Попов, Демин, Шибанова - Проблема белка. т.2. Пространственное строение белка (947295), страница 112
Текст из файла (страница 112)
наукой, в принципе доведенной до окончательного завершения. Такая точка зрения подтверждалась логической стройностью равновесной термодинамики, основанной на нескольких аксиомах, не знающих противоречий с физическим экспериментом и теоретически полностью обоснованной статистической физикой. Вплоть до середины ХХ столетия не возникало сомнения в том, что статистическая термодинамика полностью исчерпывает содержание и определяет возможности тсрмодинамнческого подхода.
Многие выдающиеся физики и физико-химики, в частности В. Нернст, не подозревалн. что равновесная термодинамика окажется всего лишвяэлементарным введением к термодинамике будущего. История естествознания, особенно последних десятилетий, показала, что самый высокий потенциал развития скрывался как раз во втором начале термодинамики, в этом важнейшем достижении физики Х1Х века, а также в теории флуктуаций, которые практически не принимались во внимание равновесной термодинамикой, "В истории науки, — говорил И. Пригожин в своей Нобелевской лекции (1977 г.), — второй закон тсрлсодинамики сыграл выдающуюся роль, далеко выходящую за рамки явлений, для объяснения сущности которых он был предназначен.
Достаточно упомянуть работы Больцлшна в области кинетической теории, разработку Планком квантовой теории излучения и Эйнштейном теории спонтанной эмиссии: в основе всех этих достижений лежит второй закон термодинамики". 435 В следующем разделе будет показано, какое богатейшее, качест. венно новое содержание открыл во втором начале сам Пригожин при разработке основ неравновесной термодинамики. Но и до этого формулировка второго начала, нахождение строгих и экспериментально про веряемых критериев неравновесного состояния и направленности неравновесных, самопроизвольных процессов и установление пределов их протекания открыли перед физикой принципиально новые возможности в описании картины окружающего мира.
Приобретением своего дополнительного качества физика обязана введенному посредством второго начала термодинамики (закона возрастания энтропии) понятию о времени, но не просто о времени как таковом, а об ориентированном времени, нли, по образному выражению А. Эддннгтона, о "стреле времени". В чем же здесь дело, ведь время и раньше входило во все уравнения динамики и являлось предметом особого рассмотренна в теории относительности? Это действительно так, однако в динамическом описании системы, как в классическом, так и в квантовом, время играет ограниченную роль, поскольку и уравнение Гамильтона, и уравнение Шредингера инвариантны относительно обращения времени за -а Динамика Галилея и Ньютона, как и квантовая механика, не знают различий между прошлым и будущим, не знают эволюции физического мира; в их описании мир — это набор траекторий.
И. Пригожин по этому поводу замечает: "...из всех изменений, происходящих в природе, классическая физика выделяет только движение. Все, что даст классическая физика, сводится к утверждению: изменение есгь не что иное, как отрицание возникновения нового, и время есть всего лишь параметр, не затрагиваемый преобразованием, которое он описывает, Образ устойчивого мира — мира, избегающего процесса возникновения, вплоть до нашего времени оставался идеалом теоретической физики. Динамика И. Ньютона, дополненная его великими последователями П. Лапласом, Ж. Лагранжем н сэром У. Гамильтоном, представляла собой замкнутую универсальную систему, способную дать ответ на любой поставленный вопрос.
Любой вопрос, на который динамика не могла дать ответ, отвергался как псевдопроблема почти по определению" (318. С. 4Ц. Вместо устойчивости и постоянства реальный мир полон, однако, эволюционных н неравновесных процессов, приводящих ко все большему разнообразию и всевозрастающей сложности, для которых первостепенное значение имеет именно направленность времени, его односторонность. Положительное направление времени, означающее развитие, второе начало термодинамики связывает с возрастанием энтропии.
Теорема А.М. Ляпунова доказывает, что состояние равновесия является атграктором неравновесных процессов, если производная специальной функции (носящей имя Ляпунова, создателя общей теории устойчивости) по времени (пу/й) имеет знак, противоположный знаку самой функции. Смысл этого условия очевиден нз рис. 111.30. Второе начало термодинамики утверждает существование функции Ляпунова для изолированных систем и позволяет равновесное состояние считать 436 аттрактором неравновесных процессов, По определению М. Планка, необратимость есть не что иное, как проявление аттрактивностн— стремления к равновесию.
Равновесная термодинамика, прежде всего анализ кинетического уравнения Больцмана, позволила сделать вывод о монотонном возрастании энтропии по мере приближения системы к положению равновесия, т.е. о постоянном увеличении хаотизации системы н всех ее подсистем и достижении в равновесном состоянии максимального беспорядка. Эволюция с точки зрения статистической физики и равновесной термодинамики осуществляется в изолированной системе путем Р и с. НЬЗО. Понятие асин птотической устойчивости функцииляпунова выравнивания ее свойств во всех возможных отношениях, усреднения всех характеристик и сглаживания всех неоднородностей.
Монотонное увеличение энтропии, наблюдающееся у таких систем в процессах, протекающих без внешнего воздействия, исключает установление в равновесном состоянии градиента температур или давления, исключает диспропорцнонирование энтропии между подсистемами, т.е. увеличение энтропии (уменыпение порядка) одной части системы и уменьшение энтропии (увеличение порядка) другой при общем увеличении энтропии всей системы и, следовательно, без наруупения второго начала термодинамики.
Таким образом, равновесная термодинамика не отводит самопроизвольным неравновесным процессам какой-либо конструктивной роли в структурной организации макроскопической системы. П. Гленсдорф и И. Пригожин отмечают: "Классическая термодинамика есть, в сущности, теория разрушения структуры, а производство энтропии можно рассматривать как меру скорости этого разрушения" [319. С. 9).
Согласно уравнению Больцмана: о = к)п)т', где 5 — энтропия, к — постоянная Больцмана, 1т" — термодинамическая вероятность. Чем больше число идентичных микроскопических состояний и, следовательно, беспорядочнее макроскопнческое состояние системы, тем болыпе ее энтропия и вероятность реализации. В своем образном сравнении термодинамических функций состояния Зоммерфельд отводит принципу энтропии в *'гигантской фабрике естественных процессов" роль '*директора", который предписывает вид и течение всех энергетических сделок, а закону сохранения энергии — роль "бухгалтера", приводящего в равновесие дебет и кредит. Трактовка второго начала статистической физикой и феноменоло гической термодинамикой приводит к двум принципиально новым, не следующим из классической физики и квантовой механики, поло жениям.
Одно касается фундаментальной связи между неравно весностью и динамической природой системы. Статистический закон Больцмана утверждает, что неравновесность в термодинамике целиком определяет направленность любого процесса к состоянию максимального беспорядка как к самому вероятному; иными словами, не равновесность с точки зрения статистической термодинамики— источник беспорядка.
Другое положение связано с распределением вероятностей структур в равновесном состоянии, т.е. с принципом порядка Больцмана. Вопрос о том, являются ли эти положения исчерпывакпцими, т.е. отвечающими всем наблюдаемым стационарным состояниям и всем совершающимся в природе процессам, сводится в конечном счете к вопросу о границах применимости второго начала (является ли оно универсальным и основополагающим динамическим принципом или справедливо только для равновесных состояний н равновесных процессов) и к вопросу о соответствии трактовки его с позиций классической статистической физики и равновесной термодинамики известным опытным фактам (объясняют ли данные трактовки поведение и структурное образование всех макроскопическнх систем).
Отмеченные вопросы, безусловно, возникли не сегодня, а более ста лет назад, вскоре после открытия второго начала термодпнамики Р. Клаузиусом (1850 г.) и разработки эволюционной теории в биологии Ч. Дарвином (1859 г.). Физическая концепция развития утверждала, что самопроизвольно протекающие стохастические процессы должны непременно сопровождаться хаотизацией системы и выравниванием ес свойств. Продуктом свободы может быть только еще большая свобода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
