Закриті та відкриті системи

1. Закриті та відкриті системи. Ентропія, порядок та хаос

За характером взаємодії з довкіллям розрізняють системи відкриті та закриті (ізольовані), інколи ж виділяють також частково відкриті системи. Вперше уявлення про закриті системи виникло в класичній термодинаміці і було певною абстракцією, т.к. переважна більшість, якщо не всі системи є відкритими.

Для опису енергетичних процесів у закритих системах використовувалося поняття ентропії (у перекладі з грецьк. - Поворот, перетворення) і означало міру незворотного розсіювання енергії. Л. Больцман, інтерпретував це поняття з погляду зміни порядку у системі, пов'язав поняття: ентропія, порядок, хаос.

Поняття ентропії було з процесами еволюції у системі. Однак еволюція, поняття якої утвердилося в біології, була пов'язана з ускладненням організації, тоді як еволюція у термодинаміці пов'язувалась із дезорганізацією систем. Ця суперечність залишалася нерозв'язною аж до 60-х років. XX століття, доки з'явилася нерівноважна термодинаміка.

Процеси, які у різних явищах природи, стали розділяти на два класу. До першого відносяться процеси, що протікають у замкнутих системах. Вони розвиваються у напрямку зростання ентропії та призводять до встановлення рівноважного стану в системі. До другого класу відносяться процеси, які відбуваються у відкритих системах. У відкритих системах також виробляється ентропія, оскільки у ній відбуваються незворотні процеси, але ентропія у тих системах не накопичується, як і закритих, а виводиться у довкілля. Оскільки ентропія характеризує міру безладдя в системі, остільки можна сказати, що відкритіСистеми живуть за рахунок запозичення порядку із зовнішнього середовища. У відповідні моменти – моменти нестійкості – можуть виникати малі флуктуації (відхилення від рівноваги), здатні розростатися в макроструктури. У нерівноважних термодинамічних системах можливі стани, що призводять не до зростання ентропії та прагнення термодинамічних систем до рівноважного хаосу, а до «мимовільного» виникнення упорядкованих структур, до народження порядку з хаосу. І тут хаос виступає у ролі активного початку процесу самоорганізації. Самоорганізація – це процес мимовільного формування структури складнішою, ніж початкова. Структури, що утворюються у процесі самоорганізації, називаються дисипативними структурами.

Таким чином, формується нове уявлення про хаос, який перестає нести негативний сенс. У традиційному розумінні хаос – це безлад, дезорганізація. У новому розумінні хаос – вища форма, де випадковість та безсистемні імпульси стають організуючим принципом.

Головним напрямом фізичної науки XX століття вважалася фізика елементарних частинок, яка досліджувала структуру матерії при найвищих енергіях, малих масштабах та коротких відрізках часу та породила сучасні теорії про природу фізичних взаємодій та походження Всесвіту. Однак вона так і не змогла відповісти на деякі фундаментальні питання: як зародилося життя, що таке турбулентність, як у Всесвіті, що підкоряється закону підвищення ентропії і невблаганно рухається до все більшого безладу, може виникнути порядок?

Стівен Хокінг, декан фізичного факультету Кембриджського університету, лауреат Нобелівської премії, космолог, у 1980 р. виступив із оглядовою лекцією, присвяченою розвитку теоретичної фізики таназваної «Чи не настає кінець фізичної теорії?». Він висловив думку багатьох учених про те, що розуміння законів природи в термінах добре освоєної фізики елементарних частинок залишило без відповіді питання, як застосувати ці закони до будь-яких систем, крім найпростіших. Тільки виникнення науки про хаос дозволило остаточно звільнити фізику з пут ньютонівського бачення світу. Завершилася революція у фізиці: теорія відносності впоралася з ілюзіями Ньютона про абсолютність простору-часу, квантова механіка розвінчала мрію про детермінізм фізичних подій, і, нарешті, теорія хаосу розвінчала фантазію Лапласа про повну зумовленість розвитку систем.

Починаючи з середини 70-х років ХХ століття, вчені усвідомили, що досить прості математичні рівняння дозволяють моделювати системи, настільки ж невпорядковані, як найбурхливіший водоспад. Дослідники в США, Європі і в тому числі в Україні почали наполегливо і ретельно вивчати хаотичні явища. Математики, фізики, біологи, хіміки почали шукати зв'язок між різними типами безладного у природі. В результаті було встановлено, що отримані закономірності мають пряме відношення до безлічі природних явищ - від контурів хмар, зміни сіточек кровоносних судин до скупчень зірок в Галактиці і т.д.

2. Концепція «Теплової смерті Всесвіту»

Класична термодинаміка виявилася нездатною вирішити космологічні проблеми, пов'язані з термодинамічних процесів. Першу спробу поширити закони термодинаміки на весь Всесвіт зробив Р. Клаузіус. Він висунув два постулати:

енергія Всесвіту завжди постійна;
Ентропія Всесвіту завжди зростає.

Якщо прийняти другий постулат, необхідно визнати, що це процеси у Всесвітіспрямовані у бік досягнення стану термодинамічної рівноваги, що відповідає максимальній ентропії. Для цього стану характерно найбільший ступінь хаосу, безладдя та дезорганізацію. У такому разі у Всесвіті настане теплова смерть, зникнення температурних відмінностей та перетворення всієї світової енергії на теплоту, рівномірно розподілену у Всесвіті.

Такі похмурі прогнози зустріли критику з боку багатьох науковців та філософів, але в середині XIX століття було ще мало наукових аргументів для спростування цієї концепції та обґрунтування альтернативного погляду. Основні положення концепції «Теплової смерті Всесвіту» по суті зводилися до положень, які є важкою проблемою навіть для сучасної науки. Це – по-перше, Всесвіт сприймається як замкнута система; по-друге, еволюція Всесвіту може бути описана як зміна її станів; по-третє, для світу як цілого стан із максимальною ентропією має сенс, як і для будь-якої кінцевої системи.

Тому перші заперечення проти цієї концепції пов'язані з уявленням про Всесвіт не як замкнутої системи, бо як системи, що у змінному гравітаційному полі.

Одним із перших фізиків, які намагалися уявити майбутнє Всесвіту, був також і Л. Больцман. Він спробував застосувати до замкнутого Всесвіту поняття флуктуації. p align="justify"> Під флуктуацією фізичної величини розуміється відхилення істинного значення величини від її середнього значення, обумовленого хаотичним тепловим рухом частинок системи. Згідно з так званим обмеженням Максвелла для невеликої кількості частинок другий початок термодинаміки не повинен застосовуватися, т.к. у цьому випадку про теплову рівновагу не можна говорити. Тому Больцман стверджує, що коли ми маємо справу лише з видимою частиноюВсесвіту, який являє собою невелику область нескінченного Всесвіту, то до всього Всесвіту не можна застосовувати другий початок термодинаміки. Для цієї невеликої області допустимі відхилення від рівноваги (флуктуації), внаслідок чого загалом зникає незворотна еволюція Всесвіту до хаосу. Формулюючи свою флуктуаційну гіпотезу, Больцман виходив з припущення, що Всесвіт вже досяг стану термодинамічної рівноваги. Але внаслідок виникнення у невеликих областях Всесвіту мікроскопічних відхилень від стану рівноваги (флуктуацій) ці зони перебувають у станах, ймовірності яких зростають та зменшуються.

Критика концепції «Теплової смерті Всесвіту» здійснювалася за трьома напрямками:

1) у зв'язку з припущенням про те, що поряд з ентропійними процесами у природі відбуваються антиентропійні процеси, що перешкоджають настанню «теплової смерті» (в т.ч. Больцман).

2) у зв'язку з сумнівом у правомірності поширення понять термодинаміки з окремих систем на весь Всесвіт загалом.

3) у зв'язку зі створенням синергетичного бачення Всесвіту та його еволюції.