От существующего к возникающему

13  от существующего к возникающему.

13.1  Время в классическом макромире.

В естествознании более 100 лет была парадоксальная ситуация, когда второе начало термодинамики утверждало, что макросистема, будучи изолированной, стремится к наиболее вероятному состоянию «максимального разнообразия» (которому соответствует наибольшее число микросостояний, каждое из которых представляет одно и то же макросостояние). Однако феномен жизни это опровергает полностью (Дарвин). Только недавно удалось приблизится к пониманию такой ситуации путем создания физической теории открытых систем, которая объединила обе эти концепции. Причем, возникала даже нелинейная (70-80 г.г. XX века) неравновесная термодинамика – диссипативных самоорганизующихся структур – трудами И. Пригожина.

На этой базе появилась новая междисциплинарная область знаний – (по Хакену) синергетика, что в переводе с греческого означает совместное кооперативное действие. Впервые вопросы зарождения жизни, отбора и эволюции были рассмотрены теоретически, хотя и сугубо качественно с чисто физических позиций. Этим самым был перекинут мост от квазистатических явлений к развивающимся. Коснулось это и времени. Как уже говорилось, по Ньютону, при замене времени t ® -t ускорение не изменяет знак (так как оно имеет размерность м/сек²). То есть движение с отрицательным временем эквивалентно движению с положительным временем. И процессы во времени получаются обратимыми. То же самое в механике Эйнштейна и в электродинамике, квантовой механике.

Таким образом, ничто не запрещает событиям разворачиваться в направлении как от 0 до t, а так и от 0 до -t. Реально же, если бы t менялось от 0 до -t, то мы видели бы нереальные процессы: цветок, например, сначала бы цвел, а затем уходил в землю. Значит ли это, что такие процессы запрещены? В общем опыт убеждает нас в направленности развития событий: разрешенность t > 0 и запрет t < 0.

Далее о времени можно сказать, что для него была выбрана астрономическая шкала. Выбор начала отсчета ни на что не влиял, следовательно, время течет равномерно (на основе периодичности астрономических явлений). Время однородно (с некоторой натяжкой), но не изотропно. Такая его двойственность приводит к тому, что некоторые законы физики могли быть другими, если бы мы время отсчитывали не по астрономической шкале, а по какой-либо нелинейной к ней шкале.

13.2 Необратимость процессов и «стрела времени».

Понятие необратимости течения времени возникает только при рассмотрении систем с большим числом частиц. Тогда приходится отказаться от использования, причем вынужденно, микропараметров. При таком подходе большое число частиц приводит к качественно новому состоянию – к одной лишь последовательности процессов во времени (выравнивание температур в изолированной системе и т.д.). Машинный эксперимент с 1000 шариками-атомами показал, что независимо от начальных условий система приходит в состояние с равномерным распределением частиц в пространстве. Откуда же берется это новое качество в системе частиц?

Дело здесь в том, что частиц стало много и начальные условия в таком случае самые разнообразные и в постановку задачи нужно внести элемент случайности! Если машину заставить обратить время (t ® -t), то она снова «соберет» все частицы в их начальные положения, но с точностью до ошибок вычислений! Чтобы процесс стал необратимым, необходимо ввести в расчет дополнительные элементы случайности: надо учесть, что частицы имеют конечные размеры, и их соударения в этом случае будут в основном нецентральные, и молекулы стенок сосуда хаотично движутся. В таком случае расчет показывает, что данный процесс необратим.

Получается парадоксальный вывод: появление направленности процесса в системе многих частиц есть следствие случайности! Здесь появляется вероятностный элемент, которого не было в классической физике. Но ведь, даже и задача трех тел тогда не решается, что же говорить о системе многих частиц? Детерминистский принцип в таком случае для многих частиц не применим! В итоге к тому же разные начальные условия приводят к одному и тому же конечному макрорезультату. Количество переходит в качество!

Если состояние системы меняется в определенной последовательности, то эту последовательность естественно связать с направленным течением времени, т.е. ввести понятие «стрела времени». Если обратный процесс не наблюдается, то значит нельзя изменить и знак времени! В «отрицательном времени» события не происходят.

Каждому состоянию системы отвечает значение энтропии S(t), причем, изменения её во времени для необратимых процессов, например, при диффузии «чужеродных» атомов – необратимый процесс - возрастает, то есть  dS/dt > 0 , что является одной из формулировок II начала термодинамики и следовательно, dS > 0, и должно всегда выполняться условие dt > 0. Поэтому утверждение о направленности времени приобретает фундаментальный смысл.

Рекомендуемые материалы

Следовательно, показателем направленных необратимых перемен в системе является мера возрастания энтропии во времени. Причем, энтропия характеризует как пространственное распределение частиц, так и пространственное распределение энергии, то есть она зависит от двух важнейших макропараметров сложной системы. Получающиеся при этом уравнения состояний системы уже неинвариантны относительно времени.

13.3 Флуктуации, бифуркации, аттрактор.

Для сложных систем, как выяснилось выше, существует «стрела времени». В них, например, броуновские частицы движутся хаотично. Это движение во времени не прекращается никогда, даже в состоянии равновесия имеют место отклонения в концентрации вещества как в большую, так в меньшую сторону – это флуктуационные движения.

Флуктуация – свойство микросистем. Обычно их влияние пренебрежимо мало. Однако, если воздействовать внешней силой (например, периодической), то амплитуда колебаний в системе начинает возрастать. Качественное изменение объекта при некоторых критических значениях, определяющих этот объект параметров, называется бифуркацией.

При бифуркациях выбор направления развития процесса определяется случайными факторами (например, если точка подвеса математического маятника колеблется, то флуктуация разрастается). В случае длительной во времени флуктуации она будет долгоживущей и речь идет о самоорганизации в этом процессе и тогда из внешней среды «отсасывается» энергия. Оказалось, что всякое развитие сложной системы, выражающееся в проявлении нового качества, возможно только при наличии в системе флуктуаций, склонных к разрастанию.

Примером являются «ячейки» Бенара в нагреваемой жидкости. Это верно и для человеческого общества. В этом случае появляется порядок из хаоса и уменьшается энтропия системы. Самоорганизация возможна только в средах значительного объема (точнее с большим числом частиц). Для ее поддержания нужен постоянный приток внешней энергии. Она может идти только в реальных, а не в идеальных системах. При этом необходимо, чтобы между частицами было какое-либо взаимодействие, и оно всегда есть. Таким образом, самоорганизация возникает как результат совокупного действия большого числа какого-либо вида молекулярных сил. Иногда самоорганизация возможна и при «отсосе» энергии.

Например, охлаждение жидкости кристаллизует ее, но при этом обязателен контакт с внешней средой (открытость системы). При переходе к открытым системам нужно еще учитывать уход энтропии через границы системы. Тогда полный прирост энтропии dS может иметь оба знака.

В системе Земля-Солнце dS>0, но для Земли dS₃<0. Примером самоорганизации системы является раствор, в котором идут химические реакции, когда в растворе появляются концентрические волны с периодом изменения цвета раствора («химические часы»). Это реакция Б. Белоусова и А. Жаботинского. Заканчивается она после прекращения поступления в раствор одного из веществ, участвующих в реакции.

13.4  Самоорганизация и условия существования живых организмов.

По-видимому, жизнь на Земле возникла за длительное время за счет флуктуаций в «первичном бульоне». В нем возникли флуктуации, которые привели к бифуркациям. Возникла, так называемая, самоорганизация на молекулярном уровне. Колонии молекул оказались способными к новым флуктуациям и бифуркациям. В процессе эволюции возникли простые организмы. Флуктуации проявляются в объемах все более сложных систем, эволюционирующих вплоть до возникновения живых организмов за счёт подвода энергии извне. Причем для них характерен уже естественный отбор. Этот процесс носит чисто случайный характер. И именно подвод энергии от Солнца обуславливает возникновение биосферы. Ее компоненты – открытые системы.

Особенности и виды отклоняющегося развития - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

То, что масса человека за год практически не меняется, означает, что пища им используется лишь для транспорта энергии. Значит, получая энергию, человек (его организм) должен увеличивать энтропию внешней среды. Съедая более высокоорганизованную пищу, он выделяет менее организованную. Итак, транспорт веществ в биосфере можно схематически представить так:

Если бы вещество накапливалось в растениях и животных при их росте, то тогда почва обеднела бы и на этом бы цикл закончился смертью. Чтобы спасти жизнь природа ввела смерть растений и животных. В умершем организме изменение энтропии dS>0, все идет к хаосу. Вещество возвращается в почву.

Итак, со смертью отдельных представителей живой природы возникают условия жизни всей биосферы. Именно поэтому живые организмы запрограммированы на конечность их существования, то есть на смерть. Во многих религиях смотрят на смерть как на необходимый этап жизни! Круговорот вещества как переносчика энергии в биосфере хорошо сбалансирован. Никаких нарушений этого баланса быть не должно. Именно это и приводит к первостепенности самого факта существования человечества и к необходимости решения экологической проблемы для него.