Хаос
Оглавление
1.Синергетика. Рождение порядка из хаоса. 2
2. Понятие энтропии. II начало в термодинамике. 5
3.Порядок и хаос. Стрела времени. 9
Понятие хаоса играло немаловажную роль на протяжении всей истории развития человеческой мысли. С хаосом связывались представления о гибельном беспорядке, о неразличимой пучине, зияющей бездне. Собственно, такое представление является наиболее распространенным и в обыденной жизни. Тем не менее, идея первичного хаоса, из которого потом все родилось, также достаточно распространена в древних мифах, в восточной философии, в учениях древних греков. И в ведийских «Ригведах», и в учении Платона мы встречаемся с мыслью о превращении изначального Хаоса в Космос, о возникновении из него «жизнедеятельного». Эти представления очень созвучны современному развитию естествознания. Начиная с семидесятых годов бурно развивается направление, называемое синергетикой, в фокусе внимания которого оказываются сложные системы с самоорганизующимися процессами, системы, в которых эволюция протекает от хаоса к порядку, от симметрии к всевозрастающей сложности.
1.Синергетика. Рождение порядка из хаоса.
Синергетика в переводе с греческого языка означает содружество, коллективное поведение. Термин этот был впервые введен Хакеном. Как новационное направление в науке синергетика возникла в первую очередь благодаря выдающимся достижениям в области неравновесной термодинамики, достигнутым И. Пригожиным. Им было показано, что в неравновесных открытых системах возможны эффекты, приводящие не к возрастанию энтропии и стремлению термодинамических систем к состоянию равновесного хаоса, а к «самопроизвольному» возникновению упорядоченных структур, к рождению порядка из хаоса.
Процессы, протекающие в различных явлениях природы, следует разделять на два класса. К первому классу относятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Они развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния в системах. Ко второму классу относятся процессы, проистекающие в открытых системах. В соответствующие моменты – моменты неустойчивости – в них могут возникать малые возмущения, флуктуации, способные разрастаться в макроструктуры. Таким образом, хаос и случайности в нем могут выступать в качестве активного начала, приводящего к развитию новых самоорганизаций. Таким образом, флуктуационная гипотеза Больцмана на современном витке развития науки получает в некотором смысле «оправдание» и «право на жизнь». Одним из важнейших результатов, полученных Пригожиным, его школой и последователями, является новый подход к анализу сложных явлений. Во-первых, самоорганизация в сложных системах свидетельствует о невозможности установления жесткого контроля за системой. То есть самоорганизующейся системе нельзя навязать путь развития. Управление такой системой может рассматриваться лишь как способствование собственным тенденциям развития системы с учетом присущих ей элементов саморегуляции. Во-вторых, для самоорганизующихся систем существует несколько различных путей развития. В равновесном или слаборавновесном состоянии в системе существует только одно стационарное состояние, которое зависит от некоторых управляющих параметров. Изменение этих управляющих параметров будет уводить систему из равновесного состояния. В конце концов вдали от равновесия система достигает некоторой критической точки, называемой точкой бифуркации. Начиная с этого момента на дальнейший ход эволюции системы могут оказывать воздействие даже ничтожно малые флуктуации, которые в равновесном состоянии системы попросту неразличимы. Поэтому невозможно точно предсказать, какой путь эволюции выберет система за порогом бифуркации.
Современная космология рассматривает в качестве одного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселенной, в рамках которого удается решить большинство космологических проблем, сценарий, включающий инфляционную стадию. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что расширение Вселенной и весь последующий ход ее эволюции рассматривается из состояния, когда вся материя была представлена только физическим вакуумом. Однако в физической теории «вакуум» уже давно перестал быть «пустотой», «ничем». Вакуум – это «Нечто», хотя и по имени «Ничто». ( Vacuum в переводе с латинского означает пустота). В вакууме ничего нет только в среднем. В действительности в нем постоянно происходят процессы рождения и уничтожения всевозможных частиц, квантов полей. Вакуум нашей Вселенной обладает вполне конкретными свойствами, определившими характер взаимодействий, специфику явлений, протекающих в нашем мире. Возможно, наша Вселенная – это лишь мини-Вселенная, обитаемый островок, на котором возникла жизнь нашего типа. Инфляция (от латинского слова inflatio) означает вздутие. Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной. При этом вакуум той эпохи Вселенной – «ложный вакуум». Он отличается от истинного вакуума (считается, что истинный вакуум – это состояние с наинизшей энергией) тем, что обладает огромной энергией. Квантовая природа наделяет «ложный» вакуум стремлением к гравитационному отталкиванию, обеспечивающему его раздувание. Этот «ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду. Эволюция Вселенной предстает в контексте инфляционной теории как синергетический самоорганизующийся процесс. Если встать на точку зрения модели Вселенной как замкнутой системы, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены в ней как взаимодействие двух открытых подсистем – физического вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов полей. Считается, что в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до Большого взрыва. Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки – точки бифуркации, в которых происходили нарушения симметрии исходного вакуума. В эти моменты энергия из вакуума перекачивалась в энергию тех частиц и полей, которые из вакуума же и рождались. Причем ход этой эволюции, выбор путей дальнейшего развития в моменты бифуркаций оказался таким, что в результате появилась жизнь нашего типа.
Космология, наука об эволюции Вселенной – очень молодая наука. Хотя космологические построения являлись сердцевиной многих учений, начиная с древности, все они являются предысторией научной космологии. Лишь создание общей теории относительности Эйнштейна в 1916 году открыло новую, строго научную эру развития этой дисциплины. Современный же этап ее истории свидетельствует о полном слиянии двух в прошлом различных отраслей знания – космологии и физики элементарных частиц – в одну науку. Так что рассматриваемые в космологии модели эволюции Вселенной, в том числе и инфляционная теория – не досужие домыслы фантазеров, а модели, которые еще должны прорабатываться, дополняться, но в рамках которых видится возможность для решения как известных космологических проблем, так и проблем физики элементарных частиц.
Следует отметить высокий темп появления идей и открытий при описании синергетических явлений во всех отраслях науки. Важное значение синергетики состоит в том, что она указывает границы применимости 2 начала термодинамики и, более того, делает это элементом более широкой теории необратимых процессов, в которой предполагается естественное описание с единой точки зрения обоих классов явлений природы.
2. Понятие энтропии. II начало в термодинамике.
Для идеальной машины Карно справедливо, что
(Q1 – Q2) /Q1 = (T1 – T2) / T1.
Отсюда получается равенство
Q1 /T1 = Q2 /T2 или Q1 /T1 – Q2 /T2 = 0.
Так как количество теплоты Q2 отдается холодильнику, его надо взять со знаком «минус». Следовательно, получаем выражение
Q1 /T1 + Q2 /T2 = 0.
Полученное выражение напоминает закон сохранения, а это, в свою очередь, не может не привлечь внимания к величине Q /T.
В 1865 году Клаузиус ввел новое понятие – «энтропия» (от греч. «поворот», «превращение»). Клаузиус посчитал, что существует некоторая величина S, которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Когда к газу подводится некоторое количество теплоты, то энтропия возрастает на величину, равную
S = Q /T.
В течение длительного времени ученые не делали различий между такими понятиями, как температура и теплота. Однако ряд явлений указывал на то, что эти понятия следует различать. Так, при таянии льда теплота расходуется, а температура льда не изменяется в процессе плавления. После введения Клаузиусом понятия энтропии стало понятно, где пролегает граница четкого различения таких понятий, как теплота и температура. Дело в том, что нельзя говорить о каком-то количестве теплоты, заключенном в теле. Это понятие не имеет смысла. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при трении, но при этом она не является сохраняющейся величиной. Поэтому теплота определяется в физике не как вид энергии, а как мера изменения энергии. В то же время введенная Клаузиусом энтропия оказалась величиной, сохраняющейся в обратимых процессах. Это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и конечным состояниями системы.
Если процесс обратимый, как в круговом цикле Карно, то
Q1 /T1 + Q2 /T2 = 0.
Из этого соотношения следует, что энтропия рабочего тела на первой стадии возрастает ровно настолько, насколько она уменьшается на третьей стадии. На второй и на четвертой стадиях энтропия рабочего тела не изменяется, так как процессы здесь протекают адиабатически, без теплообмена.
Страницы: 1, 2
