Другий початок термодинаміки: вічний двигун другого роду та теплова смерть Всесвіту. Термодинамічний парадокс «Теплова смерть Всесвіту Історія уявлень про теплову смерть всесвіту

Настав час розібратися з другим фундаментальним постулатом термодинаміки, який називається другий початок термодинаміки. Друге початок перестав бути доведеним у межах класичної термодинаміки. Його формулювання – результат узагальнення дослідів, спостережень та експериментів. Спробуємо розповісти про нього коротко та зрозуміло.

Минулої статті з термодинаміки ми говорили про термодинамічні системи, що складаються з великої кількості частинок. Для опису подібних систем використовуються так звані функції стану .

Термодинамічна функція стану (або термодинамічний потенціал) – це функція, яка залежить від кількох незалежних параметрів, що визначають стан системи. Щоб було зрозуміліше, наведемо приклад. Одна із функцій стану системи – це її внутрішня енергія. Вона не залежить від того, як саме система опинилася в даному стані

Ще одне поняття, з яким потрібно познайомитись – це ентропія . Для розуміння другого початку термодинаміки ентропія дуже важлива. А ще це гарне слово, яке багатьох ставить у ступор і яким можна блиснути в компанії.

У загальному випадку, ентропія – міра хаотичності деякої системи

Простий приклад : уявимо, що у вас є ящик зі шкарпетками. Якщо всі шкарпетки в ящику розкидані і валяються впереміш і по одному, ентропія такої системи є максимальною. А якщо шкарпетки зібрані по парах і лежать акуратно в рядок - мінімальна.

У термодинаміці, ентропія – це функція стану термодинамічної системи, що визначає міру незворотного розсіювання енергії. Що це означає? Це означає, що якась частина внутрішньої енергії системи не може перейти в механічну роботу, що здійснюється системою. Наприклад, процес перетворення теплоти на механічну роботу завжди супроводжується втратами, в результаті яких теплота трансформується в інші види енергії.

При незворотних термодинамічних процесах збільшується, а при оборотних залишається постійною. Математичний запис ентропії (S):

Тут дельта Q – кількість теплоти, підведена чи відведена від системи, T – температура системи, dS – зміна ентропії.

Існує кілька різних формулювань другого початку термодинаміки, і ось одне з них:

Ентропія замкнутої системи зростає за будь-яких незворотних процесів у цій системі

Оскільки нас цікавить саме розуміння суті речей, наведемо ще одне найпростіше визначення:

До речі, дане формулювання другого початку термодинаміки належить Рудольфу Клаузіусу, який і узвичаїв поняття ентропії .

І знову вічний двигун

Після розчарування з ідеєю вічного двигуна першого роду люди не думали здаватися. Через якийсь час було придумано вічний двигун другого роду, робота якого ґрунтувалася на передачі тепла і не суперечила закону збереження енергії. Такий двигун перетворює все тепло, отримане від навколишніх тіл, на роботу. Наприклад, як його реалізації передбачалося шляхом охолодження океану отримати величезну кількість теплоти. Але на щастя до охолодження океану і заморозки риб не дійшло, т.к. Ця ідея суперечить другому початку динаміки. ККД будь-якої машини не може бути дорівнює одиниці, також як тепло не може бути перетворено на роботу повністю. Тож скільки не намагайтеся, а вічний двигун другого роду створити неможливо, так само як і вічний двигун першого роду.

Теплова смерть Всесвіту

Після введення Рудольфом Клаузіусом поняття ентропії в 1865 виникло безліч суперечок, домислів і теорій, пов'язаних з цим поняттям. Одна з них – гіпотеза про теплової смерті Всесвіту, сформульована самим Клаузіусом на основі другого початку термодинаміки

Ця теорія, сформульована Клаузіусом, свідчить, що Всесвіт, як і будь-яка замкнута система, прагне стану термодинамічного рівноваги, що характеризується максимальною ентропією і повною відсутністю макроскопічних процесів, що у свою чергу знемислює звичне нам поняття часу. За Клаузіусом: « Енергія світу залишається незмінною. Ентропія світу прагнути максимуму» . Це означає, що коли Всесвіт прийде у стан термодинамічної рівноваги, всі процеси припиняться і світ поринути у стан «теплової смерті». Температура в будь-якій точці Всесвіту буде однією і тією ж, більше не буде будь-яких причин, здатних викликати виникнення будь-яких процесів.

Концепція теплової смерті всесвіту ще в недалекому минулому була досить поширена і була предметом активних дискусій. Так, у книзі Джинсу «Universe around us» (1932 р.) можна знайти наступні рядки щодо теплової смерті Всесвіту: «Всесвіт не може існувати вічно; рано чи пізно має настати час, коли її останній ерг енергії досягне найвищого ступеня на сходах падаючої корисності, і в цей момент активне життя Всесвіту буде припинитися».

При виведенні своєї теорії Клаузіус вдавався у своїх міркуваннях до наступних екстраполяцій (наближень):

1. Всесвіт сприймається як замкнута система.
2. Еволюція світу може бути описана як зміна його станів.

Цікавий факт : міркування про теплової смерті дозволили церкві заявити, що з наукового погляду (зокрема і завдяки теорії Клаузіуса) можна знайти передумови, що вказують існування бога. Так, у 1952 році на засіданні «папської академії наук» папа Пій 12-й у своїй промові сказав: «Закон ентропії, відкритий Рудольфом Клаузіусом, дав нам упевненість, що спонтанні природні процеси завжди пов'язані з деякою втратою вільної енергії, яка може бути використана. звідки випливає, що в замкнутій матеріальній системі, зрештою, ці процеси в макроскопічному масштабі колись припиняться. Ця сумна необхідність... красномовно свідчить про існування Необхідної Істоти».

Спростування теорії теплової смерті Всесвіту

Як зазначалося вище Клаузіусом, під час виведення його теорії застосовувалися певні екстраполяції. Сьогодні, незважаючи на деякі складнощі, можна з упевненістю сказати, що подібні висновки є антинауковими. Справа в тому, що існують певні межі застосування другого початку термодинаміки: нижня і верхня. Так, друге початок термодинаміки може бути застосовано для описи мікросистем, розміри яких можна порівняти з розмірами молекул, й у макросистем, які з нескінченного числа частинок, тобто. для Всесвіту загалом.

Власне першим ученим, який встановив статистичну природу другого початку термодинаміки та протиставив теорії теплової смерті Всесвіту так звану флуктуаційну гіпотезу, був видатний фізик-матеріаліст Больцман. Наявна формула Больцмана, що дозволяє дати статистичне тлумачення другому початку термодинаміки

Тут S – ентропія системи, k – стала Больцмана, P – термодинамічна ймовірність стану, визначальна кількість мікростанів системи, відповідних даному макростану. Згідно з формулою Больцмана,

Тобто термодинамічна ймовірність стану ізольованої системи при всіх процесах, що відбуваються в ній, не може зменшуватися. Проте т.к. для систем, що складаються з нескінченного числа частинок, всі стани будуть рівноймовірними, вищеописане співвідношення не застосовується до Всесвіту. У подібних системах мають місце значні флуктуації(Флуктуація - відхилення істинного значення деякої величини від її середнього значення), що є відхиленнями від другого початку термодинаміки. Згідно з Больцманом, стан термодинамічної рівноваги є лише найчастіше зустрічається і найбільш ймовірний; водночас у рівноважній системі можуть мимоволі виникнути як завгодно великі флуктуації. Тобто у Всесвіті, що перебуває у стані термодинамічної рівноваги, постійно виникають флуктуації, причому однією такою флуктуацією є та область простору, в якій ми перебуваємо.

Сучасний підхід безперечно відкидає теорію теплової смерті Всесвіту. З огляду на величезний вік Всесвіту і те що, що вона перебуває у стан теплової смерті, можна дійти невтішного висновку у тому, що у Всесвіті протікають процеси, що перешкоджають зростанню ентропії, тобто. процеси із негативною ентропією. Проте висновків Больцмана у тому, що у Всесвіті переважає стан термодинамічного рівноваги, дедалі більше суперечить зростаючий експериментальний матеріал астрономії. Матерія має ніколи не втрачається здатність до концентрації енергії і перетворення одних форм руху на інші. Так, наприклад, процес утворення з розсіяної матерії зірок підпорядковується певним закономірностям і не може бути зведений виключно до випадкових флуктуацій розподілу енергії у Всесвіті.

Дорогі друзі! Сьогодні ми по можливості з'ясували, який сенс має поняття ентропії для другого початку термодинаміки, дізналися, що вічний двигун другого роду неможливий, а також пораділи, що теплова смерть Всесвіту все-таки не станеться. Ми, як завжди, сподіваємося на те, що вам сподобалася наша стаття, в якій ми намагалися розповісти про термодинаміку просто, зрозуміло та цікаво. Бажаємо успіхів у навчанні та нагадуємо – підказати, допомогти, проконсультувати та взяти частину навантаження на себе завжди готові наші фахівці. Вчіться і живіть на втіху!

Навряд серед широких верств населення проводилися соціологічні опитування на тему: Чим вам цікаві знання про Всесвіт? Але дуже ймовірно, що більшість звичайних людей, які не займаються науковими дослідженнями, досягнення сучасних вчених у галузі вивчення Всесвіту хвилюють лише у зв'язку з однією проблемою - чи є наш Всесвіт кінцевим і якщо так, то коли чекати на всесвітню смерть? Однак подібні питання цікавлять не лише обивателів: ось уже майже півтора століття суперечки на цю тему ведуть і вчені, обговорюючи теорію про теплову смерть Всесвіту.

Зростання енергії веде до загибелі?

Насправді теорія про теплову смерть Всесвіту логічним чином випливає з термодинаміки і рано чи пізно мала бути висловленою. Але вона була висловлена ​​на ранньому етапі сучасної науки, у середині ХІХ століття. Суть її в тому, щоб згадати основні поняття і закономірності Всесвіту і застосувати їх до самого Всесвіту і до процесів, що відбуваються в ньому. Отже, з погляду класичної термодинаміки можна розглядати Всесвіт як замкнуту термодинамічну систему, тобто систему, яка обмінюється енергією коїться з іншими системами.

Немає підстав думати, міркують прихильники теорії теплової смерті, що Всесвіт може обмінюватися енергією з будь-якою зовнішньою по відношенню до неї системою, оскільки не існує доказів, що є ще щось, крім Всесвіту. Тоді до Всесвіту, як до будь-якої замкнутої термодинамічної системи, застосовується другий початок термодинаміки, що є одним із основних постулатів сучасного наукового світогляду. Друге початок термодинаміки свідчить, що замкнуті термодинамічні системи прагнуть найбільш можливого рівноважного стану, тобто до стану з максимальною ентропією. Що стосується Всесвіту це означає, що за відсутності «каналів виведення» енергії найімовірніший рівноважний стан, це стан перетворення всіх видів енергії на теплову. А це означає рівномірний розподіл теплової енергії по всій матерії, після чого всі відомі макроскопічні процеси у Всесвіті припиняться, Всесвіт начебто буде паралізований, що, зрозуміло, призведе до припинення життя.

Всесвіт не такий простий, щоб помирати тепловою смертю

Однак поширена думка про те, що всі вчені песимісти і схильні розглядати лише несприятливі варіанти, несправедливо. Щойно теорія теплової смерті Всесвіту було сформульовано, у науковому співтоваристві відразу почалися пошуки аргументів на її спростування. І аргументи були знайдені в велику кількість. Насамперед, і найпершим з них була думка, що Всесвіт не можна розглядати як систему, яка здатна перебувати в рівноважному стані постійно. Навіть з огляду на другий початок термодинаміки Всесвіт може загалом досягти рівноважного стану, але окремі її ділянки можуть відчувати флуктуації, тобто деякі викиди енергії. Ці флуктуації і не дають запуститися процесу перетворення всіх видів енергії на виключно теплову енергію.

Інша думка, що виступає проти теорії теплової смерті, вказує на таку обставину: якби другий початок термодинаміки дійсно був би застосовним до Всесвіту в абсолютній мірі, то теплова смерть уже давно настала б. Оскільки Всесвіт існує необмежену кількість часу, то енергії, що накопичилася в ній, вже мало вистачити для теплової смерті. Але якщо енергії ще недостатньо, значить, Всесвіт є нестабільною системою, що розвивається, тобто вона розширюється. Отже, у такому разі вона не може бути замкнутою термодинамічною системою, оскільки витрачає енергію на власний розвиток та розширення.

Зрештою, сучасна наука заперечує теорію теплової смерті Всесвіту з інших позицій. Насамперед це загальна теорія відносності , згідно з якою Всесвіт є системою, що знаходиться в змінному гравітаційному полі. З цього випливає, що вона нестабільна і закон зростання ентропії, тобто встановлення рівноважного стану Всесвіту неможливе. Зрештою, нинішні вчені сходяться в тому, що пізнання людства про Всесвіт недостатні для того, щоб однозначно стверджувати, що він є замкнутою термодинамічною системою, тобто не має жодних контактів із деякими зовнішніми системами. Тому остаточно підтвердити чи спростувати теорію теплової смерті Всесвіту поки що не можна.

Олександр Бабицький

(ЯКЩО КОГО-ТО З ЧИТАЧІВ ЗАцікавить ЦЕЙ ТЕКСТ, А ТАБЛИЦЬ І ФОРМУЛ НЕ ВИСТАЧАТЬ - ПИШИТЕ МЕНІ НА ПОШТУ - ВИШЛЮ РОБОТУ В ЦІЛОМУ З СПІЛКАМИ, МАЛЮНКАМИ І ТАБЛИЦЯМИ)
Вступ
Теплова смерть Всесвіту (Т.С.В.) - це висновок про те, що всі види енергії у Всесвіті зрештою повинні перейти в енергію теплового руху, яка рівномірно розподілиться по речовині Всесвіту, після чого в ній припиняться всі макроскопічні процеси.
Цей висновок був сформульований Р. Клаузіус (1865) на основі другого початку термодинаміки. Відповідно до другого початку, будь-яка фізична система, що не обмінюється енергією з іншими системами (для Всесвіту в цілому такий обмін, очевидно, виключений), прагне найбільш ймовірного рівноважного стану - так званого стану з максимумом ентропії.
Такий стан відповідав би Т.С.В. Ще до створення сучасної космології було зроблено численні спроби спростувати висновок про Т.С.В. Найбільш відома з них флуктуаційна гіпотеза Л. Больцмана (1872), згідно з якою Всесвіт споконвічно перебуває в рівноважному ізотермічному стані, але за законом випадку то в одному, то в іншому місці іноді відбуваються відхилення від цього стану; вони відбуваються тим рідше, чим більшу область захоплюють і чим більший ступінь відхилення.
Сучасною космологією встановлено, що хибний як висновок про Т.С.В., а й помилкові і ранні спроби його спростування. Пов'язано це з тим, що не бралися до уваги суттєві фізичні фактори і насамперед тяжіння. З урахуванням тяжіння однорідний ізотермічний розподіл речовини не є найбільш ймовірним і відповідає максимуму ентропії.
Спостереження показують, що Всесвіт різко нестаціонарний. Вона розширюється, і майже однорідне на початку розширення речовина надалі під впливом сил тяжіння розпадається окремі об'єкти, утворюються скупчення галактик, галактики, зірки, планети. Всі ці процеси природні, йдуть зі зростанням ентропії та не вимагають порушення законів термодинаміки. Вони й у майбутньому з урахуванням тяжіння не призведуть до однорідного ізотермічного стану Всесвіту - до Т.С.В. Всесвіт завжди нестатичний і безперервно еволюціонує.
Термодинамічний парадокс у космології, сформульований у другій половині ХIХ століття, безперервно розбурхує з того часу наукова спільнота. Справа в тому, що він торкнувся найбільш глибинних структур наукової картини світу. Хоча численні спроби розв'язання цього феномена приводили завжди до приватних успіхів, вони породжували нові, нетривіальні фізичні ідеї, моделі, теорії. Термодинамічний феномен виступає невичерпним джерелом нових наукових знань. Разом з тим, його становлення в науці виявилося обплутаним безліччю упереджень і неправильних інтерпретацій.
Необхідний новий погляд на цю, здавалося б, досить добре вивчену проблему, яка набуває нетрадиційного змісту в пізньокласичній науці.
1. Ідея Теплової смерті Всесвіту
1.1 Поява ідеї Т.С.В.
Загроза теплової смерті Всесвіту, як ми вже говорили раніше, була висловлена ​​в середині ХIХ ст. Томсоном і Клаузіусом, коли сформульовано закон зростання ентропії в незворотних процесах. Теплова смерть - це такий стан речовини та енергії у Всесвіті, коли зникли градієнти параметрів, що їх характеризують».
Розвиток принципу незворотності, принципу зростання ентропії полягало у поширенні цього принципу на Всесвіт загалом, що було зроблено Клаузіусом.
Отже, згідно з другим початком всі фізичні процеси протікають у напрямку передачі тепла від гарячих тіл до менш гарячих, а це означає, що повільно, але правильно йде процес вирівнювання температури у Всесвіті. Отже, у майбутньому очікується зникнення температурних відмінностей та перетворення всієї світової енергії на теплову, рівномірно розподілену у Всесвіті. Висновок Клаузіуса був таким:
1. Енергія світу постійна
2. Ентропія світу прагне максимуму.
Таким чином, теплова смерть Всесвіту означає повне припинення всіх фізичних процесів внаслідок переходу Всесвіту до рівноважного стану з максимальною ентропією.
Больцман, який відкрив зв'язок ентропії S і статистичної ваги P, вважав, що нинішній неоднорідний стан Всесвіту є грандіозна флуктуація*, хоча її виникнення має мізерну ймовірність. Сучасники Больцмана не визнавали його поглядів, що призвело до жорстокої критики його робіт і, мабуть, призвело до хворобливого стану та самогубства Больцмана в 1906 році.
Звернувшись до вихідних формулювань ідеї теплової смерті Всесвіту, можна побачити, що вони далеко не у всьому відповідають їх добре відомим інтерпретаціям, крізь призму яких ці формулювання нами зазвичай сприймаються. Прийнято говорити про теорію теплової смерті або термодинамічний парадокс В. Томсона та Р. Клаузіуса.
Але, по-перше, відповідні думки цих авторів далеко не в усьому збігаються, по-друге, у наведених нижче висловлюваннях ні теорії, ні парадоксу немає.
В. Томсон, аналізуючи загальну тенденцію до розсіювання, що виявляється в природі. механічної енергії, не поширював її на світ як ціле. Він екстраполював принцип зростання ентропії лише на протікають у природі великомасштабні процеси.
Навпаки, Клаузіус запропонував екстраполяцію цього принципу саме на Всесвіт як ціле, яке виступало для нього всеосяжною фізичною системою. За словами Клаузіуса «загальний стан Всесвіту має дедалі більше змінюватися» у напрямі, що визначається принципом зростання ентропії і, отже, цей стан має безперервно наближатися до деякого граничного стану Флуктуації та проблема фізичних кордонів 2-го Початку термодинаміки. Мабуть, уперше термодинамічний аспект у космології окреслив ще Ньютон. Саме він помітив ефект «тертя» у годинниковому механізмі Всесвіту – тенденцію, яку у середині ХІХ ст. назвали зростанням ентропії. У дусі свого часу Ньютон закликав на допомогу Господа Бога. Він і був приставлений сером Ісааком до стеження за підзаводом і ремонтом цього «годинника».
У рамках космології термодинамічний феномен був усвідомлений у середині ХІХ ст. Дискусія про парадокс породила низку блискучих ідейширокого наукового значення («шредінгерове» пояснення Л. Больцманом «антіентропійності» життя; введення ним флуктуацій у термодинаміку, фундаментальні наслідки чого у фізиці не вичерпані досі; його ж грандіозна космологічна флуктуаційна гіпотеза, за концептуальні рамки якої » Всесвіту так ще й не вийшло, глибоке й новаторське, проте історично обмежене флуктуаційне трактування Другого Початку.
1.2 Погляд на Т.С.В. з ХХ століття
Сучасний стан науки також не узгоджується з припущенням про теплову смерть Всесвіту.
Насамперед, цей висновок має відношення до ізольованої системи і не ясно, чому Всесвіт можна відносити до таких систем.
У Всесвіті діє поле тяжіння, яке не бралося Больцманом до уваги, а воно відповідальне за появу Зірок і Галактик: сили тяжіння можуть призвести до утворення структури з хаосу, можуть породити Зірки з Космічного пилу.
Цікавим є подальший розвиток термодинаміки і з нею на ідею про Т.С.В.. Протягом XIX століття були сформульовані основні положення (початки) термодинаміки ізольованих систем. У першій половині XX століття термодинаміка розвивалася переважно не вглиб, а вшир, виникали різні її розділи: технічна, хімічна, фізична, біологічна і т. д. термодинаміки. Лише у сорокових роках з'явилися роботи з термодинаміки відкритих систем поблизу точки рівноваги, а у вісімдесятих роках виникла синергетика. Останню можна трактувати як термодинаміку відкритих систем далеко від точки рівноваги.
Отже, сучасне природознавство відкидає концепцію «теплової смерті» стосовно Всесвіту загалом. Справа в тому, що Клаузіус вдався у своїх міркуваннях до наступних екстраполяцій:
1. Всесвіт розглядається як замкнута система.
2.Еволюція світу може бути описана як зміна його станів.
Для світу як цілого стану з максимальною ентропією це має сенс як і для будь-якої кінцевої системи.
Але сама собою правомочність цих екстраполяцій дуже сумнівна, хоча пов'язані з нею проблеми становлять труднощі й у сучасної фізичної науки.
2. Закон зростання ентропії
2.1 Виведення закону зростання ентропії
Застосуємо нерівність Клаузіуса для опису незворотного кругового термодинамічного процесу, зображеного на рис.
Рис. 1.
Необоротний круговий термодинамічний процес
Нехай процес буде незворотним, а процес – оборотним. Тоді нерівність Клаузіуса для цього випадку набуде вигляду(1)
Так як процес є оборотним, для нього можна скористатися співвідношенням, яке дає
Підстановка цієї формули в нерівність (1) дозволяє отримати вираз (2)
Порівняння виразів (1) і (2) дозволяє записати таку нерівність(3), у якій знак рівності має місце у разі, якщо процес є оборотним, а знак більший, якщо процес - незворотний.
Нерівність (3) може бути записана і в диференціальній формі(4)
Якщо розглянути адіабатично ізольовану термодинамічну систему, для якої, то вираз (4) набуде вигляду або в інтегральній формі.
Отримані нерівності виражають собою закон зростання ентропії, який можна сформулювати так:
2.2 Можливість ентропії у Всесвіті
В адіабтично ізольованій термодинамічній системі ентропія не може зменшуватися: вона або зберігається, якщо в системі відбуваються лише оборотні процеси, або зростає, якщо в системі протікає хоча б один необоротний процес.
Записане твердження є ще одним формулюванням другого початку термодинаміки.
Таким чином, ізольована термодинамічна система прагне максимального значення ентропії, при якому настає стан термодинамічної рівноваги.
Слід зазначити, що й система не є ізольованою, то ній можливе зменшення ентропії. Прикладом такої системи може бути, наприклад, звичайний холодильник, всередині якого можливе зменшення ентропії. Для таких відкритих систем це локальне зниження ентропії завжди компенсується зростанням ентропії у навколишньому середовищі, яке перевищує локальне її зменшення.
З законом зростання ентропії безпосередньо пов'язаний парадокс, сформульований в 1852 Томсоном (лордом Кельвіном) і названий ним гіпотезою теплової смерті Всесвіту. Детальний аналіз цієї гіпотези був виконаний Клаузіусом, який вважав правомірним поширення на весь Всесвіт закону зростання ентропії. Дійсно, якщо розглянути Всесвіт як адіабатично ізольовану термодинамічну систему, то, враховуючи її нескінченний вік, на підставі закону зростання ентропії можна зробити висновок про досягнення нею максимуму ентропії, тобто стану термодинамічної рівноваги. Але реально навколишнього нас Всесвіту цього немає.
3. Теплова смерть Всесвіту у науковій картині Світу
3.1 Термодинамічний феномен
Термодинамічний парадокс у космології, сформульований у другій половині ХIХ століття, безперервно розбурхує з того часу наукова спільнота. Справа в тому, що він торкнувся найбільш глибинних структур наукової картини світу.
Хоча численні спроби розв'язання цього феномена приводили завжди до приватних успіхів, вони породжували нові, нетривіальні фізичні ідеї, моделі, теорії. Термодинамічний феномен виступає невичерпним джерелом нових наукових знань. Разом з тим, його становлення в науці виявилося обплутаним безліччю упереджень і неправильних інтерпретацій. Необхідний новий погляд на цю, здавалося б, досить добре вивчену проблему, яка набуває нетрадиційного змісту в постнекласичній науці.
Постнекласична наука, насамперед, теорія самоорганізації, проблему спрямованості термодинамічних процесів у природі вирішує суттєво інакше, ніж наука класична чи некласична; це знаходить вираження у сучасній науковій картині світу (НКМ).
Як же насправді виник термодинамічний феномен у космології? Неважко переконатися, що він був фактично сформульований опонентами Томсона та Клаузіуса, які побачили протиріччя між ідеєю теплової смерті Всесвіту та корінними положеннями матеріалізму про нескінченність світу у просторі та часі. Формулювання термодинамічного феномена, які ми зустрічаємо у різних авторів, на диво схожі, майже повністю збігаються. «Якби вчення про ентропію було правильним, то передбачуваному їм «кінцю» світу мало б відповідати і «початок», мінімум ентропії», коли температурна відмінність між відокремленими частинами Всесвіту була б найбільшою.
У чому полягає епістемологічна природа аналізованого феномена? Усі цитовані автори, по суті, приписують йому філософсько-світоглядний характер. Але фактично тут поєднуються два рівні знання, які з нашої сучасної точки зору слід розрізняти. Вихідним було виникнення термодинамічного феномена лише на рівні НКМ, у якому Клаузіус і здійснював свою екстраполяцію зростання принципу ентропії на Всесвіт. Парадокс виступав як протиріччя між висновком Клаузіуса та принципом нескінченності світу в часі, згідно з космологією Ньютона. На тому ж рівні знання виникли й інші космологічні парадокси – фотометричний та гравітаційний, причому їхня епістемологічна природа була дуже подібною.
«Справді, теплова смерть Всесвіту, навіть якби вона сталася в якомусь віддаленому майбутньому, хай навіть через мільярди чи десятки мільярдів років, все одно обмежує «шкалу часу» людського прогресу» .
3.2 Термодинамічний парадокс у релятивістських космологічних моделях
Новий етап аналізу термодинамічного феномена у космології пов'язані з некласичної наукою. Він охоплює 30 – 60-ті роки сучасності. Найбільш специфічна його характеристика – перехід до розробки термодинаміки Всесвіту в концептуальних рамках теорії А.А. Фрідман. Обговорювалися як модернізовані варіанти принципу Клаузіуса, і нова модель Толмена, у якій можлива незворотна еволюція Всесвіту без досягнення максимуму ентропії. Модель Толмена зрештою отримала перевагу у визнанні наукової спільноти, хоч і не дає відповіді на деякі «важкі» питання. Але паралельно розвивався також квазікласичний «антіентропійний підхід», єдина мета якого полягала в тому, щоб за будь-яку ціну спростувати принцип Клаузіуса, а вихідною абстракцією був образ нескінченної і «вічно юної», як висловлювався Ціолковський, Всесвіт. На основі цього підходу було розроблено низку, так би мовити, «гібридних» схем та моделей, для яких було характерно досить штучне поєднання не лише старих та нових ідей у ​​галузі термодинаміки Всесвіту, але також основ класичної та некласичної науки.
«У 30 – 40-х роках найбільшим впливом серед прихильників релятивістської космології продовжувала користуватися ідея теплової смерті Всесвіту. Енергійними прихильниками принципу Клаузіуса виступали, наприклад, А. Еддінгтон та Дж. Джинс, які неодноразово висловлювалися з приводу як фізичного сенсу цієї проблеми, так і її «людського виміру». Висновок Клаузіуса був ними трансльований у некласичну картину світу і в деяких відносинах адаптований до неї».
Змінився насамперед об'єкт екстраполяції – Всесвіт як ціле.
Великий резонанс (і багаторазове цитування) викликала у 50-ті роки зараз майже забута дискусія щодо проблем термодинаміки Всесвіту між К.П. Станюковичем та І.Р. Плоткіним. Обидві розглядають статистико-термодинамические властивості моделі Всесвіту, подібної до Всесвіту Больцмана, тобто. збігаються щодо досліджуваного об'єкта. Крім того, обидва вважали, що проблеми термодинаміки Всесвіту можуть аналізуватись і незалежно від ОТО, який не вклав у закон зростання ентропії нового змісту.
Але поряд із викладеними спробами „подолання” гіпотези Больцмана розроблялися й модернізовані варіанти цієї гіпотези. Найбільш відомий їх належить Я.П. Терлецькому.
Гібридні схеми» та моделі рішення термодинамічного парадоксу в космології викликали у 50-ті – 60-ті роки досить значний інтерес – переважно у нашій країні. Вони обговорювалися на одній із нарад з питань космогонії (Москва, 1957 р.), на симпозіумах з філософських проблем теорії відносності Ейнштейна та релятивістської космології (Київ, 1964, 1966 рр.) та ін., але надалі посилання на них ставали дедалі більшими рідкісні. Це сталося чималою мірою завдяки зрушенням у вирішенні цього кола проблем, досягнутим релятивістською космологією та нелінійною термодинамікою.
3.3 Термодинамічний парадокс у космології та постнекласична картина світу
Якісно нові риси почала набувати розробка проблеми термодинаміки Всесвіту протягом 80-х. Поряд із дослідженням Всесвіту в рамках некласичних основ у цій галузі зараз розвивається і підхід, який відповідає ознакам «піснекласичної» науки.
Наприклад, синергетика, зокрема, теорія диссипативних структур дозволяє глибше, ніж було можливо в некласичній науці, зрозуміти специфіку нашого Всесвіту як системи, що самоорганізується, саморозвивається.
Постнекласична наука дозволяє внести низку нових моментів у аналіз проблем термодинаміки Всесвіту як цілого. Але це питання обговорювалося поки що лише у найзагальніших рисах. Постнекласична наука дозволяє внести низку нових моментів у аналіз проблем термодинаміки Всесвіту як цілого. Але це питання обговорювалося поки що лише у найзагальніших рисах.
Основну мету підходу, заснованого на статистичній теорії нерівноважних процесів, І. Пригожин висловив так: «...ми відходимо від замкнутого Всесвіту, в якому все задано, до нового Всесвіту, відкритого флуктуацій, здатного народжувати нове». Спробуємо зрозуміти це висловлювання у тих аналізу тих космологічних альтернатив, які було висунуто М.П. бронштейном.
1.Теорія І. Пригожина у поєднанні з сучасним розвиткомкосмології, мабуть, сумісна швидше з розумінням Всесвіту, як термодинамічно відкритої нерівноважної системи, що виникла внаслідок гігантської флуктуації фізичного вакууму. Таким чином, у цьому плані постнекласична наука відходить від традиційної точки зору, що розділялася і М.П. бронштейном. Крім того, при аналізі поведінки Всесвіту як цілого в сучасній науці слід, мабуть, відкинути те, що Пригожин назвав «дороговим міфом класичної науки» – принцип «необмеженої передбачуваності» майбутнього. Для нелінійних диссипативних структур це з необхідністю обліку «обмежень», зумовлених нашим впливом на природу».
Наші знання про термодинаміку Всесвіту як цілого, засновані на екстраполяції статистичної теорії нерівноважних систем, також не можуть ігнорувати прямий чи опосередкований облік ролі спостерігача.
2.Теорія І. Пригожина зовсім по-новому ставить проблему законів та початкових умов у космології, знімає протиріччя між динамікою та термодинамікою. З погляду цієї теорії виявляється, що Всесвіт, як і М.П. Бронштейн може підкорятися законам, асиметричним стосовно минулого і майбутнього – що анітрохи не суперечить фундаментальності принципу зростання ентропії, його космологічної екстраполюваності.
3.Теорія Пригожина – у високій відповідності до сучасної космологією – по-новому оцінює роль і можливість макроскопічних флуктуацій у Всесвіті, хоча колишній механізм цих флуктуацій з сучасної погляду інший, ніж у Больцмана. Флуктуації перестають бути винятковим, стають цілком об'єктивним проявом спонтанного виникнення нового у Всесвіті.
Таким чином, теорія Пригожина дозволяє досить невимушено відповісти на питання, яке вже майже півтора століття розколює наукову спільноту і так займав свого часу К.Е. Ціолковського: чому – всупереч принципу Клаузіуса – усюди у Всесвіті ми спостерігаємо не процеси монотонної деградації, а навпаки, процеси становлення, виникнення нових структур. Перехід від «фізики існуючого» до «фізики виникає» відбувся багато в чому за рахунок синтезу уявлень, що здавалися взаємовиключними в попередніх концептуальних рамках.
Ідеї ​​Пригожина, які ведуть перегляду низки фундаментальних уявлень, як і принципово нове у науці, зустрічають неоднозначне ставлення себе – насамперед серед фізиків. З одного боку, зростає кількість їх прихильників, з іншого – йдеться про недостатню коректність та обґрунтованість висновків Пригожина з погляду ідеалу розвиненої фізичної теорії. Самі ці ідеї інтерпретуються іноді зовсім однозначно; зокрема, деякі автори наголошують, що у процесі самоорганізації ентропія системи може зменшуватися. Якщо така думка правильна – вона означає, що вдалося нарешті сформулювати ті вкрай специфічні умови, про які писав К.Е. Ціолковський, обговорюючи можливості існування у природі антиентропійних процесів.
Але ідеї російського космізму, зокрема і космічної філософії К.Э. Ціолковського, присвячені цим проблемам, знаходять і більш безпосередню розробку постнекласичної науці.
Наприклад, Н.М. Моїсеєв зазначає, що в ході еволюції Всесвіту відбувається безперервне ускладнення організації структурних рівнів природи, причому цей процес має явно спрямований характер. Природою хіба що запасено певний набір потенційно можливих (тобто допустимих у межах її законів) типів організації та з розгортання єдиного світового процесу у ньому виявляється «задіяним» дедалі більше цих структур. Розум і розумна діяльність мають бути включені до загального синтетичного аналізу процесів еволюції Всесвіту.
Розробка ідей самоорганізації, зокрема, пригожинської теорії диссипативних структур, пов'язана з переглядом концептуальних основ термодинаміки, стимулювала подальше дослідження цього рівня знання. Статистична термодинаміка, розвинена ще в класичній фізиці, містить низку незавершеностей і неясностей, окремих дивно-парадоксів – незважаючи на те, що з фактами у неї начебто «все в порядку». Але, згідно з дослідженнями Ф.А. Цицина, навіть у такій сфері наукового пошуку, що явно пройшла «перевірку часом», криється чимало несподіванок.
Зіставлення характерних параметрів флуктуацій, запроваджених ще Л. Больцманом та М. Смолуховським, доводить суттєву неповноту «загальноприйнятої» статистичної інтерпретації термодинаміки. Як не дивно, ця теорія побудована у зневазі до флуктуацій! Звідси випливає, що потрібно її уточнення, тобто. побудова теорії «наступного наближення».
Більш послідовний облік флуктуаційних ефектів змушує визнати фізично нетотожними поняття «статистичної» та «термодинамічної» рівноваги. Виявляється, далі, справедливим висновок, що у повному протиріччі із «загальноприйнятим»: функціональна зв'язок між зростанням ентропії і прагненням системи до ймовірнішого стану відсутня. Не виключені й такі процеси, у яких перехід систем у більш ймовірний стан може супроводжуватись зменшенням ентропії! Врахування флуктуацій у проблемах термодинаміки Всесвіту може призвести, тим самим, до виявлення фізичних меж принципу зростання ентропії. Але Ф.А. Ціцин не обмежується у своїх висновках основами класичної та некласичної науки. Він висловлює припущення, що принцип зростання ентропії не застосовується до деяких типів суттєво нелінійних систем. Не виключена помітна «концентрація флуктуацій» у біоструктурах. Можливо навіть, що подібні ефекти вже давно фіксуються в біофізиці, але їх не усвідомлюють чи неправильно інтерпретують саме тому, що вважають «принципово неможливими». Подібні явища можуть бути відомі іншим космічним цивілізаціям та ефективно використовуватися ними, зокрема у процесах космічної експансії.
Висновок
Отже, ми можемо відзначити, що у постнекласичної науці було сформульовано принципово нові підходи до аналізу принципу Клаузіуса та усунення термодинамічного феномена у космології. Найбільш значні перспективи, яких очікується від космологічної екстраполяції теорії самоорганізації, розвиненої з урахуванням ідей російського космізму.
Необоротні процеси в різко нерівноважних, нелінійних системах дозволяють, мабуть, уникнути теплової смерті Всесвіту, оскільки він виявляється відкритою системою. Продовжуються і пошуки теоретичних схем «антіентропійних» процесів, що безпосередньо передбачаються науковою картиною світу, заснованої на космічній філософії К.Е. Ціолковського; щоправда, такий підхід розділяється лише небагатьма натуралістами. Крізь всю новизну постнекласичних підходів до аналізу проблем термодинаміки Всесвіту «просвічують», однак, ті ж «теми», які сформувалися ще в другій половині ХІХ століття і породжені парадоксом Клаузіуса і дискусіями навколо нього.
Ми бачимо таким чином, що принцип Клаузіуса досі є майже невичерпним джерелом нових ідей у ​​комплексі фізичних наук. Проте, незважаючи на появу нових моделей і схем, в яких теплова смерть відсутня, жодного «остаточного» дозволу термодинамічного парадоксу досі не досягнуто. Усі спроби розрубати «гордіїв вузол» проблем, пов'язаних із принципом Клаузіуса, незмінно призводили лише до часткових, аж ніяк не суворих і не остаточних висновків, як правило, досить абстрактних. Неясності, що містилися в них, породжували все нові проблеми і поки немає особливої ​​надії, що успіху вдасться досягти в найближчому майбутньому.
Взагалі кажучи, це цілком звичайний механізм розвитку наукового пізнання, тим більше, що мова йдепро одну із найбільш фундаментальних проблем. Але ж далеко не всякий принцип науки, як і взагалі не будь-який фрагмент НКМ, є настільки евристичним, яким є принцип Клаузіуса. Можна назвати кілька причин, які пояснюють, з одного боку, евристичність цього принципу, який досі не викликає нічого, крім роздратування, у догматиків – байдуже, дослідників природи або філософів, з іншого – невдачі його критиків.
Перше – складності будь-яких протистоять цьому принципу «ігор з нескінченністю», які б не були їхні концептуальні підстави.
Друга причина - використання неадекватного сенсу терміна "Всесвіт як ціле" - все ще зазвичай розуміється у значенні "всього існуючого" або "тотальності всіх речей". Невизначеність цього терміну, що цілком відповідає неясностям вживання неексплікованих смислів нескінченності, різко протистоїть чіткості формулювання самого принципу Клаузіуса. Поняття „Всесвіт” у цьому принципі не конкретизовано, але саме тому і можливо розглядати проблему його застосування до різних всесвітів, що конструюються засобами теоретичної фізики та інтерпретуються як „все існуюче” лише з точки зору даної теорії (моделі).
І, нарешті, третя причина: як сам принцип Клаузіуса, так і спроби дозволу висунутого на його основі термодинамічного парадоксу передбачили одну з рис постнекласичної науки - включеність гуманістичних факторів в ідеали та норми пояснення, а також доказовості знань. Емоційність, з якою протягом більше сотні років критикували принцип Клаузіуса, висували різні його альтернативи, аналізували можливі схеми антиентропійних процесів, має, мабуть, мало прецедентів в історії природознавства – і класичного, і некласичного. Принцип Клаузіуса явно апелює до постнекласичної науки, яка включає „людський вимір”. Природно, у минулому ця особливість аналізованих знань ще могла бути по-справжньому усвідомлена. Але сьогодні, ретроспективно, деякі «зародки» ідеалів і норм постнекласичної науки ми бачимо у цих старих дискусіях.
Література
1. Концепції сучасного природознавства. / За ред. проф. С.А. Самігіна, 2-ге вид. - Ростов н / Д: "Фенікс", 1999. - 580 с.
2.Данилець А.В.Природознавство сьогодні і завтра - СПб.: Народна бібліотека 1993
3.Дубніщева Т.Я.. Концепції сучасного природознавства. Новосибірськ: Вид-во ЮКЕА, 1997. - 340 с.
4.Пригожин І. Від існуючого до того, що виникає. М.: Наука, 1985. - 420 с.
5.Ремізов О.М. Медична та біологічна фізика. - М.: Вища школа, 1999. - 280 с.
6.Станюкович К.П. До питання термодинаміки Всесвіту // Саме там. З. 219-225.
7.Суорц Кл.Е. Незвичайна фізика звичайних явищ. Т.1. - М.: Наука, 1986. - 520 с.
8. Про людський час. - «Знання-Сила», № 2000 С.10-16
9. Ціцін Ф.А. Поняття ймовірності та термодинаміка Всесвіту // Філософські проблеми астрономії ХХ століття. М., 1976. С. 456-478.
10. Ціцін Ф.А. Термодинаміка, Всесвіт та флуктуації // Всесвіт, астрономія, філософія. М., 1988. С. 142-156
11. Ціцін Ф.А. [До термодинаміки ієрархічного Всесвіту]// Праці 6-ї наради з питань космогонії (5-7 червня 1957 р.). М., 1959. С. 225-227.

Будь-яка ділянка циклу Карно і весь цикл може бути пройдений в обох напрямках. Обхід циклу за годинниковою стрілкою відповідає тепловому двигуну, коли отримане робочим тілом тепло частково перетворюється на корисну роботу. Обхід проти годинникової стрілки відповідає холодильної машиниколи деяка кількість теплоти відбирається від холодного резервуару і передається гарячому резервуару за рахунок здійснення зовнішньої роботи. Тому ідеальний пристрій, що працює за циклом Карно, називають оборотною тепловою машиною.У реальних холодильних машинах використовують різні циклічні процеси. Усі холодильні цикли на діаграмі (p, V) обходяться проти годинникової стрілки. Енергетична схема холодильної машини представлена ​​на рис. 3.11.5.

Пристрій, що працює за холодильним циклом, може мати двояке призначення. Якщо корисним ефектом є вибір певної кількості тепла |Q2| від охолоджуваних тіл (наприклад, від продуктів у камері холодильника), такий пристрій є звичайним холодильником. Ефективність роботи холодильника можна охарактеризувати відношенням

Якщо корисним ефектом є передача певної кількості тепла | Q1 | нагріваються тіла (наприклад, повітря в приміщенні), то такий пристрій називається тепловим насосом. Ефективність βТ теплового насоса може бути визначена як відношення

отже, βТ завжди більше одиниці. Для зверненого циклу Карно

Спробу поширити закони термодинаміки на Всесвіт загалом зробив Р.Клаузіус, що висунув наступні постулати.

- Енергія Всесвіту завжди постійна, тобто Всесвіт – це замкнута система.

- Ентропія Всесвіту завжди зростає.

Якщо ми приймемо другий постулат, то треба визнати, що всі процеси у Всесвіті спрямовані на досягнення стану термодинамічної рівноваги, що характеризується максимумом ентропії, що означає найбільший ступінь хаосу, дезорганізації, енергетичне врівноваження. У цьому випадку у Всесвіті настає теплова смерть і жодної корисної роботи, жодних нових процесів чи утворень у ній не проводитиметься (не світитимуть зірки, утворюватимуться нові зірки і планети, зупиниться еволюція всесвіту).

З цією похмурою перспективою були не згодні багато вчених, які припускали, що поряд з ентропійними процесами у Всесвіті мають відбуватися і антиентропійні процеси, які перешкоджають тепловій смерті Всесвіту.

Серед таких вчених був і Л.Больцман, котрий припустив, що для невеликої кількості частинок другий закон термодинаміки не повинен застосовуватися , Бо в цьому випадку не можна говорити про стан рівноваги системи. При цьому наша частина Всесвіту повинна розглядатися як невелика частина нескінченного Всесвіту. А для такої невеликої області допустимі невеликі флуктуаційні (випадкові) відхилення від загальної рівноваги, завдяки чому загалом зникає незворотна еволюція нашої частини Всесвіту у напрямку хаосу. У Всесвіті є відносно невеликі ділянки порядку нашої зіркової системи, які протягом відносно невеликих проміжків часу значно відхиляються від теплової рівноваги. У цих ділянках має місце еволюція, тобто розвиток, удосконалення, порушення симетрії.

У середині ХХ століття нова нерівноважна термодинаміка, або термодинаміка відкритих систем , або синергетика де місце закритої ізольованої системи зайняло фундаментальне поняття відкритої системи. Засновниками цієї нової науки було І.Р.Пригожин(1917-2004) та Г.Хакен (1927).

Відкрита система– це система, яка обмінюється з довкіллям речовиною, енергією чи інформацією.

Відкрита система теж виробляє ентропію, як і закрита, але на відміну від закритої, ця ентропія не накопичується у відкритій системі, а виводиться у довкілля. Використана відпрацьована енергія (енергія нижчої якості – теплова при низькій температурі) розсіюється в навколишньому середовищі та замість неї з середовища витягується нова енергія ( високої якості, здатна переходити з однієї форми до іншої), здатна виконувати корисну роботу.

Виникають цих цілей матеріальні структури, здатні розсіювати використану енергію та поглинати свіжу, називаються дисипативними. . Внаслідок такої взаємодії система витягує порядок з навколишнього середовища, одночасно вносячи безлад у це середовище. З надходженням нової енергії, речовини чи інформації нерівноважність у системі зростає. Колишній взаємозв'язок між елементами системи, яка визначала її структуру, руйнується. Між елементами системи виникають нові зв'язки, що призводять до кооперативних процесів, тобто колективної поведінки елементів. Так схематично можна описати процеси самоорганізації у відкритих системах.

Як приклад такої системи можна взяти роботу лазера , За допомогою якого отримують потужні оптичні випромінювання. Хаотичні коливальні рухи частинок такого випромінювання завдяки надходженню певної порції енергії ззовні виробляють узгоджені рухи. Частинки випромінювання починають коливатися в однаковій фазі, внаслідок чого потужність лазерного випромінювання багато разів збільшується, незрівнянно з кількістю підкачаної енергії.

Вивчаючи процеси, що відбуваються у лазері, німецький фізик Г.Хакен (Р.1927) назвав новий напрямок синергетикою, що у перекладі з давньогрецької означає “спільна дія”, “взаємодія”.

Ще одним відомим прикладом самоорганізації можуть бути хімічні реакції, які вивчав І.Пригожин. Самоорганізація у цих реакціях пов'язані з надходженням у систему ззовні речовин, які забезпечують ці реакції (реагентів), з одного боку, і виведенням у довкілля продуктів реакції, з іншого боку. Зовні така самоорганізація може проявитися у вигляді концентричних хвиль, що періодично з'являються, або в періодичній зміні кольору реагованого розчину. Подібну хімічну реакцію отримав та досліджував відомий бельгійський хімік російського походження І.Р.Пригожин. Свою хімічну реакцію Пригожин назвав "Брюсселятор" на честь міста Брюсселя, де Пригожин жив і працював, і де була вперше поставлена ​​ця реакція.

Ось як писав про це сам Пригожин: “Припустимо, що ми є молекули двох сортів: “червоні” і “сині”. Через хаотичного руху молекул можна було б очікувати, що в якийсь момент у лівій частині судини виявиться більше “червоних” молекул, а наступного моменту більше стане “синіх” молекул тощо. Колір суміші важко піддається опису: фіолетовий з безладними переходами в синій і червоний. Іншу картину ми побачимо, розглядаючи хімічний годинник: вся реакційна суміш матиме синій колірпотім її колір різко зміниться на червоний, потім знову на синій і т.д. Зміна фарбування відбувається через правильні інтервали часу. Для того, щоб одночасно змінити свій колір, молекули повинні якимось чином підтримувати зв'язок між собою. Система повинна поводитися як єдине ціле” (Пригожин І., Стенгерс І. Порядок з хаосу. М., 1986. С.202-203).

Звичайно ж, жодної «змови» між молекулами у прямому розумінні цього слова немає і бути не могло. Справа в тому, що в певний момент часу всі молекули починали коливатися в одній фазі – синього кольору, і тоді вся суміш набувала синього кольору. Через певний проміжок часу молекули починали коливатися в іншій фазі – фазі червоного кольору, і тоді вся суміш набувала червоного кольору тощо, поки не закінчувалася дія реагенту.

Наведемо інший приклад. Якщо взяти цирковий прозорий барабан із синіми та червоними кульками та почати його обертати з певною частотою – частотою червоного кольору, то ми, як і у випадку з молекулами, виявимо, що всі кульки стали червоними. Якщо змінимо частоту обертання барабана на відповідну синій довжині хвилі, то побачимо, що кульки посиніли і т.д.

Найбільш показовим прикладом самоорганізації можуть бути осередки Бенара . Це невеликі шестигранні структури, які можуть, наприклад, утворитися в шарі олії на сковорідці за відповідного перепаду температур. Як тільки температурний режим змінюється комірки розпадаються.

Таким чином, щоб мимоволі вишикувалася нова структура, необхідно задати відповідні параметри середовища.

Керуючі параметри- Це параметри середовища, які створюють граничні умови, в рамках яких існує дана відкрита система (це може бути температурний режим, відповідна концентрація речовин, частота обертання тощо).

Параметри порядку– це «відповідь» системи зміну керуючих параметрів (перебудова системи).

Очевидно, що процес самоорганізації може розпочатися не в будь-якій системі і не за будь-яких умов. Розглянемо умови, у яких може розпочатися процес самоорганізації.

Необхідними умовами виникнення самоорганізаціїу різних системах є такі:

1. Система має бути відкритою , тому що закрита система, в кінцевому рахунку, повинна прийти в стан максимального безладдя, хаосу, дезорганізації відповідно до 2 закону термодинаміки;

2. Відкрита система повинна бути досить далеко від точки термодинамічної рівноваги . Якщо система вже знаходиться поблизу цієї точки, то вона неминуче наблизиться до неї і, зрештою, прийде в стан повного хаосу і дезорганізації. Бо точка термодинамічної рівноваги є сильним атрактором;

3. Фундаментальним принципом самоорганізації є « виникнення порядку через флуктуацію» (І. Пригожин). Флуктуації або випадкові відхилення системи від деякого середнього становища на початку пригнічуються та ліквідуються системою. Однак, у відкритих системах, завдяки посиленню нерівноважності, ці відхилення з часом зростають, посилюються і, зрештою, призводять до "розхитування" колишнього порядку, хаотизації системи. У стані нестійкості, нестабільності система буде особливо чутлива до початкових умов, чутлива до флуктуацій. У цей момент якась флуктуація проривається з макрорівня системи на її мікрорівень і здійснює вибір подальшого розвитку системи, подальшої її перебудови. Передбачити, як поведеться система у стані нестабільності, який вибір буде їй зроблено в принципі неможливо. Цей процес характеризується як принцип «виникнення порядку через флуктуацію». Флуктуації мають випадковий характер. Тому стає зрозумілим, що поява нового у світі пов'язані з дією випадкових чинників.

Наприклад, тоталітарне суспільство у Радянському Союзі було міцною соціальною структурою. Проте інформація з життя інших товариств, що надходить з-за кордону, торгівля (обмін товарами) тощо. стали викликати у тоталітарному суспільстві відхилення у вигляді вільнодумства, невдоволення, дисидентства тощо. Спочатку структура тоталітарного суспільства була здатна придушувати ці флуктуації, але їх ставало все більше, і сила їх наростала, що призвело до розхитування та розвалу старої тоталітарної структури та заміни її нової.

І ще один жартівливий приклад: Казка про ріпку. Посадив дід ріпку. Виросла ріпка більша. Настав час її витягувати із землі. Дід тяг, тяг ріпку, але витягти її так і не зміг. Занадто ще стійка система – наша ріпка. Покликав дід на допомогу бабусю. Тягли вони, тягли ріпку разом, але витягти так і не змогли. Флуктуації, що розхитують ріпку, посилюються, але їх поки що не достатньо, щоб зруйнувати систему (ріпку). Покликали вони внучку, але теж ріпку не витягли. Потім покликали собаку Жучку, і нарешті покликали мишку. Здавалося б, яке зусилля могла зробити мишка, але вона стала «останньою краплею», яка призвела до якісно нової зміни системи – її розвалу (ріпка була витягнута із землі). Мишку можна назвати непередбачуваною випадковістю, яка відіграла вирішальну роль, або «малою причиною великих подій»;

4. Виникнення самоорганізації спирається на позитивний зворотний зв'язок . Згідно з принципом позитивного зворотного зв'язку, зміни, що з'являються в системі не усуваються, а посилюються, накопичуються, що призводить, зрештою, до дестабілізації, розхитування старої структури та заміни її на нову;

5. Процеси самоорганізації супроводжуються порушенням симетрії . Симетрія означає стійкість, незмінність. Самоорганізація ж передбачає асиметрію, тобто розвиток, еволюцію;

6. Самоорганізація може розпочатися лише у великих системах, що мають достатню кількість елементів, що взаємодіють між собою (10 10 -10 14 елементів), тобто в системах, що мають деякі критичні параметри . Для кожної конкретної системи, що самоорганізується, ці критичні параметри свої.

Лекція №14. Основні поняття синергетики. Можливість управління синергетичними системами.

Вибухові, катастрофічні процеси були відомі людству з давніх-давен. Скажімо, людина, яка подорожує горами знала, на основі свого емпіричного досвіду, що гірська лавина може обрушитися раптово, чи не від подиху вітру чи невдало зробленого кроку.

Революції і катаклізми часто являли собою наслідки останньої краплі народного невдоволення, останньої випадкової події, що переповнила чашу терезів. Це були типові малі причини великих подій.

Кожен з нас може згадати певні ситуації вибору, які стояли на життєвому шляху, і вирішальні життєві моменти перед нами відкривалося кілька можливостей. Усі ми включені у механізми, де у критичний момент, момент перелому вирішальний вибір визначає випадкову подію. Отже, лавиноподібні процеси, соціальні катаклізми та потрясіння, критичні ситуації вибору на життєвому шляху кожної людини. Чи можна підвести єдину наукову основу під всі ці, начебто різні, факти? Останні 30 років закладається фундамент такої універсальної наукової моделі, що отримала назву синергетики.

Як ми вже бачили, синергетика ґрунтується на ідеях системності, цілісного підходу до світу, нелінійності (тобто багато варіантності), незворотності , глибинної взаємозв'язку хаосу та порядку . Синергетика дає нам образ складноорганізованого світу , який не став, а що стає, не просто існуючим, а безперервно виникає . Цей світ розвивається за нелінійним законам , він сповнений несподіваних , непередбачуваних поворотів, пов'язаних із вибором подальшого шляху розвитку.

Предметом синергетикиє механізми самоорганізації . Це механізми утворення та руйнування структур, механізми, що забезпечують перехід від хаосу до порядку та назад. Ці механізми залежить від конкретної природи елементів систем. Вони притаманні неживому світу та природі, людині та соціуму. Синергетику вважають міждисциплінарним напрямом наукового дослідження.

Синергетика, як і будь-яка інша наука, має власну мову, свою систему понять. Це такі поняття як "атрактор", "біфуркація", "фрактальний об'єкт", "детермінований хаос" та інші. Ці поняття повинні стати доступними для кожної освіченої людини, тим більше, що їм можна знайти відповідні аналоги в науці та культурі.

Основними поняттями синергетики є поняття «хаосу» та «порядку».

Порядок– це безліч елементів будь-якої природи, між якими існують стійкі (регулярні) відносини, що повторюються у просторі та часі. Наприклад, стрій солдатів, які марширують на параді.

Хаос- безліч елементів, між якими немає стійких відносин, що повторюються. Наприклад, натовп людей, що біжить в паніці.

Поняття "атрактор"близько до поняття цілі. Це поняття можна розкрити як цілеподібність, як спрямованість поведінки системи, як стійкий щодо кінцевий її стан. У синергетиці під атрактором розуміють відносно стійкий стан системи, який хіба що притягує до себе різноманіття траєкторій системи , що визначаються різними початковими умовами. Якщо система потрапляє в конус атрактора, вона неминуче еволюціонує до цього щодо стійкого стану. Наприклад, незалежно від початкового положення м'яча, він скотиться на дно ями. Стан спокою м'яча на дні ями – це атрактор руху м'яча.

Атракториподіляються на прості і дивні .

Простий атрактор(Атрактор) - це граничний стан порядку. Система вибудовує порядок і вдосконалює його не до нескінченності, а до рівня, який визначається простим атрактором.

Дивний атрактор- Це граничний стан хаотизації системи. Система хаотизується, розвалюється теж не до нескінченності, а до рівня, який визначається дивним атрактором.

Концепція біфуркація у перекладі з англійської означає вилку з двома зубцями – befork. Говорять зазвичай не про саму біфуркацію, а про точки біфуркації . Синергетичний зміст точкибіфуркації такий – це точка розгалуження можливих шляхів еволюції системи .Проходження через точки розгалуження, досконалий вибір закриває інші шляхи і робить тим самим еволюційний процес незворотнім .

Нелінійну системуможна визначити як систему, що таїть у собі біфуркації.

Дуже важливим для синергетики є нелінійність . Під нелінійністю розуміють:

1. Можливість вибору шляху розвитку системи (мається на увазі, що система існує не один шлях розвитку, а кілька);

2. Несумірність нашого на систему і одержуваного у ній результату. За прислів'ям «миша народить гору».

Те, що у синергетиці називають “біфуркацією ” має глибокі аналоги у культурі. Коли казковий лицар стоїть, задумавшись біля придорожнього каменю на роздоріжжі доріг і вибір шляху визначить його подальшу долю, це і є сутнісно наочно-образным уявленням біфуркації у житті. Еволюція біологічних видів, подана у вигляді еволюційного дерева , наочно ілюструє розгалужені шляхи еволюції живої природи.

Вступ

1. Поняття Всесвіту

2. Проблема теплової смерті Всесвіту

2.2 "За" та "проти" теорії теплової смерті

Висновок

Вступ

У цій роботі ми поговоримо про майбутнє нашого Всесвіту. Про майбутнє дуже далеке, настільки, що невідомо, чи настане воно взагалі. Життя та розвиток науки істотно змінюють наші уявлення і про Всесвіт, і про його еволюцію, і про закони, які керують цією еволюцією. Справді, існування чорних дірок було передбачено ще XVIII столітті. Але лише в другій половині XX століття їх почали розглядати як гравітаційні могили масивних зірок і як місця, куди може надовго провалитися значна частина речовини, доступного спостереженням, вибуваючи із загального круговороту. А пізніше стало відомо, що чорні дірки випаровуються і, таким чином, повертають поглинене, хоч зовсім інше обличчя. Нові ідеї постійно висловлюються космофізиками. Тому картини, намальовані ще зовсім недавно, зненацька виявляються застарілими.

Одним із найбільш дискусійних ось уже близько 100 років є питання про можливість досягнення рівноважного стану у Всесвіті, що еквівалентно поняттю її «теплової смерті». У роботі ми і розглянемо його.

А що таке Всесвіт? Вчені під цим терміном розуміють максимально велику область простору, що включає як всі доступні для вивчення небесні тілата його системи, тобто. як Метагалактику, так і можливе оточення, що ще впливає на характер розподілу та руху тіл у її астрономічній частині.

Відомо, що Метагалактика перебуває у стані приблизно однорідного та ізотропного розширення. Всі галактики віддаляються одна від одної зі швидкістю тим більшою, чим більша відстань між ними. З часом швидкість цього розширення зменшується. На відстані 15-20 мільярдів світлових років видалення відбувається із швидкістю, близькою до швидкості світла. З цієї та інших причин, ми не можемо бачити більш далекі об'єкти. Існує хіба що якийсь «горизонт видимості». Речовина на цьому горизонті знаходиться в надщільному («сингулярному», тобто особливому) стані, в якому воно було в момент умовного початку розширення, хоча щодо цього є й інші припущення. Через кінцівку швидкості поширення світла (300000 км/с) ми можемо знати, що відбувається на горизонті зараз, але деякі теоретичні розрахунки дозволяють думати, що поза горизонту видимості речовина розподілена у просторі приблизно з тією ж щільністю, як і всередині нього . Саме це і призводить як до однорідного розширення, так і самого горизонту. Тому часто Метагалактику не обмежують видимою частиною, а розглядають як надсистему, ототожнену з усім Всесвітом загалом, вважаючи її щільність однорідною. У найпростіших космологічних побудовах розглядають два основні варіанти поведінки Всесвіту – необмежене розширення, при якому середня щільність речовини з часом прагне нуля, і розширення із зупинкою, після якої Метагалактика має почати стискатися. У загальній теорії відносності свідчить, що наявність речовини викривляє простір. У моделі, де розширення змінюється стисненням, щільність досить висока і кривизна виявляється такою, що простір «замикається на себе», подібно до поверхні сфери, але у світі з більшим, ніж «у нас», числом вимірювань. Наявність горизонту призводить до того, що цей просторово кінцевий світ ми можемо бачити цілком. Тому з погляду спостережень замкнутий і відкритий світ відрізняються дуже сильно.

Швидше за все, реальний світвлаштований складніше. Багато космологи припускають, що є кілька, можливо, навіть дуже багато метагалактик і всі вони разом можуть представляти якусь нову систему, яка є частиною деякої ще більшої освіти (можливо, принципово іншої природи). Окремі частини цього гіперсвіту (всесвіт у вузькому значенні) можуть мати абсолютно різні властивості, можуть бути не пов'язані один з одним відомими нам фізичними взаємодіями (або бути слабо пов'язаними, що має місце у разі так званого напівзамкнутого світу). У цих частинах гіперсвіту можуть виявлятися інші закони природи, а фундаментальні константи типу швидкості світла можуть мати інші значення або взагалі відсутні. Зрештою, у таких всесвітах може бути не така, як у нас, кількість просторових вимірів.

2.1 Другий закон термодинаміки

Згідно з другим законом (початком) термодинаміки, процеси, що відбуваються в замкнутій системі, завжди прагнуть рівноважного стану. Іншими словами, якщо немає постійного припливу енергії в систему, процеси, що йдуть в системі, прагнуть до згасання і припинення.

Ідея про допустимість і навіть необхідність застосування другого закону термодинаміки до Всесвіту як цілого належить В. Томсону (лорд Кельвін), який опублікував її ще в 1852 р. Дещо пізніше Р. Клаузіус сформулював закони термодинаміки у застосуванні до всього світу в наступному вигляді: 1 . Енергія світу стала. 2. Ентропія світу прагне максимуму.

Максимальна ентропія як термодинамічна характеристика стану відповідає термодинамічній рівновазі. Тому зазвичай інтерпретація цього положення зводилася (часто зводиться і зараз) до того, що всі рухи у світі повинні перетворитися на теплоту, всі температури вирівняються, щільність у досить великих обсягах має стати скрізь однаковою. Цей стан і отримав назву теплової смерті Всесвіту.

Реальна різноманітність світу (крім, хіба що, розподілу щільності на найбільших масштабах, що нині спостерігаються) далека від намальованої картини. Але якщо світ існує вічно, стан теплової смерті вже давно мав би настати. Отримана суперечність отримала назву термодинамічного феномена космології. Щоб його ліквідувати, треба було припустити, що світ існує недостатньо довго. Якщо говорити про спостережувану частину Всесвіту, а також про її передбачуване оточення, то це, мабуть, так і є. Ми вже говорили про те, що вона перебуває у стані розширення. Виникла вона швидше за все внаслідок вибухоподібної флуктуації у первинному вакуумі складної природи (або, можна сказати, у гіперсвіті) 15 чи 20 мільярдів років тому. Астрономічні об'єкти – зірки, галактики – виникли більш пізній стадії розширення з спочатку майже строго однорідної плазми. Однак стосовно далекого майбутнього питання залишається. Що чекає на нас чи наш світ? Настане рано чи пізно теплова смерть чи цей висновок теорії з якихось причин неправильний?

2.2 «За» та «проти» теорії теплової смерті

Багато видатних фізиків (Л. Больцман, С. Арреніус та ін.) категорично заперечували можливість теплової смерті. Водночас навіть і в наш час не менші вчені впевнені в її неминучості. Якщо говорити про противників, то, за винятком Больцмана, який звернув увагу на роль флуктуацій, їхня аргументація була скоріше емоційною. Лише у тридцяті роки нашого сторіччя з'явилися серйозні міркування щодо термодинамічного майбутнього світу. Всі спроби вирішення термодинамічного парадоксу можна згрупувати відповідно до трьох основних ідей, покладених в їх основу:

1. Можна думати, що другий закон термодинаміки неточний або неправильна його інтерпретація.

2. Другий закон вірний, але неправильна чи неповна система інших фізичних законів.

3. Всі закони вірні, але не застосовні до всього Всесвіту через якісь його особливості.

Тією чи іншою мірою всі варіанти можуть бути використані і дійсно використовуються, хоча з різним успіхом, для спростування висновку про можливу теплову смерть Всесвіту в будь-якому віддаленому майбутньому. Щодо першого пункту зауважимо, що у «Термодинаміці» К.А. Путілова (М., Наука, 1981) наводиться 17 різних визначень ентропії, не всі з яких еквівалентні. Ми скажемо лише, що якщо мати на увазі статистичне визначення, яке враховує наявність флуктуацій (Больцман), другий закон у формулюванні Клаузіуса та Томсона справді виявляється неточним.

Закон зростання ентропії, виявляється, має абсолютний характер. Прагнення рівноваги підпорядковане імовірнісним законам. Ентропія набула математичного виразу у вигляді ймовірності стану. Таким чином, після досягнення кінцевого стану, яке досі передбачалося відповідним максимальної ентропії Smax, система перебуватиме в ньому більш тривалий час, ніж в інших станах, хоча останні неминуче наступатимуть через випадкові флуктуації. При цьому великі відхилення від термодинамічної рівноваги будуть значно рідшими, ніж невеликі. Насправді стан з максимальною ентропією можна досягти лише в ідеалі. Ейнштейн зазначив, що "термодинамічна рівновага, строго кажучи, не існує". Через флуктуації ентропія коливатиметься в якихось невеликих межах, завжди нижче за Smax. Її середнє значення відповідатиме больцманівській статистичній рівновазі. Таким чином, замість теплової смерті можна було б говорити про перехід системи в деякий «найвірогідніший», але все ж таки кінцевий статистично рівноважний стан. Вважається, що термодинамічна і статистична рівновага – практично те саме. Цю хибну думку спростував Ф.А. Цицин, який показав, що різниця насправді дуже велика, хоча про конкретні значення різниці ми тут говорити не можемо. Важливо, що будь-яка система (наприклад, ідеальний газ у посудині) рано чи пізно матиме не максимальне значення ентропії, а швидше , Що відповідає, ніби, порівняно малої ймовірності. Але тут річ у тому, що ентропію має не один стан, а величезна їхня сукупність, яку лише за недбалістю називають єдиним станом. Кожен із станів з має і справді малу ймовірність здійснення, і у кожному їх система не затримується довго. Але для їхнього повного набору ймовірність виходить великою. Тому сукупність частинок газу, досягнувши стану з ентропією, близька до , повинна досить швидко перейти в якесь інше стан з приблизно тією ж ентропією, потім наступне і т.д. І хоча в стані, близькому до Smax, газ проводитиме більше часу, ніж у будь-якому стані з , Останні разом взяті стають кращими.