Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

Термодинамика в общественных отношениях

Общество термодинамика тоже рассматривает как еди-

ную систему, открытую с термодинамической точки зрения. Как и

человеческий организм, общество в целом постоянно потребля-

ет энергию и вещество, и не только в виде пищи, но и в виде

затрат на организацию производственной деятельности, преоб-

разование среды обитания и прочее.

Зададим себе вопрос - для чего образовалось общество

и чем вызвано его постоянное стремление развиваться? Не эко-

номичнее ли было существовать каждому человеку в отдельно-

сти?

Оказывается, нет. Полная разобщенность людей означа-

ла бы увеличение хаоса в человеческом сообществе. Чем боль-

ше хаоса, тем больше величина энтропии, тем ближе состояние

равновесия. Для общества как термодинамически открытой сис-

темы равновесие означает смерть. Для каждой человеческой

особи в отдельности выход известен - стремление убежать от

равновесия проявляется в подавлении увеличивающейся в ходе

процессов жизнедеятельности энтропии за счет потребления

веществ с низкой энтропией в виде пищи и выделения веществ с

более высокой энтропией в среду обитания. Так поступает весь

живой мир.

Принцип диссипации энергии

Однако энергию в виде пищи мы полу чаем не в произ-

вольном количестве. Для любой живой системы действу ет прин-

цип, сформулированный Н.Н. Моисеевым: при прочих равных ус-

ловиях в системе реализуются такие формы организации (пове-

дения) ее составляющих, при которых данная система про-

изводит минимум энтропии, то есть использует энергию макси-

мально экономно. Этот принцип называется принципом мини-

мума диссипации энергии.

С момента появления в природе человеческого сообще-

ства, движущей силой его развития является стремление сэко-

номить энергию, и не из-за высокой сознательности человека, а

из-за естественного недостатка наиболее доступного источника

потенциальной энергии - пищи.

Каждое достижение нового уровня экономии обеспечива-

ет большую устойчивость системы. Поэтому происходит самоор-

ганизация человеческого общества. Все мы знаем по себе -

жить совместно экономнее, чем в одиночку: и пищи расходуется

меньше, и энергии на обогрев жилья тоже. Да и в ходе эволюции

уже в подсознании закрепилось - человек существо обществен-

ное, это экономнее и так легче выжить (на языке термодинамики

- избежать равновесия). На деле это является прямым проявле-

нием принципа минимума диссипации энергии.

Чуть позднее человеческое общество начинает созда-

вать нормы поведения. Сначала они проявляются в религиоз-

ных верованиях, позже - в нормах морали и законах. Одни по-

ступки человека оказываются предпочтительными, другие - не-

гативными.

Действительно, положительным для каждой неравновес-

ной системы является такое поведение ее частей, которое

обеспечивает, говоря языком физики, минимальные внутренние

потери энергии, минимальное внутреннее трение. Для челове-

ческого общества к таким потерям относятся результаты наси-

лия и воровства, мести и зависти. И наоборот, снижают «тре-

ние» милосердие и любовь (они обеспечивают минимум внут-

ренних энергопотерь).

Но, казалось бы, каждый из нас обладает свободой в вы-

боре поведения, волен поступать вопреки заповедям и законам.

Здесь нет никакого противоречия. Вспомните, при рассмотрении

микромира мы не могли термодинамически описать поведение

отдельной частицы, но, пользуясь понятием вероятности, можем

описать систему в целом (на этом основывались выводы

Больцмана). Если бы нашелся Некто, могущий рассматривать

человечество так, как человек рассматривает объекты микроми-

ра, то для него поведение людей было бы похоже на поведение

микрочастиц.

Принцип минимума производства энтропии

В человеческом обществе принцип минимума производ-

ства энтропии проявляется в виде естественного отбора. Строе-

ние организма или поведение живого существа в сообществе

может отличаться от оптимального, но отбор оставляет такому

объекту мало шансов на выживание - это обязательно приведет

его к поражению в конкурентной борьбе (если это профессио-

нальная деятельность), к болезни (если это образ жизни), нега-

тивно отразится на нем и его потомках (если это связано с нор-

мами морали). Последнее объясняется тем, что действуя вопре-

ки ограничениям, накладываемом Принципом, человек не только

ухудшает свое состояние, но и увеличивает энтропию окружаю-

щей его системы - общества, а это, в свою очередь, снижает

жизнестойкость всей этой системы, что не может не отразиться

рано или поздно на её членах и в конечном итоге на нем самом,

Очевидный пример - та экологическая ситуация, с кото-

рой мы столкнулись. Человек стал неэкономично расходовать

добываемую им энергию - часть её рассеивается в окружающей

среде, вызывая тепловое загрязнение, часть выбрасывается с

отходами, вполне годными к использованию. Такое неоправдан-

но большое приращение энтропии в биосфере несомненно отра-

зилось на человеке - болезни (означающие увеличение энтропии

в организме), ухудшение условий существования (что означает

дополнительные энергетические затраты на жизнь) — всем этим

мы расплачиваемся за несоблюдение Принципа минимума про-

изводства энтропии и максимума использования накопленной

информации.

Взаимосвязь энтропии и информации в обществе

От остальной живой природы человек отличается тем,

что обладает способностью мыслить, получать и обмениваться

информацией. По термодинамическому закону информация и эн-

тропия взаимосвязаны:

нег

. = A

мин

./ТlnJ(t),

где Т – температура, S

нег

.=-S.

Чем большей информацией обладает организм, тем

больше он понижает свою энтропию, следовательно, повышает

энтропию окружающей среды. Читая этот научный труд, вы полу-

чаете некоторую информацию, то есть совершаете при этом

умственную работу, выделяя больше тепла, энтропии, чем в

состоянии безделья. Правда, в энтропийных единицах плата за

информацию мала и составляет 2,5

-24

кал/град. В этом смысле

написание всех книг, созданных за всю историю человечества,

у величило энтропию Вселенной меньше, чем один вскипевший

чайник.

Возможно, эта энтропийная «экономность» информации

и объясняет столь значительный научный прогресс человечест-

ва: по данным социологов, каждые 10-15 лет удваивается число

реферативных журналов, число научных работников, что харак-

теризует рост объема полученной научной информации.

Использование полученной информации (в частности, в

здравоохранении) позволяет человеку уменьшить темп нараста-

ния энтропии (dS/dt) в организме, то есть отдалить процессы

старения и смерти. В настоящее время из-за увеличения про-

должительности жизни и уменьшения смертности кривая миро-

вого прироста населения приближается к экспоненциальной

зависимости, обнаруженной Больцманом, то есть S = KlnW .

Значит, при возможности полностью преодолеть увели-

чение энтропии организма (∆S=0) мы приходим к постоянному

во времени значению W, что практически означает бессмертие

человеческой особи и экспоненциальный прирост населения во

времени. Таким образом, и процесс регулирования прироста

населения мы вынуждены увязывать с наличием энтропии.

В конце еще раз хочется подтвердить важность законов

термодинамики для человеческого общества. Согласно одной из

древнейших религий мира - индуизму, - все в мире определяет

триединое божество: Вишну - бог всего сущего, Шива - уничто-

жающий материальный космос и Брахма - создающий все фор-

мы жизни. Трудно не заметить, что основные постулаты термо-

динамики соответствуют этим реалиям:

=> Закон сохранения энергии - Закон существования,

=> Второе начало - Закон гибели,

=> Принцип минимума диссипации - Закон жизни.

Экономическое развитие общества тесно связано с по-

треблением все возрастающих количеств энергии. В завершив-

шимся столетии население мира возросло втрое, а использова-

ние энергии - десятикратно. И это, безусловно, не временная

тенденция.

Основной источник производимой людьми энергии — ми-

неральное сырье, главным образом уголь и нефть. Следует,

однако, иметь в виду, что ресурсы ископаемого топлива неуклон-

но истощаются. Это заставляет нас думать о повышении эффек-

тивности их использования. С другой стороны, необходимость

защиты окружающей среды стимулирует усилия, направленные к

созданию экологически чистых источников энергии и разработке

усовершенс т вованных технологий использования традиционного

сырья.

Все вышесказанное относится к макромиру. В микромире,

мире элементарных частиц, и мегамире – мире космоса –

при движении с огромны ми скоростями при искривлениях про-

странства и замедлении времени рассмотренные выше законо-

мерности могут нарушаться. Рассмотрим же как шло формиро-

вание макро- и мегамира, возникновение неживой и живой мате-

рии на бесконечных пространствах Вселенной и в Солнечной

системе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

1. Расскажите о развитии представлений о пространстве и вре-

мени.

2. В чем суть идей Ньютона об «абсолютном» пространстве и

времени?

3. Какие экспериментальные факты опровергли идеи «абсолют-

ного» пространства и времени?

4. Какова роль А. Эйнштейна в разрешении проблемы простран-

ства и времени?

5. Каку ю величину имеет скорость света?

6. Приведите уравнение, связывающее массу и энергию.

7. Приведите два основных следствия из теории относительно-

сти.

8. Каково значение открытий физики ХХ в. для жизни человече-

ского общества?

9. Каковы координаты пространства?

10. Каковы координаты времени? Может ли время течь вспять?

11. Дайте определения реального, перцептуального и концепту-

ального пространства и времени.

12. Какие науки изучают концептуальное пространство и время?

13. Как решаются проблемы пространства и времени в физиче-

ских и химических системах?

14. Как решаются проблемы пространства и времени в биологи-

ческих системах?

15. Дайте определение понятий «энергия» и «энтропия».

16. Перечислите виды энергии. Какие виды энергии непосредст-

венно использует человек?

17. Как связаны масса и энергия?

18. Поясните выражение «энтропия – это мера рассеянной энер-

гии».

19. Поясните выражение «энтропия – это мера беспорядка в

системе».

20. Как изменяется энтропия в системе для самопроизвольных

процессов?

21. Что понимают под информационной энтропией?

22. Каково соотношение энтропийного и энтальпийного факторов

процесса?

23. Возможна ли «тепловая смерть» Вселенной?

24. В чем проявляется различие открытых и закрытых систем?

25. Как называются материальные структуры, способ ные рас-

сеивать энергию?

26. Как происходит процесс самоорганизации в открытых систе-

мах?

27. Что изучает синергетика?

28. На основе каких химических реакций И.Р. Пригожин заложил

основы нелинейной термодинамики?

29. Возможна ли самоорганизация в неорганических системах?

30. Каковы условия самоорганизации систем?

31. Как связана энтропия с информацией?

32. Каково проявление энтропии в человеческом обществе?

Глава 3

ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙ

По вечерам в небе загораются звезды. В ясную погоду

невооруженным глазом их можно насчитат ь на небосводе до

трех тысяч. Но это лишь очень небо льшая часть тех звезд и

других космических объектов, которые существуют в нашей

области мира...

В безлунные ночи хорошо виден Млечный путь,

протянувшийся от одной стороны горизонта до другой. Он

кажется скоплением светящихся туманных масс. Но стоит

направить на Млечный путь телескоп, и мы сразу обнаружим,

что он состоит из множества звезд. Эта звездная система, к

которой принадлежит и наше Солнце, получила название

Галактики. Нам она кажется звездной полосой. Но если бы

можно было взглянуть на нее откуда-то со стороны, из мирового

пространства, мы увидели бы, что она напоминает сплюснутый

шар, заполненный 150 миллиардами звезд. размеры нашей

галактики около 40000 парсеков, толщина в центр ально й части

около 5000 парсеков. Наше Солнце находится на расстоянии

8000 парсеков от центра Галактики и движется со скоростью

около 300 км/сек.

Изучать нашу Галактику необычайно сложно. Это одна из

труднейших задач науки. Ведь мы находимся внутри этой

Галактики и не можем ни вылететь за ее пределы (чтобы

взглянуть на нее со стороны), ни побывать в различных ее

точках. Тем не менее наука преодолевает эти тр удности.

Тщательно и всесторонне ученые исследуют электромагнитные

излучения, приходящие из различных районов Галактики. Но

нередко космические события не удается исследовать

непосредственно; тогда на помощь астрономам приходит

теория. Она связывает воедино результаты многочисленных

наблюдений, обобщает их, находит в них определенные

закономерности и таким образом восстанавливает недостающие

в наших знаниях звенья космических процессов. Вселенная

имеет гигантские размеры, а это означает, что для изучения ее

объектов необходимо применять другие единицы измерения,

отличные от единиц измерения на Земле. Для измерений в

космическом пространстве используют:

- световой год, который соответствует расстоянию,

которое пройдет свет за один год;

- астрономическая единица – соответствует радиусу

орбиты Земли (1 а.е. равна 1,496

км)

- парсек (параллакс-секунда), соответствует расстоянию,

с которого радиус земной орбиты виден под углом 1

секунда. Под таким углом однокопеечная монета видна

с расстояния 3 км. Самая ближняя звезда от Со лнца –

это Проксима Центавра находится на расстоянии 1,3

парсека или 4,1

км.

Средняя плотность галактик в наблюдаемой части.

Вселенной составляет около 3 на 1 кубический миллион

парсеков. Типичная скорость движения галактик около 1000

км/сек. Для прохождения расстояния до ближайшей соседки

требуется около миллиарда лет. Отсюда видно, что за время

существования Вселенной каждая галактика могла испытать по

меньшей мере одно столкновение с другой галактикой.

Сегодня мы уже достаточно уверенно можем говорить о

том, как же выглядит наш звездный остров. В центре его

находится ядро, окруженное множеством звезд. Диаметр ядра

около 9 градусов, линейные размеры – около 4000 световых лет.

От ядра отходит несколько могучих спиральных ветвей... Наша

Галактика столь велика, что ее размеры нелегко себе

представить: от одного ее края до другого световой луч

путешествует около 100 тысяч земных лет.

Большая часть звезд нашей Галактики сосредоточена в

гигантском «диске» толщиной около 1500 световых лет. На

расстоянии около 30 тысяч световых лет 8000 парсеков) от

центра Галактики расположено наше Солнце.

Несмотря на то, что Млечный путь представляется нам

весьма «густой» звездной системой, в действительности звезды

в Галактике расположены довольно редко. Так, в окрестностях

Солнца среднее расстояни е между двумя ближайшими

звездами приблизительно в 10 миллионов раз превосходит их

собственные поперечники.

Основное «население» Галактики – звезды. Мир этих

небесных тел необыкновенно разнообразен. И хотя все звезды –

раскаленные газовые шары, подобные Солнцу, их физические

характеристики различаются весьма существенно. Есть, напри-

мер, звезды гиганты и сверхгиганты. По своей величине они

100

значительно превосходят Солнце. Объем одной из звезд в

созвездии Цефея больше объема нашего дневного светила в 14

миллиардов раз. Если бы эту громадную звезду можно было

поместить на место Со лнца, в центре нашей планетной

системы, то не только Земля, но и орбиты более далеких планет

– Марса, Юпитера, даже Сатурна – оказались бы внутри этого

сверхгигантского шара.

Кроме звезд-гигантов существуют и звезды-карлики,

значительно уступающие по своим размерам Солнцу. Известны

карлики, которые меньше Земли и даже Луны.

Но в то же время звезды не слишком сильно отличаются

друг от друга по количеству вещества. Минимально возможная

масса звезды – около одной десятой массы Солнца,

максимально – несколько десятков солнечных масс. Такие

ограничения отнюдь не случайны: источником энергии звезд

являются термоядерные реакции, протекающие в их недр ах. Как

известно, для по добных реакций не обходимы чрезвычайно

высокие температуры – порядка нескольких десятков миллионов

градусов. При небольшой массе давление и температура в

недрах небесного тела окажутся недостаточными для

поддержания термоядерного процесса, и такое тело не будет

звездой. Наоборот, звезда с чересчур большой массой

неизбежно окажется неустойчивой – она не сможет

существовать длительное время.

Но если сто солнечных масс распределить по объему уже

знакомой нам звезды-сверхгиганта из созвездия Цефея, то

плотность вещества окажется весьма незначительной. И

действительно, звезды-гиганты и сверхгиганты необычайно

разрежены. Плотность их вещества в тысячи, даже в десятки

тысяч раз меньше плотности того воздуха, которым мы дышим.

Звезды обладают различными поверхностными

температурами: от нескольких тысяч до десятков тысяч

градусов. Соответственно различен и цвет звезд. Сравнительно

«холодные» звезды – с температурой около 3–4 тысяч градусов

– красноватого цвета. Наше Солнце, поверхность которого

«нагрета» до 6 тысяч градусов, обладает желто-зеленым

цветом. Самые горячие звезды с температурой, превосходящей

10–12 тысяч градусов, –белые и голубоватые.

Хотя звезды и весьма разнообразны, их можно разделить

на классы однотипных объектов, которые обладают сходными

101

путями развития. Самый «населенный» класс – так называемая

главная последовательность звезд, к которой принадлежит и

наше Солнце. В эволюции этих звезд ученые выделяют

длительный период устойчивого состояния, когда реакция в их

недрах протекала без особых колебаний и физические

характеристики почти не менялись.

Вообще следует заметить, что большинство звезд

развивается очень и очень медленно (с точки зрения земных

масштабов времени). Поэтому особый интерес для астрономов

представляют так называемые переменные звезды, физические

параметры которых меняются за сравнительно короткие

промежутки времени. К числу таких звезд относятся цефеиды –

звезды, которые то разгораются, то затухают. Как показали

исследования, подобные колебания блеска связаны с

пульсацией этих звезд: они то сжимаются, то «раздуваются».

Один из самых грандиозных физических процессов во

Вселенной – вспышки так называемых новых и сверхновых

звезд. Название это не совсем удачно. В действительности

звезда существует и до вспышки. Но в какой-то момент под

действием бурных физических процессов такая звезда

неожиданно увеличивается в объеме, «раздувается»,

сбрасывает свою газовую оболочку и в течение нескольких суток

выделяет чудовищную энергию, светя, как миллиарды солнц.

Затем, исчерпав свои ресурсы, эта звезда постепенно тускнеет,

а на месте вспышки остается газовая туманность.

Одна из таких туманностей, получившая за свою

характерную форму название Крабовидной, образовалась на

месте вспышки знаменитой сверхновой звезды, замеченной

астрономами в 1054 г. Крабовидная туманность – мощный

источник космического радиоизлучения. А это значит, что внутри

нее происходят интенсивные физические процессы.

Наше Солнце – «одинокая» звезда. Она лишена подобных

себе горячих спутников. Но во Вселенной есть двойные,

тройные и более сложные звездные системы, члены которых

связаны друг с другом силами взаимного притяжения и

обращаются вокруг общего центра масс. Некото рые скопления

содержат десятки, сотни и тысячи звезд. А число звезд в

больших шаровых скоплениях достигает даже сотен тысяч.