Самоорганизация материи (стр. 1 из 6)

Самоорганизация материи


Введение

Мир движется к хаосу. Уровень энтропии (неопределенности) в нашей вселенной повышается с каждым мгновением. Вселенная движется к тепловой смерти. Бумаги, наваленные на столе, мусор на городских свалках, объедки продуктов питания, высохшие цветы в вазе, процесс коррозии и разрушения горных пород, смерть живых существ, процесс забывания - вот безрадостные примеры разрушения и деградации.

Но, несмотря на печальную картину, этому процессу противостоят другие процессы самоорганизации.

Узоры на замерзшем стекле представляют собой, несомненно, упорядоченную структуру рядом с хаотично движущимся горячим и влажным воздухом. Кубические кристаллики соли на дне высохшей емкости, узоры снежинок, кирпичи в стенах и процесс смены дня и ночи - все это структуры.

Один любитель футбола без особых усилий найдет себе партнеров для игры. (Чем это не организация?) Если на улицу выйдет один гитарист, то около него будут останавливаться слушатели. Люди будут кидать музыканту пятаки.

Экономист скажет, что гитарист обнаружил общественную потребность и удовлетворил ее. Но гитарист ничего не искал. Не составлял бизнес планов, не убеждал банкиров и инвесторов расстаться с миллионом. А люди вокруг него структурировались и отдали часть своих ресурсов (денег). Не фокус ли это, не чудо ли? А может быть это закон самоорганизации материи? Ничего не искали миллиарды свободных художников и изобретателей, которые делали, а не рассуждали о том, стоит ли делать. Они работали и между делом создавали шедевры.

Появление теории самоорганизации в современном естествознании инициировано, видимо, подготовкой глобального эволюционного синтеза всех естественнонаучных дисциплин. Эту тенденцию в немалой степени сдерживало такое обстоятельство, как разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе. В классической науке XIX в. господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос). Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием равновесной термодинамики.Эта наука занимается изучением процессов взаимопревращения различных видов энергии. Ею установлено, что взаимное превращение тепла и работы неравнозначно. Работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность. Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: "Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему".Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), в принципе, не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности это никогда не происходит. Данную односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало термодинамики.Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие — "энтропия". Под энтропией стали понижать меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает.Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц.Это и есть наиболее простое состояние системы, или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.Общий вывод достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая рассеется, т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие или хаос. Если Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится.Возникает, правда, любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то, как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния. Но этим вопросом классическая термодинамика не задавалась, ибо формировалась в эпоху, когда нестационарный характер Вселенной не обсуждался. В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Налицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой природы.После замены модели стационарной Вселенной на развивающуюся в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов — от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до звездных и галактических систем, — несоответствие законов стало еще более явным. Ведь если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случайным "возмущением" в целом равновесной Вселенной их не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции.Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

1. Фридрих Энгельс о гипотезе тепловой смерти Вселенной

В письме Марксу от 21 марта 1869 года Фридрих Энгельс писал:

"Превращение сил природы, особенно превращение теплоты в механическую силу и т.д., послужило в Германии поводом для нелепейшей

теории, которая, впрочем, до известной степени неизбежно вытекает из старой Лапласовской гипотезы, но теперь доказывается, так сказать, математически, что мир становится все холоднее, что температура в пределах Вселенной все более выравнивается, и что в конце концов наступит момент, когда всякая жизнь станет невозможной, и весь мир будет состоять из замерзших, вращающихся один вокруг другого шаров. Я жду теперь, что попы ухватятся за эту теорию как за последнее слово материализма. Ничего глупее нельзя придумать. Так как, согласно этой теории, в существующем мире количество теплоты, которое должно превратиться в другие виды энергии, все более превышает количество других видов энергии, которые могут превратиться в теплоту, то естественно, что первоначальное горячее состояние, с которого начинается охлаждение, становится абсолютно необъяснимым и даже бессмысленным и предполагает поэтому существование бога. Первый толчок Ньютона превращается в первое нагревание. И все же теория эта считается тончайшим и высшим завершением материализма. А господа эти скорее сконструируют себе мир, который начинается нелепостью и нелепостью кончается, чем согласятся видеть в этих нелепых выводах доказательство того, что их так называемый закон природы известен им до сих пор лишь наполовину".

В письме можно выделить две части. Сначала Энгельс сообщает о "нелепейшей теории", излагает выводы из нее (то, что "доказывается, так сказать, математически") и дает оценку, по-видимому, и теории, и выводам: "Ничего глупее нельзя придумать".

Вторая часть письма содержит следующее рассуждение: так как согласно упомянутой теории "в существующем мире количество теплоты... все более превышает количество других видов энергии", то, утверждает Энгельс, "естественно", что первоначальное состояние "становится абсолютно необъяснимым" и предполагает существование бога, первого толчка. Из этих "нелепых выводов" Энгельс заключает, что некий "так называемый закон природы" известен естествоиспытателям лишь наполовину.

Хотя этот закон и не назван, из контекста следует, что это — либо утверждение "в существующем мире количество теплоты... все более превышает количество других видов энергии", либо утверждение, которое называли законом природы, из которого логически следует предыдущее утверждение. Несомненно также, что, по мнению Энгельса, появление нелепых выводов обусловлено ошибочностью "так называемого закона природы". Следовательно, для опровержения вывода о тепловой смерти Вселенной необходимо опровергнуть те ложные положения, из которых этот вывод следует — положение о преобладании во Вселенной перехода всех видов энергии в тепловую над обратными процессами либо так называемый закон природы, логическим следствием которого является это положение.

В тех опровержениях гипотезы тепловой смерти Вселенной, о которых сообщают учебники и энциклопедии, вопрос о протекании во Вселенной превращения всех видов энергии в тепловую не обсуждается; второе начало термодинамики — физический закон, "на основе абсолютизации"2 которого формулируется гипотеза тепловой смерти Вселенной, сомнению не подвергается. Таким образом, подходы к проблеме тепловой смерти Вселенной, представленные в учебниках, противоречат мнению Энгельса, высказанному им в письме Марксу. Не исключено, что вследствие этого философам прошлого века не удалось найти решение проблемы тепловой смерти Вселенной. Любопытно, что ссылки на данное письмо в литературе встречаются крайне редко, хотя на русском языке оно впервые было опубликовано в 1931 г. — в 24 т. первого издания сочинений Маркса и Энгельса.