже в одном направлении и дружно разрушают новое образование, вызывая ее структурную и функциональную неустойчивость, отказы, аварии, старение конструкции. Окружающая среда при этом ведет себя двояко — с одной стороны она служит источником энергии и порядка для жизнедеятельности новой структуры, а с другой — является источником дестабилизирующих факторов, стремящихся разрушить новую структуру. Для борьбы с этими факторами в технических системах созданы искусственные негэнтропийные средства — техническая диагностика, средства повышения надежности, стабилизации режима и т.д. Борьба со структурной энтропией существует и на естественных объектах, например, в живых существах природы в виде активного или пассивного противостояния, адаптации к среде обитания. Часто роль структурной энтропии выполняют внутренние противоречивые силы самой структуры, что весьма характерно для сложных систем — биологических и социальных. При переходе этих сил некоторой критической границы возможно саморазрушение системы — примеров тому предостаточно в истории развития живых и социальных систем.
Несмотря на чрезвычайную сложность механизма взаимодействия энтропийных сил разных уровней, природа их действия ясна. Вездесущный и всепроникающий глобальный характер энтропийных процессов объясняется их естественной направленностью «по течению реки» в сторону наибольшей вероятности. Она определяется числом возможных способов достижения состояния системы, а число способов достижения беспорядка бесконечно велико, ибо беспорядок охватывает безмерное число возможных состояний любой системы. В то же время число способов достижения требуемого порядка весьма ограничено, например, для построения технических сооружений, устройств, машин или любого творения цивилизации существуют единичные, часто единственные способы их изготовления и алгоритмы функционирования. Это обуславливает несравнимо малую вероятность возникновения и существования организованных систем. Отсюда и возникает подчиненная и зависимая роль негэнтропийных процессов, и они возможны только там, где энтропийные силы «допускают» их существование.
Несмотря на такие жесткие условия, организованные системы получили значительное распространение во Вселенной, хотя их относительная доля несоизмеримо мала, но качественный уровень неизмеримо выше по сравнению с другими образованиями. Следовательно, существует двоякая асимметрия мира — в количественном отношении в пользу энтропии, а в качественном отношении — в пользу негэнтропии.
Все свойства и закономерности мировых процессов сложно переплетены между собой и работают совместно. Существует парадоксальное свойство взаимных переходов этих процессов. В качестве наглядного примера можно привести многоступенчатый процесс использования продуктов энтропийного распада материальных структур в негэнтропийных процессах образования новых структур. Так, в результате выгорания и взрыва первичных протозвезд образовались огромные газопылевые туманности, содержащие все химические элементы таблицы Менделеева. Из этих туманностей, перемешанных с водородными облаками в результате упорядочивающих процессов образовались вторичные галактики и звезды, а также планетные системы, Солнце, и наша планета Земля. Процессы распада ядер тяжелых элементов расплавили недра планеты и запустили процессы формирования недр и кристаллической земной коры. Далее опять процессы распада образовали кору выветривания нашей планеты, вулканическая деятельность образовала атмосферу, водную среду и создали условия для начала новой фазы негэнтропийных процессов, сотворивших сложные органические молекулярные соединения и саму жизнь.
Действительно, справедлива поговорка — «нет худа без добра». Образно говоря, жизнь обязана энтропии не меньше, чем негэнтропии, но энтропия коварна и создает жизнь, вернее способствует ее созданию как бы только для того, чтобы потом методично ее уничтожать как и все остальное, что возвышается над Хаосом. Энтропия нависла над миром как злой рок, предрекая всех на конечный срок существования, старение и смерть. Как говорится – «ни что не вечно под луной!». Кстати, секрет старения почти разгадан. Как утверждает А.П. Лаврин в своей энциклопедии «Хроника Харона», старение живого организма связано с несовершенством механизма деления клеток. Оказывается, каждая новая клетка получается «хуже» предыдущей за счет укорачивания цепи ДНК молекулы, поэтому клетка выдерживает не более 50 делений и далее — смерть организма из-за накопления ошибок деления. Следовательно, вечная жизнь невозможна — это значило бы отмену закона роста энтропии. Однако, для пессимизма нет оснований — предел развития организованных систем не установлен и резервы Вселенной для этого безграничны, ограничены только наши знания в области изучения самоорганизующихся систем. Вполне возможно существование множества вселенных, подобных нашей и расположенных внутри некоторой Гипервселенной — об этом догадывались уже во времена Кеплера и Галилея.
Подытоживая все, что сказано об энтропии и негэнтропии, уместно привести следующую модель — мировой энтропийный процесс это широкая река, уровень которой постепенно понижается по мере обесценивания энергии Вселенной и приближения к океану Беспорядка, а высота волн увеличивается по мере роста амплитуды флуктуаций и роста степени упорядоченности антиэнтропийных сил. Кроме того, на реке имеются структурные преграды, повышающие ее уровень — это высокоорганизованные структуры Вселенной и человеческая цивилизация, способные ускорять негэнтропийные процессы. Но река неуклонно стремится к океану Хаоса и она будет существовать до тех пор, пока существуют источники, питающие ее — энергия Вселенной.
Хорошо известна научному миру нашумевшая в свое время книга популяризатора науки Ф. Ауэрбаха «Царица мира и её тень». Книга написана в начале прошлого века и тогда царицей мира считалась энергия, а энтропия считалась её тенью, так как широкому кругу была известна только термодинамическая форма энтропии. Исследования Больцмана, Планка, Шредингера, Шеннона раскрыли её многоликое обличье, то есть существование структурной и информационных форм энтропии и её противоположности - негэнтропии. Более того, была раскрыта еще и социальная форма энтропии как частный случай структурной, так как всякий социум в сильной степени структурирован. Если в термодинамике энтропия проявляет себя в виде диссипации (рассеивания) энергии, а в материальных структурах в виде деструкции, то в биологических и социальных структурах проявляет себя во всех известных формах совокупно – в виде диссипации, деструкции, деградации и даже в виде мимикрии и провокации.
Действие негэнтропии проявляется в так называемых организованных и самоорганизующихся системах. Эти системы возникли и существуют, как пишет Шредингер, «питаясь» отрицательной энтропией. Выражаясь точнее, они существуют путем понижения собственной энтропии всех видов путем повышения её в окружающей среде, то есть «эксплуатируют» эту среду. Эти системы весьма устойчивы по отношению к энтропийным возмущениям той же среды, так как обладают способностью к адаптации и самосовершенствованию. Способность к самоорганизации позволила им пройти через фильтры естественного отбора в вселенском масштабе. Ими заполнена земная природа и Вселенная. Даже галактики, звезды, наша планетная система, живая клетка и жизнь относятся к самоорганизующимся системам и весьма стабильны по отношению к энтропийному разрушению. Но их стабильность не бесконечна и даже солнечная система распадется после превращения нашего светила в красный гигант. Вся эволюция живого на планете Земля есть результат борьбы творения и разрушения, о чем свидетельствует палеонтология. И. Шкловский назвал эволюцию «кладбищем видов», это справедливо, так как природа творила и разрушала бесконечное число раз, пока не нащупывала нечто пригодное и жизнеспособное. Согласно современной синтетической теории эволюции в ходе её весьма существенную роль играли и целенаправленные процессы, обусловленные канализацией и естественным селективным процессом.
Что же касается термина «царица мира», то по степени доминирования среди природных сил и явлений, то нет более могучей силы, чем энтропия и негэнтропия. Они подчинили себе энергию и все остальные атрибуты материального мира. Так, энергия весьма успешно участвует в мире как в разрушительных (энтропийных) процессах, так и созидательных (негэнтропийных). Поэтому справедливо было бы считать энергию не «царицей мира», а лишь движущим фактором, а энтропию с негэнтропией соответственно направляющими факторами нашего сложного мира.
Общая картина динамики изменения Порядка и Беспорядка Вселенной приведена на рис. 1а - 1в
Рис. 1а. Основные этапы эволюции Вселенной
L — радиус Вселенной, 0 — начало («Большой Взрыв»), 1 — появление элементарных частиц, 2 — появление атомов водорода и гелия, 3 — зарождение первых протогалактик и звезд, 4 — появление современных звезд и Солнца, 5 — появление планетной системы и Земли, 6 — зарождение и развитие жизни на Земле.
Рис. 1б. Изменение энтропии в ходе эволюции
Нм — максимальная энтропия Вселенной,
НТ — термодинамическая составляющая энтропии,
Нс — локальная флуктуация структурной энтропии.
Рис. 1в. Изменение порядка Вселенной
Rм — максимальное значение порядка, RТ — термодинамическая составляющая, RЛ — возрастание порядка за счет структурной упорядоченности материи на границах шкалы времени.
Количественные соотношения порядка и беспоряда
Существование связи между энтропией и вероятностью было известно еще на начальном этапе термодинамической науки. Основанием для получения математической зависимости послужил тот факт, что энтропия сложного события равна сумме энтропий частных событий, а вероятность сложного события равна произведению вероятностей частных событий. На основании этого и законов статистической физики Л. Больцманом была получена его знаменитая формула
H = k∙logW, (1)
где: H - энтропия системы;
k - постоянная Больцмана;
W- вероятность состояния системы .
Эта формула вначале была получена для молекулярной физики и термодинамики, а затем была доказана ее универсальность и применимость для систем любой физической природы.
Вероятность состояния системы W определяется выражением
W = (n!) ∕ N!(n – N)! (2)
где: n - число возможных комбинаций компонентов системы;
N - количество исходных компонентов системы.
Вероятность состояния системы определяется числом возможных комбинаций расположения компонентов системы, т.е. возможных способов достижения данного состояния. Эта вероятность резко возрастает по мере приближения системы к хаотическому состоянию, так как при этом до бесконечности возрастает число возможных позиций исходных компонентов системы. По мере роста уровня организованности системы вероятность ее состояния уменьшается, так как резко снижается число допустимых расположений компонентов системы, определяемых конструкцией, функциональным назначением и алгоритмом действия любой упорядоченной системы.
При переходе системы из одного состояния в другое изменение ее энтропии определяется по известной формуле
∆H = k∙logW2 / W1 (3)
где: W1 , W2 - вероятности состояний системы до и после перехода;
∆H - приращение энтропии системы.
Приращение энтропии может иметь как положительный, так и отрицательный знак в зависимости от характера изменения вероятности системы, так при переходе системы в более упорядоченное состояние имеет место W2 < W1 и приращение энтропии отрицательно — это признак негэнтропийного процесса. При переходе системы в менее упорядоченное состояние W2 > W1 , при этом согласно формуле (3) приращение энтропии положительно, это признак энтропийного процесса.
Согласно закона мировой асимметрии, энтропия Вселенной неуклонно растет, следовательно, для всей совокупности бесконечного множества процессов, происходящих в ней, имеет место
∞
∑ ∆Hj > 0 (4)
1
Отдельные слагаемые этой суммы могут быть и отрицательными, как соответствующие негэнтропийным процессам, но вся сумма всегда положительна, в этом суть вышеуказанного закона. При этом необходимо учитывать, что под знаком суммы объединены все виды энтропии во вселенной — термодинамическая и структурная энтропии. Как известно, сумме энтропии совокупных событий соответствует произведение вероятностей, тогда с учетом формулы (3) для приращений энтропии можно написать соответствующее выражение для вероятностей множества событий Вселенной
∞
∏ (W2 ∕ W1 )j > 1 (5)
1
Отдельные сомножители этого произведения могут быть и меньше единицы, как соответствующие негэнтропийным процессам, но все произведение всегда больше единицы согласно неравенству (4).
Через энтропию системы можно определить степень ее упорядоченности, т.е. порядок системы. Для этого А.Я. Лернер в своей книге «Начала кибернетики» предлагает использовать формулу К. Шеннона для определения «избыточности»:
R = 1 – H/Hm, (6)
где: R - степень упорядоченности системы;
H - энтропия состояния системы;
Hm - максимально возможная энтропия системы;
Эта формула соответствует закрытой системе, поэтому в результате роста энтропии ее порядок постепенно приближается к нулю. В природе нет закрытых систем, но иногда в силу разных обстоятельств возникают сильно ослабленные связи системы с окружающей средой, миром. Примером могут служить как социальные, так и природные системы, вынужденные деградировать из-за изолированности от внешнего мира. Все открытые системы для компенсации возрастающей энтропии внутри них вынуждены постоянно «перекачивать порядок» из окружающей среды, понижая ее порядок. При этом устанавливается некоторый «баланс» порядка в виде:
∆R1 = − q∙∆R2, (7)
где: ∆R1 - увеличение порядка в системе:
∆R2 - уменьшение порядка в окружающей среде:
q - коэффициент использования порядка ( q ‹ 1).
Коэффициент q играет роль некоторого системотехнического к.п.д., отражая эффективность использования порядка окружающей среды. Величина его определяется совершенством технологии процесса преобразования порядка, для человеческой цивилизации это — уровень технологической культуры, для отдельного человека — уровень интеллекта, квалификации. В общем случае величина данного коэффициента не может быть равной или больше единицы, так как в «отходах» производства, возвращаемых обратно во внешнюю среду, сохраняется некоторый остаточный неизвлекаемый порядок. По аналогии с термодинамическим к.п.д. можно предлагать следующее выражение для определения этого коэффициента:
q = (R1 - R2 ) / R1, (8)
где: R1 – суммарный порядок, полученный системой из окружающей
среды, в том числе термодинамический и структурный;
R2 - порядок остаточный, возвращаемый обратно в среду в виде обесценен-
ной тепловой энергии, материи.
Все приведенные выше выражения отражают лишь статику негэнтропийных и энтропийных процессов. Динамика их чрезвычайно сложна и успешно исследуется такими современными науками как системотехника, кибернетика, синергетика, биофизика, физическая химия, информатика, прикладная математика. Этими науками установлена возможность самогенерации и трансформации порядка в сложных физических, информационных и интеллектуальных системах.
Системотехника, изучающая структуру и функционирование сложных динамических систем, установила ряд принципиально новых их свойств, в частности, способность резко изменять свою структурную упорядоченность или качество функционирования. Этой наукой были открыты также весьма интересные явления в физико-химических и биологических процессах — самопроизвольное возникновение периодических циклов преобразования вещества. Объекты с такими циклами получили название аттракторов и «странных аттракторов», причем последние обладают непредсказуемой траекторией, т.е. поведением.
Новая наука синергетика возникла на основе исследований Г. Хакена в области биофизики, М. Эйгена в физической химии, И. Пригожина в области неравновесной термодинамики и установила универсальный характер свойства неживой природы – самопроизвольно переходить от беспорядка к порядку как в структурном так и в функциональном отношении. Для такого перехода объект исследования должен представлять неравновесную и нелинейную систему в термодинамическом и физико-химическом отношениях. Заслуга синергетической науки перед человечеством заключается в том, что она приоткрыла одну из великих тайн творения природы — перехода от хаоса к порядку и установила основные законы негэнтропийных процессов.
Используя их, наша мудрая природа снабдила свои творения следующими фундаментальными свойствами — изменчивостью, самоорганизуемостью и управляемостью. Эти замечательные свойства в сочетании с другими, приобретенными в жестокой борьбе за выживание, резко повысили стойкость биологических объектов и систем. Процесс управления с точки зрения энтропийных законов есть целенаправленная «перекачка» порядка и энергии из окружающей среды в систему и обратная перекачка обесцененного порядка в среду. Управляемые системы, таким образом, вынуждены действовать в полном соответствии с основным законом направленности энтропии, повышая вероятность состояния окружающей среды – земной природы и через нее и Вселенной.