Гусейханов М.К., Раджабов О.Р. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

ожидается исчезновение температурных различий в природе и

превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно

распределенную во Вселенной. Отсюда Клаузиус выдвинул два

постулата:

1. Энергия Вселенной всегда постоянна.

2. Энтропия Вселенной всегда растет к максимуму.

Если принять второй постулат, то необходимо признать, что

процессы во Вселенной направлены в сторону достижения

состояния термодинамического равновесия, соответствующего

максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого

наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком

случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной

работы в ней произвести будет нельзя.

Вытекающий отсюда вывод о грядущей тепловой смерти

Вселенной, означает прекращение каких-либо физических

процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние

с максимальной энтропией. На протяжении всего дальнейшего

развития этот вывод привлекает внимание ученых, ибо затрагивает

не только глубинные проблемы чисто научного характера, но также

философско-мировоззренческие аспекты, указывающие

определенную верхнюю границу возможного существования

человечества. Такие мрачные прогнозы встретили критику со

стороны ряда выдающихся ученых. Однако в середине XIX в. мало

было научных аргументов для опровержения мнения Р. Клаузиуса.

Только единицы догадывались, что понятие закрытой, или

изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не

отражающей реальный характер систем, которые встречаются в

природе.

С научной точки зрения возникают проблемы правомерности

следующих экстраполяций, высказанных Клаузиусом:

1.Вселенная рассматривается как замкнутая система.

2.Эволюция мира может быть описана как смена его

состояний.

3.Для мира как целого состояние с максимальной энтропией

имеет смысл, как и для любой конечной системы.

280

Проблемы эти представляют несомненную трудность и для

современной физической теории. Решение их следует искать в

общей теории относительности и развивающейся на ее основе

современной космологии. Многие теоретики считают, что в общей

теории относительности мир как целое должен рассматриваться не

как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном

гравитационном поле. В связи с этим применение закона

возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости в нем

статистического равновесия.

Проблему будущего развития Вселенной пытался разрешить и

Больцман, применивший к замкнутой Вселенной понятие

флуктуации. Под флуктуацией какой-то физической величины

понимается отклонение истинного значения данной величины от ее

среднего значения, обусловленного, например, хаотическим

тепловым движением частиц системы. Больцман принял

ограничение Максвелла, согласно которому для небольшого числа

частиц второе начало термодинамики не должно применяться, ибо в

случае небольшого числа молекул нельзя говорить о состоянии

равновесия системы. При этом он использует это ограничение для

Вселенной, рассматривая видимую часть Вселенной как небольшую

область бесконечной Вселенной. Для такой небольшой области

допустимы небольшие флуктуационные отклонения от равновесия,

благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной

в направлении к хаосу.

К сожалению, мечта Больцмана не сбылась в полной мере. Ему

не удалось найти ключ к объединению динамики и второго начала

термодинамики, а предлагаемая флуктуационная модель эволюции

Вселенной имела всего лишь характер гипотезы. Скептическое

отношение многих ученых к атомистической теории Больцмана (сам

он был убежден в том, что отстаиваемое им учение об атомах

завоюет признание через много десятков лет), трудности с

определением роли второго начала термодинамики в системе

естествознания, а возможно, и ряд других причин привели этого

замечательного ученого к трагическому концу. В 1906 году он

покончил жизнь самоубийством.

281

XX век вносит коррективы в изучение проблем эволюции

Вселенной. Формируется новое междисциплинарное направление —

синергетика, и на его основе возникает теория самоорганизации

сложных систем. В отличие от закрытых, или изолированных,

реальными системами в природе являются открытые системы. Они

обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и

информацией. Опыт и практическая деятельность

свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной,

системы представляет собой далеко идущую абстракцию и потому

она слишком упрощает и углубляет действительность, поскольку в

ней трудно или даже невозможно найти системы, которые бы не

взаимодействовали с окружающей средой. Поэтому в новой

термодинамике место закрытой изолированной системы заняло

принципиально иное фундаментальное понятие открытой системы,

которая способна обмениваться с окружающей средой веществом,

энергией и информацией.

Открытая система не может быть равновесной, потому что ее

функционирование требует непрерывного поступления из внешней

среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого

взаимодействия система, как указывал Эрвин Шредингер, извлекает

порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту

среду. В открытых системах также производится энтропия,

поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в

этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а

выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует

степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что

открытые системы живут за счет заимствования энергии или

вещества из внешней среды. Очевидно, что с поступлением новой

энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В

конечном счете прежняя взаимосвязь между элементами системы,

которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами

системы возникают новые связи, которые приводят к

кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее

элементов. Так, схематически могут быть охарактеризованы

процессы самоорганизации открытых систем.

282

Как отмечает основоположник теории самоорганизации И. Р.

Пригожин, переход от термодинамики равновесных состояний к

термодинамике неравновесных процессов, несомненно, знаменует

прогресс в развитии ряда областей науки.

ВЫВОДЫ

1. Детерминизм — это учение о всеобщей закономерной

связи явлений и процессов в окружающем мире. Причинность

является одной из форм проявления детерминизма. Исторически

в науке сложились два основных типа причинно-следственных

связей и соответственно два типа закономерностей — динами

ческие и статистические (вероятностные).

2.Современную концепцию детерминизма можно сформиро

вать следующим образом: динамические законы представляют

собой первый, низший этап в процессе познания окружающего

нас мира; статистические законы более совершенно отображают

объективные связи в природе: они являются следующим, более

высоким этапом познания.

3. Наиболее ярко динамический и статистический де

терминизм проявляется при рассмотрении тепловых про

цессов. Динамический подход характерен термодинамике.

Молекулярно-кинетическая теория использует статистичес

кий метод, интересуясь не движением отдельных молекул, а

только средними величинами, которые характеризуют дви

жение огромной совокупности частиц. Поэтому при изучении

тепловых явлений в науке используют два направления:

статистические законы и термодинамические законы, изуча

ющие тепловые процессы без учета молекулярного строения

вещества.

4. Если к системе подводится тепло и над ней производится

работа, то энергия системы возрастает до величины, равной

сумме этих величин. Невозможно осуществить процесс, единс

твенным результатом которого было бы превращение тепла в

работу при постоянной температуре. Тепло не может перетечь

самопроизвольно от холодного тела к горячему.

283

5.Энтропия есть мера неупорядоченности системы. Энтропия

замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с

окружением ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает.

6.Основываясь на связи энтропии с вероятностью, Больцман

сформулировал, что природа стремится перейти из состояния менее

вероятного в состояние более вероятное. Энтропия системы,

находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна.

7.Второе начало термодинамики устанавливает в природе

наличие фундаментальных асимметрий, т. е. однонаправленности

всех происходящих самопроизвольных процессов. Об этой

асимметрии, выделенной Клаузиусом и Кельвином, говорят все

окружающие нас явления. Хотя количество энергии в замкнутых

системах сохраняется, распределение энергии меняется

необратимым способом. Распространение принципа возрастания

энтропии на всю Вселенную привело Клаузиуса и Кельвина к

гипотезе "тепловой смерти Вселенной".

8.Большинство систем являются открытыми, т. е.

обменивающимися энергией или веществом с окружающей средой,

поэтому понятие термодинамики расширялись для открытых

систем. Энтропия в открытых системах может возникать и

переноситься.

9.В стационарных неравновесных состояниях производится

минимальная величина энтропии, что отражает внутреннюю

инерцию и устойчивость систем, поэтому, если какие-то внешние

условия не позволяют системе перейти в устойчивое равновесие, она

перейдет в стационарное с минимальным производством энтропии

— теорема Пригожина.

Вопросы для контроля знаний

1.Чем отличаются универсальные законы от статистических?

2.Почему лапласовский детерминизм оказался несостоятельным?

3.Почему причинность не совпадает с детерминизмом в целом?

4.Как можно было бы определить современный детерминизм?

5.Какие процессы называются обратимыми?

6.Что выражает первый закон термодинамики?

7.Дайте простую формулировку второго закона термодинамики.

284

8. Как можно сформулировать этот же закон с помощью

понятия энтропии?

9. Как происходит эволюция в закрытых системах?

10.Кто впервые выдвинул идею "тепловой смерти Вселенной" и

в чем ее несостоятельность по современным представлениям?

10.Как происходит самоорганизация в открытых системах?

285

Глава 12. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ

ВСЕЛЕННОЙ

Ньютоновская Вселенная пала

замертво, а на ее месте оказалась

Вселенная Эйнштейна. Эйнштейн

не спорил с научными фактами, он

поднял руку на аксиомы науки, а

наука не устояла перед его

напором.

Б. Шоу

12.1. Большой взрыв и расширяющаяся Вселенная

В истории познания окружающего нас мира четко

прослеживается общее направление — постепенное признание

неисчерпаемости природы, ее бесконечности во всех отношениях.

Вселенная бесконечна в пространстве и во времени, и если

отбросить идеи И. Ньютона о "первом толчке", то такого рода

мировоззрение можно считать вполне материалистическим.

Ньютоновская Вселенная утверждала, что пространство есть

вместилище всех небесных тел, с движением и массой которых оно

никак не связано; Вселенная всегда одна и та же, т. е. стационарна,

хотя в ней постоянно происходит гибель и рождение миров.

Казалось бы, небо ньютоновской космологии обещало быть

безоблачным. Однако очень скоро пришлось убедиться в обратном.

В течение XIX в. обнаружились три противоречия, которые были

сформулированы в форме трех парадоксов, названных

космологическими. Они, казалось, подрывали представление о

бесконечности Вселенной.

286

Фотометрический парадокс. Если Вселенная бесконечна и

звезды в ней распределены равномерно, то по любому направлению

мы должны видеть какую-нибудь звезду. В этом случае фон неба

был бы ослепительно ярким, как Солнце.

Гравитационный парадокс. Если Вселенная бесконечна и

звезды равномерно занимают ее пространство, то сила тяготения в

каждой его точке должна быть бесконечно велика, а стало быть,

бесконечно велики были бы и относительные ускорения

космических тел, чего, как известно, нет.

Термодинамический парадокс. По второму закону

термодинамики все физические процессы во Вселенной в конечном

счете сводятся к выделению теплоты, которая необратимо

рассеивается в мировом пространстве. Рано или поздно все тела

остынут до температуры абсолютного нуля, движение прекратится и

наступит навсегда "тепловая смерть". Вселенная имела начало, и ее

ждет неизбежный конец.

Первая четверть XX в. прошла в томительном ожидании

развязки. Никто, разумеется, не хотел отрицать бесконечность

Вселенной, но, с другой стороны, никому не удавалось устранить

космологические парадоксы стационарной Вселенной. Лишь гений

Альберта Эйнштейна внес новую струю в космологические споры.

Ньютоновская классическая физика, как уже говорилось,

рассматривала пространство как вместилище тел. Никакого

взаимодействия между телами и пространством по Ньютону и быть

не могло.

В 1916 г. А. Эйнштейн опубликовал основы общей теории

относительности. Одна из главных ее идей состоит в том, что

материальные тела, в особенности большой массы, заметно

искривляют пространство. Из-за этого, например, луч света,

проходящий вблизи Солнца, изменяет первоначальное направление.

Представим себе теперь, что во всей наблюдаемой нами части

Вселенной материя равномерно "размазана" в пространстве и в

любой его точке действуют одни и те же законы. При некоторой

средней плотности космического вещества выделенная

ограниченная часть Вселенной не только искривит пространство, но

287

даже замкнет его "на себя". Вселенная (точнее, выделенная ее часть)

превратится в замкнутый мир, напоминающий обычную сферу. Но

только это будет четырехмерная сфера, или гиперсфера, представить

себе которую мы, трехмерные существа, не в состоянии. Однако,

мысля по аналогии, мы легко разберемся в некоторых свойствах

гиперсферы. Она, как и обычная сфера, имеет конечный объем,

заключающий в себе конечную массу вещества. Если в мировом

пространстве лететь все время в одном направлении, то через

некоторое число миллиардов лет можно попасть в исходную точку.

Идею о возможности замкнутости Вселенной впервые высказал

А. Эйнштейн. В 1922 г. советский математик А. А. Фридман

доказал, что "замкнутая Вселенная" Эйнштейна никак не может

быть статичной. В любом случае ее пространство или расширяется,

или сжимается со всем своим содержимым.

В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл открыл

замечательную закономерность: линии в спектрах подавляющего

большинства галактик смещены к красному концу, причем

смещение тел тем больше, чем дальше от нас находится галактика.

Это интересное явление называется красным смещением. Объяснив

красное смещение эффектом Доплера, т. е. изменением длины

волны света в связи с движением источника, ученые пришли к

выводу о том, что расстояние между нашей и другими галактиками

непрерывно увеличивается. Конечно, галактики не разлетаются во

все стороны от нашей Галактики, которая не занимает никакого

особого положения в Метагалактике, а происходит взаимное

удаление всех галактик. Это означает, что наблюдатель,

находящийся в любой галактике, мог бы, подобно нам, обнаружить

красное смещение, ему казалось бы, что от него удаляются все

галактики. Таким образом, Метагалактика нестационарна. Открытие

расширения Метагалактики свидетельствует о том, что

Метагалактика в прошлом была не такой, как сейчас, и иной станет

в будущем, т. е. Метагалактика эволюционирует.

По красному смещению определены скорости удаления

галактик. У многих галактик они очень велики, соизмеримы со

скоростью света. Самыми большими скоростями, иногда превы-

288

шающими 250 тыс. км/с, обладают некоторые квазары,

считающиеся самыми удаленными от нас объектами

Метагалактики.

Закон, согласно которому красное смещение (а значит, и

скорость удаления галактик) возрастает пропорционально

расстоянию от галактик (закон Хаббла), можно записать в виде: v —

Нr, где v — лучевая скорость галактики; r — расстояние до нее; Н

— постоянная Хаббла. По современным оценкам, значение Н

заключено в пределах:

Следовательно, наблюдаемый темп расширения Метагалактики

таков, что галактики, разделенные расстоянием 1 Мпк (3 • 10

км),

удаляются друг от друга со скоростью от 50 до 100 км/с. Если

скорость удаления галактики известна, то можно вычислить

расстояние до далеких галактик.

Итак, мы живем в расширяющейся Метагалактике. Это явление

имеет свои особенности. Расширение Метагалактики проявляется

только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик, т. е. систем,

элементами которых являются галактики. Другая особенность

расширения Метагалактики заключается в том, что не существует

центра, от которого разбегаются галактики.

Расширение Метагалактики — самое грандиозное из известных

в настоящее время явлений природы. Правильное его истолкование

имеет исключительно большое мировоззренческое значение. Не

случайно в объяснении причины этого явления резко проявилось

коренное отличие философских взглядов ученых. Некоторые из них,

отождествляя Метагалактику со всей Вселенной, пытаются

доказать, что расширение Метагалактики подтверждает религиозное

о сверхъестественном, божественном происхождении Вселенной.

Однако во Вселенной известны естественные процессы, которые в

прошлом могли вызвать наблюдаемое расширение. По всей

вероятности, это взрывы. Их масштабы поражают нас уже при

изучении отдельных видов галактик. Можно представить, что

расширение Метагалактики

289