Порядок и беспорядок в природе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Порядок и беспорядок в природе

1. Динамические и статистические закономерности (теории) в познании природы

Терминологические определения порядка и хаоса мы привели в лекции №3 (3.4). Дадим на их основе определение беспорядку.

Беспорядок - состояние, промежуточное между порядком и хаосом, в котором развивается «склероз» в «запоминаемости» определенных конфигураций и (или) хаотизация согласованных (устойчивых) направленных движений, т.е. беспорядок обычно связывают с наличием направленных процессов, хотя и хаотического характера, от порядка к хаосу. Важно помнить о возможности направленных процессов от хаоса к порядку (упорядочивание, самоорганизация состояния, как системы).

При этом промежуточное состояние можно также характеризовать как беспорядок, но с направленным движением от хаоса к порядку.

Естественно, что порядок и беспорядок в природе предопределили динамические и статистические закономерности (теории) в познании природы.

Динамическими закономерностями (или теориями) называются закономерности (или теории), в которых однозначно связаны физические

(естественнонаучные) величины, выражаемые количественно.

Статистическими закономерностями (или теориями) называются закономерности (или теории), в которых однозначно связаны только вероятности определенных значений тех или иных физических (естественнонаучных) величин, связи между самими этими величинами неоднозначны.

Два способа описания природы ярко проявляются уже на макроуровне в общем естествознании. Стремление к порядку и детерминированному упорядочиванию классического состояния объектов обеспечило доминирование в классике фундаментальных теорий динамического характера. К их числу относятся классическая механика Ньютона, электродинамика Максвелла, механика сплошных сред, термодинамика, специальная и общая теории относительности.

Абсолютизация динамических закономерностей была характерной не только для физики, но и для других естественных наук и случайному, как объективной категории, не было места в классической стратегии естественнонаучного мышления.

Однако необратимость многих природных процессов и прежде всего тепловых процессов явно нарушила универсальный характер динамических закономерностей в природе.

Максвелл указал на принципиальное отличие механики отдельной частицы от механики большой совокупности частиц, подчеркнув, что большие системы характеризуются параметрами (давление, температура и др.), не применимыми к отдельной частице. Так он положил начало новой науке - статистической механике. На основе статистического подхода удалось совместить обратимость отдельных механических явлений (движений отдельных молекул) и необратимый характер движения их совокупности (рост энтропии в замкнутой системе).

В дальнейшем оказалось, что идеи хаоса характерны не только для тепловых явлений, а более фундаментальны. Планк, изучая хаотичность теплового излучения, связанную с дискретностью, нашел выход в введении кванта, который должен был примирить прежние и новые представления, но на самом деле сокрушил классическую физику. Интерес к невозможности однозначных предсказаний возник в связи с появлением принципиально иных статистических законов движения микрообъектов, составляющую квантовую механику.

При этом, как мы отмечали выше, квантовое микросостояние вводится не только для системы тождественных микрочастиц, но и для одной микрочастицы.

Именно квантовая физика придала статистическим закономерностям (теориям) особую эпистемологическую фундаментальность в неклассическом и постнеклассическом естествознании.

2. Основные характеристики (макропараметры) равновесного теплового макросостояния и его термодинамическое и статистическое описание

Квантовая физика, введя понятие микросостояния с включением в него как объекта (микрочастица или система микрочастиц), так и окружения, способствовала рассмотрению теплового равновесия как макросостояния.

Внешнее окружение макрообъектов в условиях теплового равновесия принято называть термостатом. Предполагается, что число частиц в термостате всегда на много порядков больше, чем число частиц в рассматриваемом макрообъекте, как, например, в озере по сравнению с брошенным в него камнем. В крайнем случае, в термостат можно включить мегасистемы и даже Вселенную, т.е. расширить макросостояние до мегасостояния. Обычно свойства термостата предполагаются неизменными и подробно не описываются.

Что касается макрообъекта, то его состояние задается совокупностью макропараметров. Некоторые из них относятся к характеристикам макрообъекта самого по себе. Это внутренняя энергия , число частиц , объем , масса и т.п. Такие характеристики называют экстенсивными, так как они в равной мере имеют смысл, как для микро, так и макрообъектов.

В то же время в тепловом равновесии на опыте встречаются макропараметры иного рода. Их называют интенсивными и они отличаются тем, что имеют смысл как для макрообъекта, так и термостата. Именно они задают условие теплового равновесия при определенных контактах между макрообъектом и термостатом (см. схему 36). Это температура , давление и химический потенциал .

Схема Условия теплового равновесия для определенных видов контактов между макрообъектом и термостатом

При этом очень часто выделяют тепловой (энергетический) контакт, в котором в отличие от механического контакта изменение энергии происходит на микроуровне без изменения объема макрообъекта, изменения массы вещества в целом и т.п. Такой контакт считают определяющим в равновесной термодинамике. А температуре придают универсальный смысл функции термодинамического макросостояния.

Напомним, что термодинамика (греч. therme - «тепло» и dynamic - «сила») - теория тепловых явлений, в которой макрообъект и термостат рассматривают без учета их атомно-молекулярного строения. В феноменологической термодинамике имеют дело только с макроскопическими величинами, что при условии пренебрежения флуктуациями температуры и энергии и делает термодинамику динамической теорией.

Напомним, что флуктуацией называется случайное отклонение системы от ее закономерного состояния, например, от равновесия, а также случайные отклонения измеряемых величин от их средних значений. Для наглядности представим основные законы (начала) равновесной термодинамики в схеме37.

Схема Основные начала равновесной термодинамики

Из нулевого начала термодинамики следуют важнейшие свойства температуры как характеристики макросостояния в тепловом равновесии, подтвержденные многочисленными опытами. Перечислим эти свойства температуры:

v понятие температуры имеет смысл для макрообъектов и к отдельным микрочастицам непосредственно не применимо;

v оно имеет четкий смысл только в тепловом равновесии и вблизи него;

v в тепловом равновесии макрообъекты различной физической природы, погруженные в один и тот же термостат, имеют одинаковую температуру;

Как следует из опыта, при тепловом равновесии между макропараметрами - характеристиками макрообъекта и его макросостоянием - устанавливаются устойчивые взаимосвязи. Они описываются уравнениями состояния. Простейший пример уравнение Клапейрона-Менделеева для модели идеального газа:

,

которому приписывается динамический характер.

При равновесных (обратимых) процессах энтропия не меняется и, следовательно, уравнения термодинамических процессов, в частности, изопроцессов, а также начала (законы) термодинамики представляют динамические закономерности, несмотря на статистический характер макропараметров и самого термодинамического макросостояния.

Первое начало термодинамики является универсальным законом сохранения энергии при равновесных тепловых процессах с указанием двух способов изменения внутренней энергии путем механической работы и теплообмена (теплопередачи энергии).

При этом возникает принципиальное различие двух способов изменения внутренней энергии на микроуровне. Механическая энергия изменяет энергию каждой микрочастицы и тем самым на ту же самую величину энергию каждой группы микрочастиц при неизменной численности групп, например, групп молекул газа. Теплообмен (теплопередача внутренней энергии) от одного макрообъекта другому связана с перераспределением микрочастиц по группам с фиксированной средней энергией, в частности, с увеличением средней численности групп молекул газа с высокой энергией.

Итак, передача энергии в форме работы - это приобретение упорядоченной, качественной энергии детерминированного движения.

Передача энергии в форме теплоты - это приобретение хаотической, некачественной энергии стохастического движения.

Указанное обстоятельство, как показывает опыт, непременно сказывается на возможности дальнейшего использования энергии макрообъекта и находит свое выражение еще в одном законе сохранения в равновесных макропроцессах. Величиной, сохраняющейся наряду с энергией в равновесных макропроцессах, является энтропия. Энтропия является важнейшим макропараметром, характеризующим макросостояние и не имеющим аналогов в механике.

Энтропия взаимосвязана с передачей энергии в форме теплоты. По определению Клаузиуса, энтропией называется такая физическая величина, приращение которой на равно количеству тепла , полученному системой, деленному на абсолютную температуру, .

Второе начало термодинамики указывает на необратимость тепловых процессов во всех изолированных (закрытых) системах, взаимосвязанную с принципом возрастания энтропии, т.е. меры приобретения хаотической, некачественной энергии стохастического движения.

Итак, все тепловые процессы в природе необратимы, т.е. задают в случае закрытых систем направленность («стрелу времени») от порядка к хаосу. Возникает парадокс: с одной стороны равновесное тепловое макросостояние описывается динамическими закономерностями (упорядоченными взаимосвязями) макропараметрами, а с другой стороны обладает высокой степенью хаотичности, что непроизвольно приводит и к статистическим законам равновесного теплового макросостояния, связанным с тем, что каждый макрообъект состоит из известных микрообъектов - атомов, молекул, электронов и атомных ядер.

Первым обратил на это внимание Л. Больцман, задав в 1872г. статистический смысл энтропии (см. схему 38).

Интересно, что и классическая модель хаоса - броуновское движение - так же характерна для равновесного теплового макросостояния. При этом в идеальном газе в роли броуновской частицы может выступать не только «инородный» макроскопический объект, но и любая молекула газа. В 1905 г. А. Эйнштейн и М. Смолуховский дали последовательное объяснение броуновского движения на основе молекулярно-кинетической теории.

Задачу же выражения макропараметров макросостояния через известные характеристики микрообъектов, решил в 1902 г., хотя и частично, знаменитый американский физик Дж. Гиббс, введя в основное термодинамическое равенство для изменения энергии свое распределение:

,

где - распределение Гиббса, имеющее смысл вероятности того, что микрочастица входит в состав групп с энергией в условиях теплового равновесия, характеризуемого температурой термостата . Интересно, что используя различные виды распределения Гиббса и понятие энтропии, можно вывести как классические, так и квантовые статистики.

Для наглядности представим статистические законы макросостояния в схеме 38.

Схема Статистические законы макросостояния и их физический смысл

3. Элементы неравновесной термодинамики диссипативных систем. Закономерности самоорганизации в природе

природа тепловой термодинамика диссипативный

Изучение реальных процессов, в частности, явлений переноса, потребовало создание линейной неравновесной термодинамики, а затем и термодинамики систем вдали от равновесия. В линейной неравновесной термодинамике исследованы и обобщены многие неравновесные процессы природы и, в первую очередь, диффузия, теплопроводность и т.п.

В этой теории отклонения от равновесия считаются малыми и соответствующие уравнения потоков: теплового, диффузионного, вязкого потока импульса, электрического тока и скорости химической реакции от градиентов (термодинамических сил) соответственно температуры, концентрации, скорости, разности потенциалов и химического сродства реакции, оказываются линейными. Однако и это приближение значительно ограничивает возможности адекватного термодинамического анализа многих природных макропроцессов.

Поэтому дальнейшее развитие термодинамики было направлено на построение теории необратимых процессов в условиях, далеких от равновесных, когда необходимо использовать нелинейные уравнения. При этом оформился принципиальный вывод о том, что неравновесные состояния и необратимые процессы могут быть источником упорядоченности. Это послужило отправной точкой для развития современной неравновесной термодинамики систем, находящихся вдали от состояния равновесия.

В природе существует множество примеров возникновения порядка в первоначально беспорядочно хаотических системах. Наиболее явственно и наглядно подобные явления демонстрирует живая природа. Однако и в неживой природе немало процессов, которые протекают в направлении от беспорядка к порядку. Например, образование высокосимметричной структуры снежинок из бесструктурного водяного пара, вихревые структуры воды при ускорении течения в области сужения русла, автоколебания (звуковые, электрические, оптические, в том числе лазерные). Естественно, процессы самоорганизации проявляются в рамках всех структурных уровней материи. Так, в мегамире они привели к образованию структур в виде звезд, туманностей, галактик и т.п.

Это обусловило объединение неравновесной термодинамики диссипативных структур И. Пригожина, нелинейной динамики и кооперативных явлений в одной междисциплинарной науке - синергетике. Синергетика - область научных исследований коллективного поведения частей сложных систем, связанных с неустойчивостями и касающихся процессов самоорганизации. Синергетика является теорией самоорганизации систем различной природы.

Сам термин синергетика предложен немецким математиком Г. Хакеном (1973) и по его предложению обозначает «коллективное действие» и акцентирует внимание на кооперативности взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого. Декларирует идею сотрудничества различных дисциплин (наук) в рамках совершающего в естествознании и в общем научном познании глобального коэволюционного синтеза.

В неравновесной термодинамике диссипативных структур особую роль сыграл принцип производства минимума энтропии Пригожина-Гленсдорфа, согласно которому в случае открытых систем возможно в принципе как возрастание, так и убывание и сохранение энтропии:

,

или = 0, или < 0, то есть взаимопроникновение порядка и хаоса. Условие означает усложнение и рост системы. Изменение энтропии при этом соответствует соотношению . Соотношение показывает, что энтропия, обусловленная необратимыми процессами внутри системы, выносится в окружающую среду. Диссипативная структура - одно из основных понятий теории структур И. Пригожина. Система в целом может быть неравновесной, но уже определенным образом упорядоченной, организованной, за счет диссипации (dissipation - разгонять, рассеивать свободную энергию) и потока внешней энергии. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными структурами. Неустойчивость и неравновесность определяют развитие систем, т.е. последние непрерывно флуктуируют. В особой точке бифуркации (критическое состояние) флуктуации достигают такой силы, что организация системы разрушается. Разрешением кризисной ситуации является быстрый переход диссипативной системы на новый более высокий уровень упорядоченности, который и получил название диссипативной структуры.

Эволюция большинства систем носит нелинейный характер, т.е. для такого типа систем всегда существует несколько возможных вариантов развития. Возникновение структур нарастающей сложности в рамках нелинейной динамики не случайность, а закономерность. Необратимость, неравновесность, неопределенность, случайность и нелинейность встроены в механизм эволюции. Окружающую среду в механизме эволюции не следует рассматривать просто как «термостат», имеет место совместная эволюция (коэволюция) системы и окружающей среды.

Литература

1. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания/ Ю.М. Наследников, А.Я Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев. Ростов н/Д: ДГТУ, 2008. 350 с. [Электронный ресурс №ГР 15393, 2010]. Режим доступа: http:// de.dstu.edu.ru//, с. 135-144.

2. Наследников Ю.М. Концепции современного естествознания6 учеб-метод. пособие./ Ю.М. Наследников, А.Я. Шполянский, А.П. Кудря, А.Г. Стибаев. - Ростов н/Д, 2007, с. 52-55, 87-88.

3. Суханов А.Д. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов/ А.Д. Суханов, О.Н. Голубева. М.: Дрофа, 2004, с. 183-202.

4. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. Интернет-тестирование базовых знаний: учебное пособие/ В.В. Горбачев. Н.П. Калашников, Н.М. Кожевников. СПб.: Издательство «Лань», 2010, с. 98-105, с. 113-122.

5. Кожевников Н.М. Концепции современного естествознания: Учебное пособие, 4-е изд., испр./ Н.М. Кожевников. СПб.: Издательство «Лань», 2009, с. 109-126.

Размещено на Allbest.ru