Глава 6.

Концепция необратимости и термодинамика
Рассматривая законы движения в классической
и квантовой механике, мы не обращали внимания
на характер времени, посредством которого
описываются процессы изменения в этих теориях. Время
в них выступало в качестве особого параметра, знак
которого можно менять на обратный. Действительно, если
заданы начальное состояние системы, т.е. начальные ее
координаты и импульсы, и известны уравнения движения,
то в механике можно вполне однозначно определить любое
ее состояние как в будущем, так и прошлом.
Следовательно, направление времени никак не учитыв
ается в классической механике. То же самое следует
сказать о квантовой механике, хотя в ней предсказания
имеют лишь вероятностный характер. Такое представление
о времени противоречит как повседневной нашей
практике, так и тем теоретическим воззрениям, которые
установились в естественных науках, изучающих конкретные
изменения явлений во времени (история, геология,
палеонтология, биология и др.). Если классическая физика
и особенно механика изучали обратимые процессы, то
биологические, социальные и гуманитарные науки ясно
показывали, 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 Дарвин
а. 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 результ
ате 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.
6.1. Понятие времени в классической термодинамике
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, происходя107
щих в механических системах, то термодинамика вынужден
а была исследовать физические процессы при различных
преобразованиях тепловой энергии. Однако она не
анализирует внутреннее строение термодинамических систем,
как это делает статистическая физика, рассматрив
ающая теплоту как беспорядочное движение огромного
числа молекул.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных
фактов, описывающих явления передачи, распространения
и превращения тепла. Самым очевидным является
тот факт, что распространение тепла представляет собой
неообратимый процесс. Хорошо известно, например, 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.
С другой стороны, путем точных экспериментов было
доказано, что тепловая энергия превращается в механическую
энергию в строго определенных количествах. Существов
ание такого механического эквивалента для теплоты
свидетельствовало о ее сохранении. Все эти многочисленные
факты и нашли свое обобщение и теоретическое объяснение
в законах классической термодинамики:
Если к системе подводится тепло Q и над ней производится
работа W, то энергия системы возраст
ает до величины U: U= Q + W.
Эту энергию называют внутренней энергией системы,
и она показывает, что тепло, полученное системой,
не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней
энергии и производство работы, т.е. Q= U-W.
Процесс, единственным результатом которого было
бы изъятие тепла из резервуара, невозможен.
Приведенные формулировки отражают связи, которые
существуют между тепловой энергией и полученной
MS
за ее счет работой. В первом законе речь идет о сохранении
энергии, во втором- о невозможности производства
работы исключительно за счет изъятия тепла из одного
резервуара при постоянной температуре. Например,
нельзя произвести работу за счет охлаждения озера, моря
или иного резервуара при установившейся температуре.
Таким образом, второй закон, или начало термодинамики,
можно сформулировать проще, как впервые это
сделал французский ученый Сади Карно (1796-1832).
Невозможно осуществить процесс, единственным
результатом которого было бы превращение тепла
в работу при постоянной температуре.
Иногда этот закон выражают в еще более простой
форме:
Тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного
тела к горячему.
В дальнейшем немецкий физик Рудольф Клаузиус
(1822-1888) использовал для формулировки второго
закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии
австрийский физик Людвиг Больцман (18441906)
интерпретировал в терминах изменения порядка в
системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно
усиливается беспорядок в системе. В таком
случае второй закон термодинамики постулирует:
Энтропия замкнутой системы, т.е. системы, котор
ая не обменивается с окружением ни энергией
ни веществом, постоянно возрастает.
А это означает, что такие системы эволюционируют
в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорг
анизации, пока не достигнут точки термодинамического
равновесия, в которой всякое производство работы
становится невозможным.

Поскольку об изменении систем в классической
термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии,
то последняя и выступает в качестве своеобразМ9
ной стрелы времени. В механических процессах ни о каком
реальном времени говорить не приходится. Задав в
них начальное состояние (координаты и импульсы),
можно, согласно уравнениям движения, однозначно определить
любое другое ее состояние в будущем или
прошлом. Поэтому время в них выступает просто как
параметр, знак которого можно менять на обратный, и
таким образом вернуться к первоначальному состоянию
системы. Ничего подобного не встречается в термодин
амических процессах, которые являются необратимыми
по своей природе.
Термодинамика впервые ввела в физику понятие
времени в весьма своеобразной форме, а именно необр
атимого 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 Дарвин
а. 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 дезорганиз
ацией систем. Это противоречие оставалось неразрешенным
вплоть до 60-х гг. нашего века, пока не появилась
новая, неравновесная термодинамика, которая опирается
на концепцию необратимых процессов.
Классическая термодинамика оказалась неспособной
решить и космологические проблемы характера процессов,
происходящих во Вселенной. Первую попытку распростр
анить законы термодинамики на Вселенную предпринял
один из основателей этой теории - Р. Клаузиус,
выдвинувший два постулата:
 энергия Вселенной всегда постоянна;
 энтропия Вселенной всегда возрастает.
Если принять второй постулат, то необходимо призн
ать, 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 предполаг
али, 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.
6.2. Открытые системы и новая термодинамика
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, котор
ая также состоит из различных систем, обладающих
энергией и веществом. В социальных и гуманитарных
системах к этому добавляется обмен информацией. Информ
ационный обмен осуществляется также в биологических
системах, в частности при передаче генетической
информации.

В открытых системах также производится энтропия,
поскольку в них происходят необратимые процессы, но
энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых
системах, а выводится в окружающую среду. Поскольку
энтропия характеризует степень беспорядка в
системе, постольку можно сказать, что открытые системы
живут за счет заимствования порядка из внешней среды.
6.3. Открытые системы и неравновесная термодинамика
Классическая термодинамика в своем анализе систем
в значительной мере абстрагировалась от их реальной
сложности, в частности, отвлекалась от их взаимодействия
с внешней средой. Поэтому ее исходное понятие
закрытой, или изолированной, системы не отражало
действительного положения вещей и приводило к противоречию
с результатами исследований в биологии и
социальных науках. Действительно, эволюционная теория
Дарвина свидетельствовала, что живая природа развив
ается в направлении усовершенствования и усложнения
новых видов растений и животных. История, социология,
экономика и другие социальные и гуманит
арные науки показывали, что в обществе, несмотря на
отдельные зигзаги и движение вспять, в целом наблюдается
также прогресс.
В противоположность этому классическая термодин
амика утверждала, что физические и другие системы
неживой природы эволюционируют в направлении усиления
их беспорядка, разрушения и дезорганизации. В
таком случае становилось непонятным, каким образом
из неживой природы, системы которой имеют тенденцию
к дезорганизации, могла появиться когда-либо жив
ая природа, где системы, напротив, стремятся к совершенствов
анию и усложнению своей организации. Все
это показывало, что результаты исследования классической
термодинамики находились в явном противоречии
с тем, что было хорошо известно из биологии, истории,
социологии и других общественных наук.
//2
Важно также подчеркнуть, что сами понятия времени
и эволюции по-разному интерпретировались в
прежней термодинамике, с одной стороны, и в биологии,
социологии и истории, с другой. В самом деле, так
называемая стрела времени связывалась в термодинамике
с возрастанием энтропии системы, с усилением ее
беспорядка и дезорганизации, тогда как в биологии и
социологии она рассматривалась, наоборот, с точки
зрения становления и совершенствования системы, увеличения
в ней порядка и организации. Если эволюция в
неживой природе истолковывалась как постепенное
движение систем к их разрушению и дезорганизации, то
в живой природе, наоборот, как медленное поступательное
движение к усилению организации систем, их
совершенствованию и усложнению. Недаром же вскоре
после того как было сформулировано второе начало
термодинамики, появились мрачные прогнозы о
"тепловой смерти" Вселенной.
В чем же заключаются причины такого противопоставления
точек зрения на понятия времени и эволюции? Как
можно было разрешить противоречие, возникшее между
представлениями классической термодинамики и биологии,
социологии и истории? Очевидно, что для этого необходимо
было пересмотреть те исходные понятия и принципы,
которых придерживалась старая, классическая термодин
амика, потому что они не соответствовали действительности,
нашим наблюдениям, а также результатам исследов
аний в биологических и социальных науках. Опыт и
практическая деятельность свидетельствовали, что понятие
закрытой, или изолированной, системы представляет собой
далеко идущую абстракцию и потому она слишком
упрощает и огрубляет действительность, поскольку в ней
трудно или даже невозможно найти системы, которые бы
не взаимодействовали с окружающей средой, состоящей
также из систем. Поэтому в новой термодинамике место
закрытой, изолированной, системы заняло принципиально
иное фундаментальное понятие открытой системы, котор
ая способна обмениваться с окружающей средой веществом,
энергией и информацией.

8 Рузавин Г.И. 113
Одно из первых определений этого понятия принадлежит
выдающемуся австрийскому физику Эрвину
Шредингеру (1887-1961), который сформулировал его в
своей книге "Что такое жизнь? С точки зрения физик
а". В ней он ясно указал, что законы физики лежат в
основе образования биологических структур, и подчеркнул,
что характерная особенность биологических систем
состоит в обмене энергией и веществом 'с окружающей
средой. Он писал:
Средство, при помощи которого организм поддерживает
себя постоянно на достаточно высоком уровне упорядоченности
(равно на достаточно низком уровне энтропии),
в действительности состоит в непрерывном
извлечении упорядоченности из окружающей его среды.
Взаимодействуя со средой, открытая система не может
оставаться замкнутой, ибо она вынуждена заимствов
ать извне либо новое вещество или свежую энергию и
одновременно выводить в среду использованное вещество
и отработанную энергию. Поскольку между веществом
(массой) и энергией существует глубокая взаимосвязь,
выражаемая уравнением Эйнштейна: Е = тс^, то можно
сказать, что в ходе своей эволюции система постоянно
обменивается энергией с окружающей средой, а следовательно,
производит энтропию. Но в отличие от закрытых
систем эта энтропия, характеризующая степень беспорядк
а в системе, не накапливается в ней, а удаляется в
окружающую среду. Это означает, что использованная,
отработанная энергия рассеивается в окружающей среде
и взамен ее из среды извлекается новая, свежая энергия,
способная производить полезную работу.
Такого рода материальные структуры, способные диссипииров
ать, или рассеивать, энергию, называются диссип
ативными. Отсюда становится ясным, что открытая
система не может быть равновесной, потому что ее
функционирование требует непрерывного поступления из
внешней среды энергии или вещества, богатого энергией.
В результате такого взаимодействия система, как указыв
ает Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды
и тем самым вносит беспорядок в эту среду.
М
Очевидно, что с поступлением новой энергии или
вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном
счете прежняя взаимосвязь между элементами
системы, которая определяет ее структуру, разрушается.
Между элементами системы возникают новые связи,
которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к
коллективному поведению ее элементов. Так схематически
могут быть описаны процессы самоорганизации в
открытых системах.
Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации
может служить работа лазера, с помощью которого можно
получать мощные оптические излучения. Не вдаваясь
в детали его функционирования, отметим, что хаотические
колебательные движения составляющих его частиц
благодаря поступлению энергии извне, при достаточной
его "накачке," приводятся в согласованное движение.
Они начинают колебаться в одинаковой фазе и вследствие
этого мощность лазерного излучения многократно
увеличивается. Этот пример свидетельствует, что в результ
ате взаимодействия со средой за счет поступления
дополнительной энергии прежние случайные колебания
элементов такой системы, как лазер, превращаются в
когерентное, согласованное коллективное движение. На
этой основе возникают кооперативные процессы и происходит
самоорганизация системы.

Изучая процессы самоорганизации, происходящие в
лазере, немецкий физик Герман Хакен (р. 1927) назвал
новое направление исследований синергетикой, что в
переводе с древнегреческого означает совместное действие,
или взаимодействие, и хорошо передает смысл и
цель нового подхода к изучению явлений.
Другим примером может служить самоорганизация,
которая возникает в химических реакциях. В них она
связана с поступлением извне новых реагентов, т. е. веществ,
обеспечивающих продолжение реакции, с одной
стороны, и выведение в окружающую среду продуктов
реакции, с другой стороны. Внешне самоорганизация
проявляется здесь в появлении в жидкой среде концентрических
волн или в периодическом изменении цвета
раствора, например, с синего на красный и обратно
("химические часы"). Эти реакции впервые были эксперимент
ально изучены отечественными учеными
Б. Белоусовым и А. Жаботинским. На их эксперимент
альной основе бельгийскими учеными во главе И. Р.
Пригожиным (русским по происхождению, р. 1917 г.)
была построена теоретическая модель, названная брюсселятором
(по имени столицы Бельгии - Брюсселя).
Эта модель легла в основу исследований новой термодин
амики, которую часто называют неравновесной, или
нелинейной. Как отмечает И. Р. Пригожин:
Переход от термодинамики (правильнее термостатики)
равновесных состояний к термодинамике неравновесных
процессов, несомненно, знаменует прогресс в развитии
ряда областей науки.
О равновесии и неравновесии систем уже говорилось.
Поясним, что понимается под нелинейностью в
термодинамике и теории самоорганизации вообще. Отличительн
ая черта моделей, описывающих открытые
системы и процессы самоорганизации, состоит в том,
что в них используются нелинейные математические
уравнения, в которые входят переменные в степени выше
первой (линейной). Хотя линейные уравнения и до
сих пор часто применяются в физике и точном естествозн
ании в целом, они оказываются неадекватными для
описания открытых систем или же при весьма интенсивных
воздействиях на системы. Именно с подобными
системами и процессами имеет дело новая термодинамик
а и поэтому ее нередко называют нелинейной.
6.4. Самоорганизация в открытых системах
Открытие самоорганизации в простейших системах
неорганической природы, прежде всего в физике и химии,
имеет огромное научное и философско-мировоз116
зренческое значение. Оно показывает, что такие процессы
могут происходить в фундаменте самого "здания материи",
и тем самым проливает новый свет на взаимосвязь
живой природы с неживой. С такой точки зрения
возникновение жизни на Земле не кажется теперь таким
редким и случайным явлением, как об этом говорили
многие ученые раньше. С позиции самоорганизации становится
также ясным, что весь окружающий нас мир и
Вселенная представляют собой совокупность разнообразных
самоорганизующихся процессов, которые служат основой
любой эволюции.
Как же объясняет современная наука, и в частности,
синергетика процесс самоорганизации систем?
1. Для этого система должна быть открытой, потому
что закрытая, изолированная система в соответствии со
вторым законом термодинамики в конечном итоге должн
а придти в состояние, характеризуемое максимальным
беспорядком или дезорганизацией.
2. Открытая система должна находиться достаточно
далеко от точки термодинамического равновесия. Если
система находится в точке равновесия, то она обладает
максимальной энтропией и потому неспособна к какой-
либо организации: в этом положении достигается максимум
ее самодезорганизации. Если же система расположен
а вблизи или недалеко от точки равновесия, то со
временем она приблизится к ней и в конце концов придет
в состояние полной дезорганизации.

3. Если упорядочивающим принципом для изолиров
анных систем является эволюция в сторону увеличения
их энтропии или усиления их беспорядка (принцип
Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганиз
ации служит, напротив, возникновение и усиление порядк
а через флуктуации. Такие флуктуации, или случай-
ные отклонения системы от некоторого среднего положения,
в самом начале подавляются и ликвидируются
системой. Однако в открытых системах благодаря усилению
неравновесности эти отклонения со временем возр
астают и в конце концов приводят к "расшатыванию"
прежнего порядка и возникновению нового порядка.
^7
Этот процесс обычно характеризуют как принцип образов
ания порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации
носят случайный характер (а именно: с них начинается
возникновение нового порядка и структуры), то становится
ясным, что появление нового в мире всегда связано
с действием случайных факторов. В этом выводе находит
свое конкретное подтверждение гениальная догадка античных
философов Эпикура (341-270 до н. э.) и Лукреция
Кара (99-45 до н. э.), требовавших допущения случ
айности для объяснения появления нового в развитии
мира.
4. В отличие от принципа отрицательной обратной
связи, на котором основывается управление и сохранение
динамического равновесия систем, возникновение
самоорганизации опирается на диаметрально противоположный
принцип - положительную обратную связь.
Функционирование различных технических регуляторов
и автоматов основывается на принципе отрицательной
связи, т.е. получении обратных сигналов от исполнительных
органов относительно положения системы и
последующей корректировки этого положения управляющими
устройствами. Для понимания самоорганизации
следует обратиться к принципу положительной обр
атной связи, согласно которому изменения, появляющиеся
в системе, не устраняются, а напротив, накаплив
аются и усиливаются, что и приводит в конце концов к
возникновению нового порядка и структуры.
5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних
структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии.
Мы уже видели, что при описании необратимых
процессов пришлось отказаться от симметрии времени,
характерной для обратимых процессов в механике. Процессы
самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями,
приводят к разрушению старых и возникновению
новых структур.
6. Самоорганизация может начаться лишь в систем
ах, обладающих достаточным количеством взаимодей-
ствующих между собой элементов и, следовательно,
имеющих некоторые критические размеры. В противМ8
Ном случае эффекты от синергетического взаимодействия
будут недостаточны для появления кооперативного
(коллективного) поведения элементов системы и тем
самым возникновения самоорганизации.
Мы перечислили необходимые, но далеко недостаточные
условия для возникновения самоорганизации в различных
системах природы. Даже в химических самоорганизующихся
системах, которые изучали Белоусов и Жаботинский,
в "игру" вступают такие новые факторы, как
процессы катализа, которые ускоряют химические реакции.
Поэтому можно сделать вывод, что чем выше мы
поднимаемся по эволюционной лестнице развития систем,
тем более сложными и многочисленными оказываются
факторы, которые играют роль в самоорганизации.

Закладка в соц.сетях