Новоженов В.А. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

рых они служат переносчиками взаимодействия. Ни один другой

бозон, фигурирующий в полевых теориях, не является носите-

лем заряда, поэтому ранее считалось, что иметь заряд – приви-

легия фермионов. Глюоны с нулевой массой покоя имеют огра-

ниченный радиус действия 10

-13

см, а их цветовой заряд прово-

цирует сильнейшее возмущение вакуума, так как вызывает ак-

тивное выделение в вакууме облака виртуальных глюонов и

кварк-антикварковых пар, компенсирующих это возмущение.

Образовавшееся при этом пространственное распределение

цветового заряда уменьшает силу взаимодействия между квар-

ками при их сближении. На очень близких расстояниях вакуум-

ная компенсация цветовых зарядов приводит к тому, что кварки

перестают влиять друг на дру га и ведут себя как свободные час-

тицы. С увеличением расстояния между кварками сила взаимо-

действия возрастает. Для разделения двух частиц с цветовыми

зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия. Но как

только вводимая энергия превысит некоторый определенный

уровень, вакуум выделяет уже не виртуальные, а реальные час-

тицы (кварки-антикварки), которые соединяются с первичными

частицами и образуют поток адронов, что и наблюдается в экс-

периментах на у скорителях. Сильное взаимодействие при любых

условиях сохраняет бесцветность частиц.

Долгое время до открытия кварков фундаментальным взаи-

модействием считали ядерное взаимодействие, объединяющее

протоны и нейтроны в ядрах атомов. С открытием кваркового

уровня вещества, под сильным взаимодействием стали пони-

мать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющи-

мися в адроны. Ядерные силы должны как то выражаться через

цветовые силы. Но это не просто сделать, так как барионы (про-

тоны и нейтроны), составляющие ядра, являются цветонейт-

ральными. Теория предполагает, что при сближении барионов

на расстояния меньшие, чем 10

-13

см, они теряют свои индиви-

ду альные особенности. Глюонный обмен между кварками, удер-

живающий их в адронах, принимает коллективный характер, свя-

зывая кварки всех барионов в единую систему – атомное ядро.

Перемещение одного из кварков в сторону другого нарушает

локальную нейтральность цветового заряда. Вакуум реагирует

на это рождением виртуальной пары кварк-антикварк. Кварк этой

пары замещает «нарушителя» на его месте, а антикварк вместе

с беглецом образу ет виртуальный пион (пи-мезон), принимае-

мый за обменную частицу ядерного взаимодействия.

Рассмотренные четыре типа фундаментальных взаимодейст-

вий лежат в основе всех других известных форм движения мате-

рии, в том числе возникших на высших ступенях развития.

В 1986 г. появилось сообщение об открытии «пятой силы»,

или «пятого взаимодействия». Согласно этой гипотезе, «пятое

взаимодействие» – это сила отталкивания, пропорциональная

барионному заряду тела. Барионами называют группу тяжелых

элементарных частиц (протон, нейтрон, гипероны и др.). Барио-

ны принимают участие во всех видах фундаментальных взаимо-

действий. Барионный заряд для барионов принимают равным

единице, для антибарионов заряд равен –1. Для остальных час-

тиц барионный заряд равен нулю. Барионный заряд системы

частиц равен разности между числами барионов и антибарионов

в системе. В частности барионный заряд ядер равен их массо-

вому числу. Масса может быть различна при одинаковой сумме

протонов и нейтронов (вследствие дефекта масс). Возможно, это

взаимодействие является неизвестной составляющей силы тяго-

тения, разной для тел одинаковой массы. Но это взаимодейст-

вие очень слабое и практически ничего не изменит ни в нашей

повседневной механике, ни в небесной механике. Правда, для

физики элементарных частиц «пятое взаимодействие» может

оказаться очень важным.

Физики всегда мечтали создать теорию, объединяющую все

физические взаимодействия. Началом создания такой теории

было объединение электромагнитного и слабого взаимодейст-

вия. Есть попытки создать теорию Большого объединения,

объединяющую электромагнитое, слабое и сильное взаимодей-

ствия. Еще более грандиозна идея создания Суперобъедине-

ния, охватывающую все четыре взаимодействия.

Физики считают, что эту теорию они могут создать на основе

теории суперструн, которая появилась совсем недавно. Ее соз-

дателями явились М. Грин (Великобритания) и Дж. Шварц (США).

Эта теория описывает некие протяженны е объекты - струны.

Струны - это пространственные отрезки с характерным разме-

ром планковской длины 10

-33

см. Предполагается что на таких

малых расстояниях должны проявляться 6 дополнительных про-

странственных измерений, которые в отличие от обычны х четы-

рех измерений компактифицированы, т.е. свернуты в точки,

замкнуты, ограничены в определенных областях и не распро-

страняются в область макромира.

Эта теория является следствием объединения квантовой

теории поля с общей теорией относительности. Понятие струны

в ней становится синонимом понятия микрочастицы или вооб-

ще локализованного в пространстве объекта. Все известные

частицы представляют собой определенное возбужденное со-

стояние струны. Такие состояния можно сравнить с набором

звуков, вызываемым колебанием струны (например, гитары или

скрипки). Более высокие звуки можно сопоставить с новыми час-

тицами, масса которых больше массы предыдущих частиц. Вве-

дение понятия струны полностью исключает точечные представ-

ления из структуры микромира. Эта теория в сущности сводит

физику к геометрии очень сложных пространств.

Теория суперструн тесно связана с новыми представления-

ми о симметрии – с концепцией суперсимметрии, открытой в 60-

70-х годах, которая связала между собой бозоны и фермионы.

Преобразования суперсимметрии переводит их друг в дру га, и

также связывают физику с геометрией. Согласно теории супер-

струн, фундаментальным объектом современной физики являет-

ся квантованное суперструнное поле, возбуждениями которого

являются сулерструны, взаимодействующие друг с другом и ва-

куумом (возникающие и поглощающиеся в нем). Струны, в свою

очередь, порождают элементарные частицы.

Теория суперструн ведет к некоторым нетривиальным след-

ствиям. Так, среди порожденных струнами элементарных час-

тиц, должны быть гипотетические частицы тахионы – движу-

щиеся со скоростями выше скорости света. Следствием этой

теории является объяснение «теневого мира», открытого астро-

номами факта, что галактики и скопления галактик содержат

большую массу невидимого вещества, в десятки раз превосхо-

дящего массу самих галактик.

Закон сохранения энергии

В 1845–1847 гг. получил тщательное обоснование всеобщий

закон природы – закон сохранения количества энергии: в изоли-

рованной системе количество энергии остается постоянным.

Этот закон часто называют первым законом термодинамики.

Однако первое строгое определение энергии появилось только в

1857 г. Его дал В. Томсон (лорд Кельвин): энергия материальной

системы в определенном состоянии есть измеренная в единицах

механической работы сумма всех действий, которые произво-

дятся вне системы, когда она любым способом переходит из

этого состояния в произвольно выбранное нулевое состояние.

Заметив, что все виды энергии превращаются в тепло, которое

переходит ко всем более холодным телам и в конечном итоге

рассеивается в окружающем пространстве, излучаясь затем в

мировое пространство, естествоиспытатели ввели понятие «эн-

тропия» как меру рассеяния энергии. Чем больше рассеивается

энергия, тем больше растет энтропия.

Энергия и энтропия – слова греческого происхождения.

«Эн» обозначает «в», или «содержащаяся», «эрг» – корень сло-

ва «работа», а «тропе» – «превращение». Выбор этих терминов

обозначал желание отразить в них сущность соответствующих

им понятий: изменение энергии изолированной системы

∆

Е =

– Е

выражает максимальное количество работы W

max

, кото-

рую система теоретически могла совершить (например, пар в

цилиндре), переходя из состояния 1 в состояние 2. Изменение

энтропии

∆

S = S

– S

означает ту часть Q = T

∆

S запаса энергии

Е, которая в реальных условиях перехода при температуре

окружающей среды превращается в тепло, рассеивается,

уменьшая величину действительной работы до Wр = W

max

–

∆

S. Р. Клаузиус, предлагая в 1865 г. слово «энтропия», писал,

что употребил его для большего сходства со словом «энергия»,

так как обе соответствующие этим названиям величины близки

по физическому смыслу.

Изменение энергии системы определяется только раз-

ностью ее значения в начальном и конечном состояниях перехо-

да. Поэтому энергию называют функцией состояния системы.

Энтропия тоже является функцией состояния системы, но

количество тепла Q = T

∆

S, выражающее потерю энергии, связа-

но с характером протекающего процесса, так как от него зависит

количество тепла, рассеивающегося в систему вследствие пря-

мой теплоотдачи системы в окружающую среду и в результате

трения. Поэтому-то и реальная работа тоже зависит от характе-

ра процесса и никогда не бывает равна теоретической, т.е. из-

менению энергии.

Опыт свидетельствует, что все процессы в реальных усло-

виях сопровождаются трением и теплообменом с окружающей

средой. Это приводит к увеличению энтропии в изолированных

системах. В открытых системах энтропия может изменяться под

действием внешних сил. Это дало Р. Клаузиусу, В. Томсону и

дру гим исследователям сформулировать новый закон – закон

возрастания энтропии (второй закон термодинамики): какие бы

изменения ни происходили в реальных изолированных системах,

они всегда ведут к увеличению энтропии.

Однако этот закон, основанный на околоземных наблюде-

ниях, Р. Клаузиус распространил на всю Вселенную. Он утвер-

ждал, что через какой-либо промежуток времени вся энергия,

имеющаяся на Земле и в других частях Вселенной, приведет к

выравниванию температуры и к полному прекращению превра-

щений энергии – к «тепловой смерти Вселенной».

Ограниченность действия закона возрастания энтропии бы-

ла доказана австрийским физиком Л. Больцманом в 1871–

1872 гг. Исходя из того, что теплота есть энергия беспорядочного

хаотичного движения частиц вещества, он на основе молекуляр-

но-кинетической теории показал, что закон возрастания энтропии

не применим к Вселенной, потому что он справедлив лишь для

статистических систем, состоящих из большого числа хаотически

движущихся (или хаотически расположенных) объектов, поведе-

ние которых, определяемое изменением параметров состояния

(для газов – это давление, температура, объем), подчиняется

законам теории вероятностей. Возрастание энтропии таких сис-

тем указывает лишь на наиболее вероятное направление проте-

кания процессов. И не исключается возможность маловероятных

событий, называемых флуктуациями, когда энтропия уменьша-

ется. Этот вывод Больцман сделал на основе прямой связи,

которую он установил между энтропией и термодинамической

вероятностью состояния рассматриваемой системы, т.е. числом

микросостояний – распределений частиц в пространстве по ско-

ростям и энергиям, с помощью которых может быть осуществле-

но данное макросостояние, определяемое соответствующими

параметрами состояния. М. Планк привел открытую Больцманом

зависимость между энтропией S и термодинамической вероят-

ностью W к виду S = klnW , где k = 1,380

–33

Дж/К – постоянная

Больцмана.

Поскольку беспорядок всегда вероятнее, чем относитель-

ный порядок, то можно записать приведенное выше выражение

несколько иначе: S = klnD, где D – количественная мера беспо-

рядка в системе. Разбилась тарелка, сгорели дрова в печи и

т.д. – энтропия увеличивается и становится максимальной, когда

для данной системы наступает максимальный беспорядок. Сле-

довательно, с понижением температуры упорядоченность сис-

темы растет, соответственно уменьшается энтропия. Это позво-

лило немецкому физико-химику В. Нернсту предположить, что с

приближением абсолютной температуры к нулю энтропия тоже

стремится к нулю. Это выражение известно как «тепловая тео-

рема Нернста», или третий закон термодинамики. Основываясь

на этом законе, за нулевую точку отсчета энтропии любой систе-

мы можно принимать ее максимальную упорядоченность.

Возрастание энтропии соответствует увеличению беспоряд-

ка в системе. Тогда второй закон термодинамики формулируется

так: «Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не об-

менивается с окружением теплом и энергией, постоянно возрас-

тает». Это означает, что такие системы эволюционируют в сто-

рону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока

не достигнут точки термодинамического равновесия, в котором

всякое производство работы становится невозможным. Энтро-

пия в классической термодинамике выступает в качестве на-

правления (стрелы) времени. В термодинамических процессах

нельзя вернуться к первоначальному состоянию. Термодинамика

ввела в физику понятие времени в очень своеобразной форме –

форме необратимого процесса возрастания энтропии в системе.

Чем выше энтропия системы, тем больший временной интервал

существования имеет данная система, тем дальше продвину-

лась она в своей эволюции. Такое понятие о времени и об эво-

люции системы коренным образом отличается от понятия эво-

люции Дарвина. В теории Дарвина эволюция направлена на вы-

живание более совершенных организмов и усложнение их орга-

низации. В термодинамике же эволюция направлена на дезорга-

низацию систем. Это противоречие разрешилось только в 60-х гг.

ХХ в. с появлением новой, неравновесной термодинамики. Не-

равновесная термодинамика опирается на концепцию необрати-

мых процессов.

Классическая термодинамика оказалась неспособной ре-

шить космологические проблемы для процессов, происходящих

во Вселенной. Первую попытку распространить законы термоди-

намики на Вселенную сделал Р. Клаузиус (1822–1888 гг.), выдви-

нувший два постулата:

– энергия Вселенной всегда постоянна;

– энтропия Вселенной всегда возрастает.

Если принять второй постулат, то необходимо признать, что

все процессы во Вселенной направлены на достижение термо-

динамического равновесия, при котором энтропия максимальна.

Это состояние характеризуется максимальной степенью дезор-

ганизации и беспорядка. В этом случае никакая полезная работа

во Вселенной невозможна, наступит «тепловая смерть». Эти

положения, конечно, встретили критику со стороны многих уче-

ных и философов. Некоторые из них полагали, что во Вселенной

кроме процессов, идущих с возрастанием энтропии, происходят

процессы с уменьшением энтропии, которые препятствуют на-

ступлению «тепловой смерти». Другие высказывали сомнения в

правомерности распространения законов термодинамики с от-

дельных систем на Вселенную. Третьи догадывались, что поня-

тие изолированной системы не отражает реального характера

систем, встречающихся в природе, что изолированные системы

составляют только небольшую часть систем, существующих в

природе.

Открытые системы и новая термодинамика

Открытые системы обмениваются с окружающей средой

энергией, веществом, импульсом и информацией. Все реальные

системы являются открытыми. К наиболее важному типу откры-

тых систем относятся химические системы, в которых непрерыв-

но протекают химические реакции (реагенты поступают извне, а

продукты взаимодействия отводятся). Биологические системы,

живые организмы, можно также рассматривать как открытые

химические системы. Такой подход к живым организмам позво-

ляет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на

основе законов термодинамики неравновесных процессов, фи-

зической и химической кинетики. В неорганической природе от-

крытые системы обмениваются с внешней средой, которая так-

же состоит из различных систем, обладающих энергией и веще-

ством. В социальных и гуманитарных системах к этому добавля-

ется еще обмен информацией. Информационный обмен наблю-

дается также в биологических системах, например, при передаче

генетической информации. Свойства открытых систем наиболее

просто описываются вблизи состояния термодинамического

равновесия. В этом случае неравновесное состояние можно

охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное:

температурой, химическими потенциалами компонентов системы

и др., но не с постоянными для всей системы значениями, а с

зависящими от координат и времени. В открытых системах также

изменяется энтропия, поскольку в них происходят необратимые

процессы, но энтропия не накапливается, как в закрытых систе-

мах, а выводится в окружающую среду.

Энтропия открытых систем в неравновесном состоянии (ло-

кально-неравновесном состоянии) определяется как сумма зна-

чений энтропий отдельных малых элементов системы, находя-

щихся в локальном равновесии (вследствие аддитивности эн-

тропии). Отклонение термодинамичесаких параметров от их

равновесных значений вызывают в системе потоки энергии и

вещества. Процессы переноса приводят к росту энтропии систе-

мы (производству энтропии) В замкнутых системах энтропия

возрастает и стремится к своему равновесному максимальному

значению (производство энтропии стремится к нулю). В открытой

системе возможны стационарные состояния с постоянной энтро-

пией при постоянном производстве энтропии, которая должна

при этом отводиться от системы. Стационарное состояние игра-

ет в термодинамике открытых систем такую же роль, что играет

термодинамическое равновесие для изолированных систем в

термодинамике равновесных процессов. Энтропия открытых

систем в этом состоянии хотя и остается постоянной (производ-

ство энтропии компенсируется ее отводом), но это стационарное

состояние не соответствует ее максимуму.

Наиболее интересные свойства открытых систем выявля-

ются при нелинейных процессах, когда в них возможно появле-

ние термодинамически устойчивых неравновесных состояний,

далеких от состояния термодинамического равновесия и харак-

теризующихся определенной пространственной или временной

упорядоченностью (диссипативной структурой). Существование

такой структуры требует непрерывного обмена веществом и

энергией с окру жающей средой.

Таким образом, в новой термодинамике место закрытой,

изолированной системы заняло понятие открытой системы, спо-

собной обмениваться с окружением энергией, веществом и ин-

формацией.

Одним из первых определений открытой системы дал

Э. Шредингер, выдающийся австрийский физик (1887–1961 гг.). В

своей книге «Что такое жизнь? С точки зрения физика» он пока-

зал, что законы физики лежат в основе образования биологиче-

ских структур. Шредингер подчеркивал, что характерная особен-

ность биологических систем состоит в обмене энергией и веще-

ством с окружающей средой. Средство, при помощи которого

организм поддерживает себя на достаточно высоком уровне

упорядоченности (на достаточно низком уровне энтропии), со-

стоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружаю-

щей его среды. Взаимодействующая со средой система не мо-

жет оставаться замкнутой, так как она вынуждена получать извне

новые вещества или энергию и одновременно выводить в окру-

жающее пространство использованное вещество и отработан-

ную энергию. Так как между массой (веществом) и энергией су-

ществует взаимосвязь, выражаемая уравнением Эйнштейна Е =

, то можно сказать, что в ходе своей эволюции система по-

стоянно обменивается энергией с окружающей средой, а, следо-

вательно, увеличивает энтропию. Но в отличие от закрытых сис-

тем эта энтропия не накапливается в ней, а удаляется в окру-

жающую среду. Такого рода материальные структуры, способ-

ные рассеивать энергию, как уже указывали выше, называются

диссипативными.

С поступлением новой энергии или вещества неравновес-

ность в системе возрастает. В конечном итоге, прежняя связь

между элементами системы, которая определяет ее структуру,

разрушается. Между элементами возникают новые связи, кото-

рые приводят к кооперативным процессам, т.е. к коллективному

поведению ее элементов. Так схематически можно описать про-

цессы самоорганизации в открытых системах. Наглядной иллю-

страцией процессов самоорганизации может служить работа

лазера. Достаточно хаотические колебательные движения час-

тиц кристалла благодаря поступлению энергии извне приводятся

в согласованное движение. Это приводит к увеличению мощно-

сти лазерного излучения. Изучая процессы самоорганизации,

происходящие в лазере, немецкий физик Г. Хакен назвал новое

направление исследований синергетикой, что в переводе с

древнегреческого означает «совместное действие», или взаимо-

действие.

Дру гим примером может служить самоорганизация, возни-

кающая в химических реакциях. В химических реакциях она свя-

зана с пос туплением извне новых реагентов, веществ, обеспечи-

вающих продолжение реакции, с одной стороны, и выведением в

окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Нели-

нейные процессы в открытых системах исследуют на основе

уравнений химической кинетики: баланса скоростей химических

реакций в системе со скоростью подачи реагентов и отвода

продуктов реакции. Накопление в открытых системах активных

продуктов реакции или теплоты может привести к автоколеба-

тельному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого

необходимо, чтобы в системе реализовывалась обратная связь:

ускорение реакции под воздействием либо продукта (автоката-

лиз), либо теплоты, выделяющейся при реакции. В химической

открытой системе с положительной обратной связью возникают

незатухающие саморегулирующиеся химические реакции.

Внешне самоорганизация проявляется с появлением в жидкой

среде концентрических волн или в периодическом изменении

цвета. Особенно хорошо это видно в автоколебательных или

периодических реакциях, открытых Б. Белоусовым и исследо-

ванных А. Жаботинским. На экспериментальной основе перио-

дических реакций И.Р. Пригожин построил теоретическую мо-

дель, названную брюсселятором. Эта модель легла в основу

новой термодинамики – неравновесной, или нелинейной термо-

динамики. Под нелинейностью в термодинамике и в теории са-

моорганизации понимается то, что в них используются нелиней-

ные математические уравнения, содержащие переменные во

второй или выше степени. Линейные уравнения в условиях от-

крытых систем или в условиях интенсивных воздействий на сис-

темы оказываются неадекватными.

Открытие самоорганизации в простейших системах неорга-

нической природы, прежде всего в физике и химии, имеет огром-

ное значение, как научное, так и мировоззренческое. Оно пока-

зывает, что такие процессы могут происходить в основе мате-

рии, и тем самым проливает свет на взаимосвязь неорганиче-

ской и органической природы. Отсюда и возникновение жизни на

Земле не кажется теперь редким и случайным явлением. С по-

зиций самоорганизации становится ясным, что весь окружающий

нас мир и Вселенная представляют совокупность разнообразных

самоорганизующихся процессов, служащих основанием любой

эволюции.

Современная наука и синергетика объясняют процесс само-

организации систем следующим образом.

1. Система должна быть открытой. Закрытая система в со-

ответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге

прийти к состоянию с максимальной энтропией.