Московский Государственный Университет Экономики, Статистики и Информатики
Реферат
по дисциплине: «Концепции современного естествознания»
на тему: «Концепции необратимости и термодинамика»
Выполнила: студентка группы ДМА-501
Митрофанова И.В.
Проверил: Цуркин А.П.
Москва 2009
Понятие времени в классической и термодинамике
Термодинамика впервые ввела в физику историю, а вместе с ней и возможность другого взгляда на время. Это была, так сказать, негативная история - история, творимая разрушительными процессами, необратимыми процессами деградации. Второе начало термодинамики в формулировке Р. Клаузиуса (1822 – 1888) утверждает, что неравновесные процессы в изолированной системе сопровождаются ростом энтропии, они приближают систему к состоянию равновесия, в котором энтропия максимальна.
Направление времени никак не учитывалось в механике. Как классической, так и квантовой (хотя в ней предсказания имеют лишь вероятностный характер). Время в них выступало в качестве особого параметра, знак которого можно менять на противоположный. Такое представление о времени противоречит как повседневной нашей практике, так и теоретическим воззрениям, установившемся в естественных науках (история, геология, палеонтология, биология и др.). Если классическая физика и особенно механика изучают обратимые процессы, то биологические, социальные и гуманитарные науки ясно показывают, что предметом их исследования служат процессы необратимые, изменяющиеся во времени и имеющие свою историю.
Наиболее резкое противоречие в прошлом веке возникло между прежней физикой и эволюционной теорией Дарвина. Если, например, в механике все процессы представляются обратимыми, лишенными своей истории и развития, то теория Дарвина убедительно доказала, что новые виды растений и животных возникают в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбе выживают те организмы, которые оказываются лучше приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе все процессы являются необратимыми. То же самое можно сказать в принципе и о социально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных системах, хотя эволюция в природе происходит значительно медленнее, чем в обществе.
Физика приближалась к разрешению указанного выше противоречия через пересмотр и создание ряда промежуточных концепций, одной из которых является идея об эволюции систем, но не в сторону усиления их организации и сложности, а, напротив, — в сторону дезорганизации и разрушения систем.
До возникновения термодинамики понятие времени по существу отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так и к прошлому.
Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Однако она не анализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул.
Концептуальная инновация, введенная термодинамикой, заключается в том, что она ввела в теоретическое описание необратимости, которой мы не находим ни в классической, ни даже в квантовой физике на уровне фундаментальных (основополагающих) законов. Хорошо известно что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы. Не менее известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот. Появление необратимости в физической теоретической картине мира вошло в конфликт с классической динамикой. Ведь для нее необратимость была лишь иллюзией, за которой теоретическая физика должна увидеть фундаментальные обратимые законы.
Конечно, устранение направленности времени из теоретического описания не означало грубого, непосредственного игнорирования темпоральности в мире. Оно находило свое выражение в стремлении выразить время через пространство, полностью погрузить его в геометрию, закрыв глаза на невыразимый в ней остаток. Это стремление стали называть геометризацией времени.
Начало этой тенденции положил основоположник современного естествознания Г.Галилей, когда начертил прямую ось как наглядный пространственный образ времени. Как показано выше, эта тенденция была развита и в классической, и в релятивистской физике. Такое направление развития соответствовало стилю мышления классической науки, убеждению, что за изменчивыми явлениями кажущейся сложной реальности стоят универсальные и вечные законы. Сложившийся статический взгляд на природу времени, который не замечал различия между прошлым и будущим, начал вызывать возражения с развитием термодинамики, а также эволюционных идей в других науках.
Найти в конкретном процессе причину асимметрии времени, показать, что направление времени является производным понятием “невременного” происхождения, оказалось очень заманчивой перспективой для многих ученых. Начало этому движению практически положил Л.Больцман (1844 – 1906). Л.Больцман полагал, что он нашел ключ к пониманию стрелы времени, что он доказал, что асимметрия времени определяется возрастанием энтропии изолированной системы, эволюционирующей от менее вероятных состояний к более вероятным со все большим молекулярным беспорядком. Концепция Больцмана встретилась с трудностями и породила дискуссию, которая не умолкла и сейчас. В 1872 году Больцман опубликовал Н – теорему, которая вместе с его же статистической интерпретацией второго начала термодинамики (т.е. закона о поведении энтропии в изолированных системах) была положена в основу теории необратимых процессов. Она породила острую дискуссию, связанную с ее принципиальной необратимостью, что не согласовывалось с обратимостью механики Ньютона – Гамильтона. Второе начало термодинамики говорит о том, что необратимые процессы приводят к асимметрии времени, к выделенности одного из направлений временного порядка, к направленности временного порядка: второе начало связывает направленность времени с возрастанием энтропии. Причем, направленность времени, связываемая со вторым началом, является фундаментальной, а не локальной. Она не может быть включена в схему симметричного динамического описания, как это можно сделать, например, с направленным временем в случае сверхслабого взаимодействия: распада К-ноль мезона.
Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в весьма своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции.
Очевидно, что такое понятие о времени и особенно об эволюции системы коренным образом отличается от понятия эволюции, которое лежало в основе теории Дарвина. В то время как в дарвиновской теории происхождения новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалось неразрешенным вплоть до 60-х гг. нашего века, пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию необратимых процессов.
Второй закон термодинамики сразу же приобрел огромную популярность, какой в те времена (1850 – 1865 годы) еще никогда не знала физика. В 1852 году У.Томсон выдвинул идею тепловой смерти Вселенной. К такому же выводу пришел и Р.Клаузиус. В своих работах Р. Клаузиус, выдвигал два постулата:
• энергия Вселенной всегда постоянна;
• энтропия Вселенной всегда возрастает.
Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все 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. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых и философов, но в середине прошлого века было еще мало научных аргументов для опровержения мнения Р. Клаузиуса и обоснования альтернативного взгляда. Некоторые авторы предполагали, что наряду с энтропийными процессами в природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению "тепловой смерти" во Вселенной. Другие высказывали сомнение в правомерности распространения понятий термодинамики, в частности энтропии, с отдельных систем на Вселенную в целом. Но только единицы догадывались, что само понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.
В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы являются именно открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой, которая также состоит из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. Информационный обмен осуществляется также в биологических системах, в частности при передаче генетической информации.