Концепция коэволюции

<

091813 0311 1 Концепция коэволюции Коэволюция – эволюция взаимодействия организмов разных видов, не обменивающихся генетической информацией, но тесно связанных экологически (например, хищник – жертва, паразит – хозяин).

Идея коэволюции вошла в моду, и на русском языке есть уже, по крайней мере, две книги, ей посвященные. Первоначально термин понадобился для обозначения взаимного приспособления биологических видов. Затем стало ясно, что он удачно выражает более широкий круг явлений — соразвитие взаимодействующих элементов единой системы, естественно развивающейся (коль скоро развиваются ее части) и сохраняющей при этом свою целостность по крайней мере так долго, как необходимо для постановки вопроса о коэволюции в ней. Коэволюционирующие элементы, конечно, сами являются системами и именно в этом качестве рассматриваются при изучении их соразвития. 
Еще в «Основах экологии» Ю. Одума было выделено 9 типов взаимодействия популяций, и все 9 с большими или меньшими основаниями могут рассматриваться в качестве разновидностей коэволюции. Наиболее интересные, «невырожденные», типы коэволюции предполагают своего рода сближение двух взаимосвязанных эволюционирующих систем, но не движение к одному, общему образу (конвергенция), а взаимную адаптацию, когда изменение, произошедшее в одной из систем, инициирует такое изменение в другой, которое не приводит к нежелательным или, тем более, неприемлемым для первой системы последствиям. Для таких случаев обязательна некая (относительная) симметрия, равнозначность, «равноположенность» коэволюционирующих систем. О том, что такое нежелательность, неприемлемость, вряд ли стоит рассуждать «в общем виде», проще определять это применительно к конкретным случаям. 

Таким образом, если рассматривать развитие биосферы прежде всего как эволюцию ее биотической подсистемы (биоты), то разрыв в скоростях биоэволюции и техноэволюции обусловливает бессодержательность и внутреннюю противоречивость постановки вопроса о коэволюции биосферы и человека. Может быть, вывод изменится, если рассматривать развитие на относительно малых временных промежутках, так что процесс видообразования останется за пределами внимания? Нет, не изменится. Для обоснования обратимся к системно-кибернетическим представлениям о биосфере и к теории биотической регуляции окружающей среды. 

Развитие биосферы за период человеческой истории не раз становилось объектом научного анализа. Главный вывод не является новым или неожиданным, хотя большинством все еще не осознается в полной мере: вся деятельность человека после того, как он овладел огнем, перешел от собирательства и охоты к земледелию и скотоводству, для биосферы — возмущение. 

Реакция любой системы на возмущение зависит от его величины, от того, ниже оно допустимого порога воздействия на систему или выше. В первом случае с помощью присущих ей компенсационных механизмов система подавляет негативные последствия, а обычно и сам источник возмущения, но во втором — она начинает разрушаться, деградировать. Однако при этом до определенного момента система может сохранять способность к самовосстановлению, а затем развиваются необратимые процессы, которые уничтожают либо принципиально изменяют систему — она перерождается, переходит в иное качество. 

Согласно теории биотической регуляции, с момента своего возникновения биота не только адаптировалась к окружающей среде, но и оказывала на нее мощное формирующее влияние, возраставшее по мере развития биоты. Под воздействием биоты формировалась регулируемая окружающая среда, одновременно развивались соответствующие регулирующие механизмы самой биоты. В результате образовалась высокоорганизованная система — биосфера, в которой посредством надлежащей подстройки потоков биогенов (веществ, участвующих в функционировании биоты) обеспечивается беспрецедентно высокая точность регулирования всех параметров, существенных для биоты (физических и химических характеристик климата, атмосферы, почвы, поверхностных вод суши и Мирового океана), в широких пределах вариации возмущений. 

Изучение проблем коэволюции открывает новое и, возможно, важнейшее направление фундаментальных исследований. Часто говорят, что в отличие от века пара, каким был век XIX, и века ХХ, который был веком электричества и атомной энергии, наступающий век будет веком гуманитарных знаний. Принимая такую формулировку, ибо наука об обеспечении коэволюции и есть та комплексная дисциплина, которая должна дать людям знание о том, что необходимо для продолжения существования человечества на Земле и дальнейшего развития его цивилизации. 

В настоящее время изучение необходимых условий коэволюции продвинулось в целом ряде конкретных направлений. Так, например, изучение физико-химических особенностей атмосферы позволило установить влияние фреонов на структуру озонового слоя и даже принять важнейшее решение о переориентации холодильной промышленности на другой тип хладонов ( Монреальский протокол ООН). Постепенно на ряде частных примеров показана огромная стабилизирующая роль биоты в целом и отдельных экосистем. Можно выделить работы профессора В.Г. Горшкова (С.-Петербург) и профессора Н.С. Печуркина (Красноярск), во многом весьма различные и, как всегда бывает в таких случаях, вероятно, весьма дополняющие друг друга. Еще рано говорить о построении динамики биосферы как стройной теории, способной быть инструментом анализа устойчивости биосферы.

Биосфера представляет собой грандиозную нелинейную систему. Однако до сих пор основное внимание исследователей уделялось изучению отдельных фрагментов этой системы. В центре внимания исследователей были, прежде всего, многочисленные механизмы отрицательной обратной связи. И нетрудно понять, почему именно к ним было приковано внимание исследователей. В самом деле, наиболее концептуально интересен вопрос о стабильности биосферы, ее способности реагировать на внешние возмущения так, чтобы они не выводили ее из состояния установившегося квазиравновесия. Считаем, что для любого ученого, изучающего биосферу как самостоятельный объект, наиболее интересен вопрос справедливости принципа Ле Шателье. И в этом плане, в последние десятилетия получены результаты первостепенной важности, которые показали удивительные способности биоты противостоять внешним возмущениям. Однако лишь в определенных пределах, которые еще придется установить. 

Но описать особенности эволюции биосферы с помощью одних механизмов отрицательных обратных связей нельзя. Как во всякой сложной развивающейся системе, в ней присутствует и множество положительных обратных связей. Обойтись без них тоже нельзя, поскольку именно положительные обратные связи и являются ключом к развитию системы, то есть усложнению системы и росту разнообразия ее элементов, что приводит к сохранению ее целостности (хотя может привести и к другому состоянию квазиравновесия). 

Таким образом, любая сложная саморазвивающаяся система всегда обладает неким набором механизмов, некоторые из которых играют роль положительных, а другие — отрицательных обратных связей. Первые отвечают за развитие системы, рост ее сложности и разнообразие элементов. Вторые — за стабильность (гомеостаз) системы и сохранение уже существующего квазиравновесия. Разделение этих механизмов весьма условно. Однако оно дает качественное представление о характере функционирования сложной развивающейся системы. В настоящее время наибольшее внимание привлекает изучение механизмов отрицательной обратной связи, что, достаточно естественно, поскольку человек живет в определенных условиях, к которым он адаптировался. И смена этих условий может оказаться трагичной. Но изучение отдельных механизмов, даже в их сочетании, еще недостаточно для построения теории развития биосферы. А без такой теории говорить о стратегии человечества во взаимоотношениях с биосферой очень трудно и опасно. 

Дело в том, что биосфера — система существенно нелинейная, и она даже без активных внешних воздействий способна к кардинальным перестройкам своей структуры. И теория развития биосферы не может считаться полноценной, если не изучено множество ее бифуркационных состояний, условий перехода из одного состояния в другое и структура аттракторов, то есть окрестностей более или менее стабильных состояний.

Однако система уравнений, описывающая функционирование биосферы даже в ее простейшем варианте, столь сложна, что непосредственное использование математических методов (то есть теории динамических систем) представляется крайне сложным. Поэтому пока что единственным эффективным способом анализа может служить эксперимент с компьютерными моделями, имитирующими динамику биосферы. 

Таким образом, теория биосферы должна представлять собой не просто совокупность изученных механизмов функционирования отдельных элементов биоты и абиотических составляющих биосферы, взаимодействие которых способно реализовать принцип Ле Шателье (что, разумеется, совершенно необходимо). Для того чтобы обеспечить выживание человечества как вида, обеспечить возможность дальнейшего развития его цивилизации, нам предстоит изучить динамику биосферы как нелинейной системы, изучить структуру ее аттракторов и границы между областями их притяжений. 

Итак, возникает новая фундаментальная наука. И она носит абсолютно прикладной характер, поскольку эта дисциплина сделается научной базой судьбоносных решений для человечества. Заметим еще раз, что переход биосферы из одного состояния в другое вовсе не обязательно требует мгновенных сверхнагрузок, как при атомных взрывах и последующих пожарах. Катастрофа может подкрасться и незаметно. И стратегия развития человечества не просто должна быть согласована с развитием биосферы, но должна быть такой, чтобы развитие биосферы происходило в нужном для человечества эволюционном канале. 

Другими словами, обеспечение коэволюции человека и биосферы (или, что то же самое, для реализации стратегии sustainable development) требует развития специальной синтетической научной дисциплины. Работа по созданию такой дисциплины, по существу, уже началась. Ее естественной составляющей является экология – именно составляющей, ибо проблемы, которыми сегодня занимается экология, получившая широкое развитие за послевоенные десятилетия, не включают в себя целый ряд вопросов, жизненно важных для будущего, для поисков пути в эпоху ноосферы. И в частности, пока еще не занимается исследованием биосферы как целостной динамической системы. 

<

В эволюции биосферы главенствующая роль принадлежит биоте: это соответствует значимости тех функций, которые выполняет система живых организмов при формировании горных пород, почвы, атмосферы и океана, хотя при этом не отрицается и не умаляется значение абиотических факторов. Эволюция биоты реализуется через процесс видообразования, причем в силу системности ее организации исчезновение какого-либо вида с арены жизни или появление нового вида практически всегда влекут волну видовых изменений в экосистемах, с которыми соотносится данный вид (в его «экологической нише»). Имеются оценки скорости этого процесса. По палеонтологическим данным, средняя продолжительность существования вида составляет около 3 млн лет. Согласно современным представлениям, для естественного образования нового биологического вида требуется период того же порядка длительности. Эта скорость вряд ли менялась в течение нескольких сотен миллионов лет. 

2. Общенаучное значение понятия энтропии

 

Энтропия (греч. en в, внутрь + trope поворот, превращение) — одна из величин, характеризующих тепловое состояние тела или системы тел; мера внутренней неупорядоченности системы; при всех процессах, происходящих в замкнутой системе, энтропия или возрастает (необратимые процессы), или остается постоянной (обратимые процессы).

Впервые понятие энтропии было введено немецким физиком Рудольфом Клаузиусом в середине прошлого века. Он и английский лорд Вильям Томсон (Кельвин) открыли второе начало термодинамики и сделали из него неожиданные выводы. Это начало устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, то есть однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Об этой асимметрии свидетельствует все окружающее нас: горячие тела с течением времени охлаждаются, однако холодные сами по себе отнюдь не становятся горячими; прыгающий мяч в конце концов останавливается, однако покоящийся мяч самопроизвольно не начнет подскакивать. Здесь проявляется то свойство природы, которое Кельвин и Клаузиус смогли отделить от свойства сохранения энергии. Оно состоит в том, что, хотя полное количество энергии должно сохраняться в любом процессе, распределение имеющейся энергии изменяется необратимым образом. Второе начало термодинамики указывает естественное направление, в котором происходит изменение распределения энергии, причем это направление совершенно не зависит от ее общего количества.

Параметр состояния термодинамической системы «энтропия», введенный в теорию обратимых процессов Р.Клаузиусом в 1865 г. и определяется уравнением:


dS = δQ / T , (1)

 

В свое время введение энтропии устранило недостатки теории теплорода при рассмотрении циклических процессов. Хотя на странице, посвященной теории теплопередачи, показано, все основные положения и термины теории теплорода остались по сей день. По замыслу Р.Клаузиуса введение в термодинамику энтропии должно было придать ей стройность. На самом же деле оно ввергло термодинамику в длительную непрекращающуюся дискуссию. 

Л.Больцман придал энтропии в 1872 г. статистическое содержание, сделав ее пропорциональной безразмерной величине σ, отражающей степень упорядоченности движения в макроскопических системах. Величина σ = lnP, где P – вероятность состояния системы. Таким образом, σ – это не физическая величина, а математическая абстракция, имеющая общенаучное статистическое содержание, и в таком плане она применяется не только в термодинамике. Величина σ размерности не имеет. 

Для получения физической величины, Л.Больцман умножил σ на размерный коэффициент k, названный впоследствии постоянной Больцмана с единицей измерений Дж/К. Таким образом, получилась величина В итоге в термодинамике энтропия стала равной:


S = kσ , ( 2 ) 

 

которую в современной физике называют термодинамической энтропией.

Физический смысл энтропии Клаузиуса S несложно выяснить, если признать существование тепловой энергии Uт как части внутренней энергии U. Эта энергия изменяется как вследствие подвода тепла Q извне, так и вследствие выделения в системе теплоты диссипации QД, т.е. превращения в тепловую других (упорядоченных) форм внутренней энергии системы U. В условиях постоянства объема V системы (когда энергия подводится к ней исключительно путем теплообмена Q)

 

dU
= đQ = ТdS
. (3)

 

Это выражение имеет тот же вид, что и изменение внешней кинетической энергии Еk
при
изменении скорости v и импульса системы P = Мv
в процессе ее ускорения:

 

k
= v∙dP. (4)

 

Из сопоставления (3) и (4) следует, что энтропия играет по отношению к внутренней тепловой энергии Uт ту же роль, что и импульс системы P – по отношению к кинетической энергии. Иными словами, энтропия S характеризует суммарный импульс частиц системы, утративший свою векторную природу вследствие хаотичности теплового движения. Эту меру количества хаотического движения, складывающуюся из модулей импульсов отдельных частиц системы, следовало бы назвать термоимпульсом. В таком случае сразу бы стало ясным, что энтропия должна возрастать не только при подводе тепла извне, но и при возникновении ее внутренних источников вследствие трения, экзотермических химических реакций, воздействия токами высокой частоты, индукционного нагрева и т.п., т.е. при превращении упорядоченных форм энергии в тепловую. Это обстоятельство отражено в уравнении баланса энтропии:

 

dS
= d
еS
+ diS,
(5)

 

где dеSобратимая часть изменения энтропии, обусловленная внешним теплообменом δQ = ТdеS; diS – возрастание энтропии, обусловленное внутренними источниками тепла диссипации Qд = ТdiS в системе.

Однако такое понимание пришло значительно позже. Поиски физического смысла энтропии и попытки найти альтернативу неизбежному, казалось бы, выводу о ‘тепловой смерти Вселенной’ привели к статистическому толкованию второго начала термодинамики. Полагая, что возрастание энтропии в необратимых процессах отражает стремление природы к более вероятному состоянию, Л. Больцман приходит к выводу, что зависимость между энтропией S и термодинамической вероятностью состояния Ω имеет вид:

 

S = k ln Ω, (6)

 

где k – константа, названная впоследствии его именем.

Согласно этому выражению, энтропия термодинамических систем пропорциональна логарифму вероятности их состояния. Основным постулатом при этом явилось предположение, что наиболее вероятное распределение частиц (осуществляемое наибольшим числом способов) является одновременно и равновесным. Основанием для этого послужило то обстоятельство, что обе названные величины (энтропия и «термодинамическая» вероятность состояния Ω) аддитивны и достигают максимума в состоянии равновесия. Поскольку же наибольшему значению Ω соответствует состояние «молекулярного хаоса», энтропия в концепции Больцмана приобрела смысл меры неупорядоченности состояния системы.

В этой связи вполне уместен вопрос, в какой мере обоснован «принцип Больцмана», предполагающий, что наиболее вероятное распределение частиц газа по скоростям является одновременно и равновесным? В самом деле, если говорить о тепловом равновесии или создавать математическую модель теплового движения, то вполне логично было предположить, что тепловое равновесие можно отождествить с состоянием, характеризующимся максимальным числом перестановок различимых молекул и потому встречающимся наиболее часто. Однако для случаев нетеплового равновесия или для более сложных молекулярных моделей поливариантных систем (со многими степенями свободы) наиболее вероятно иное распределение тех же или иных свойств. Далее, допущение Больцмана о равновероятности всех микросостояний термодинамической системы взаимодействующих частиц никоим образом не соответствует действительности. В-третьих, даже если между S и Ω и существует корреляция, ниоткуда не следует, что энтропия является однозначной функцией только Ω. В-четвертых, энтропия – отнюдь не единственная величина, самопроизвольно изменяющаяся в одном направлении. Односторонне изменяется и объем системы V при расширении газа в пустоту, напряжения в телах при их релаксации, степени полноты самопроизвольных химических реакций, векторы поляризации и намагниченности после изоляции диэлектриков и магнетиков после изоляции их от внешних полей, и т.д. и т.п. Более того, односторонне изменяются в изолированной системе и такие функции состояния, как энергия Гельмгольца

F = U – TS

и Гиббса

G = U + pV – TS,

которые полнее отражают изменения их состояния, поскольку внутренняя энергия U заведомо зависит от всех переменных состояния поливариантной системы. Казалось бы, именно эти характеристические функции и следовало бы связывать с вероятностью состояния, а не энтропию как один из их независимых аргументов. Наконец, термодинамическая вероятность во многом зависит от того, какие частицы мы считаем различимыми. Это понятие «различимости» в термодинамике отлично от ее трактовки в квантовой механике, так что применение соотношения (3) к микросистемам с господствующими в них квантовыми законами требует специального обоснования. Подобных вопросов к Л. Больцману возникает, вообще говоря, множество. Все они свидетельствуют о правоте А. Гухмана, считавшего, что энтропия стала мерой «хаоса» только в силу субъективных причин.

Со статистической трактовкой энтропии связано появление еще одной ее разновидности – «негэнтропии» (negative entropy). Впервые этот термин применил Л. Больцман при статистической трактовке понятия энтропии. По Л. Больцману, процесс передачи отрицательной энтропии от Солнца к Земле означает их перераспределение между ними с уменьшением энтропии Земли и ее «упорядочиванием». Отсюда он делает вывод, что борьба биосистем за существование – это борьба за негэнтропию, а не за сырье и свободную энергию. Вслед за этим Э. Шредингер пишет о «поставке отрицательной энтропии с солнечным излучением» и о «высасывании» её организмами из окружающей среды. Трактовка ими энтропии как антипода понятий «организация», «упорядоченность» и «сложность» полностью игнорирует отсутствие в термодинамике понятия отрицательной энтропии и потому искажает истинную связь этого понятия с необратимостью и диссипацией.

Отличие термодинамической и статистической энтропии проявляется наглядно и при оценке ее величины для заполняющего Вселенную реликтового излучения. Если статистическая температура этого излучения, найденная по средней скорости движения космических частиц, превышает 2000 К, то термодинамическая темпера-тура, найденная по максиму излучения (из его спектральных характеристик), менее 3 К. Соответственно различаются и названные выше энтропии.

Еще дальше по своему физическому содержанию оказалось понятие информационной энтропии, которое было введено Шенноном, как полагают, «благодаря небрежному применению этого термина». Он установил, что количество информации о системе, полученное при измерениях, связано с происходящими при этом изменениями вероятности состояния системы таким же соотношением (с точностью до знака), как и для статистической энтропии. Это формальное сходство выражений для термодинамической энтропии и уменьшением количества информации привело его (а вслед за Бриллюэном (1955) – и других исследователей) к их необоснованному отождествлению. Такая точка зрения, естественно, не принимается теми физиками, которые более внимательно рассмотрели этот вопрос. Достаточно сказать, что информационная энтропия связана с процессом получения информации и не является параметром состояния, в отличие от термодинамической энтропии. Последующие исследования подтвердили, что «эти два понятия энтропии являются, несмотря на сходство, явно различимыми, и их отождествление может произойти лишь от непонимания». О том, насколько велико это различие, свидетельствует хотя бы тот факт, что термодинамическая энтропия не изменяется в процессе совершения обратимой работы, а дефицит информации – изменяется. Во всяком случае, «использование одного и того же термина (энтропия) для различных величин лишь вводит в заблуждение. Однако и это не предотвратило дальнейшей экстраполяции понятия энтропии за рамки термодинамических систем – появлению математической, лингвистической, интеллектуальной и т.п. энтропии, что еще более запутало смысл энтропии и привело к невероятному переплетению истины и заблуждений. Среди них – парадокс Гиббса (скачок энтропии при смешении невзаимодействующих газов), парадокс отрицательных абсолютных температур («инверсия» 2-го начала термодинамики), парадокс релятивистских тепловых машин (превышение ими КПД цикла Карно) и т.д. Однако наиболее тяжелым последствием для естествознания в целом явилось обусловленная этими причинами «абсолютизация» принципа возрастания энтропии, сделавшая ее мерой «любой и всякой» необратимости.

Необратимость давно стала «камнем преткновения» многих физиков и философов. Одни из них считают ее результатом взаимодействия большого числа обратимых элементарных процессов, другие связывают ее с невоспроизводимостью граничных и начальных условий, третьи – с некоммутативностью процедуры измерений и невозможностью в связи с этим возврата в исходное состояние, четвертые – с нарушением симметрии некоторых физических законов при перемене знака времени, пятые – со статистической природой времени и т.д.

Чтобы разобраться в этом вопросе, коснемся вкратце его истории. Термин «необратимый» впервые появился в трудах основоположников термодинамики в противовес понятию «обратимый». Сначала С. Карно в своих «Размышлениях о движущей силе огня и о машинах способных развивать эту силу», а затем Р. Клаузиус в «Динамической теории теплоты» разными путями показали, что если какая-либо тепловая машина устроена так, что при работе ее в обратном направлении все механические и тепловые эффекты превращаются в противоположные, то она производит максимальное количество работы. Это означало, что в обратимых процессах «затраченная при этом механическая энергия может быть возвращена к первоначальному состоянию». Так возникло и сразу приобрело характер исходного постулата понятие обратимости. Судя по применению этого термина, классики понимали под ним возможность восстановления «движущей силы тепла». В частности, В. Томсон в статье «О динамической теории теплоты» прямо пишет: «Когда теплота или работа получаются с помощью необратимого процесса, происходит расточение механической энергии, и полное возвращение ее в первоначальное состояние невозможно». Поскольку же механическая энергия измеряется величиной работы, которую может совершить тело (система), необратимость в понимании основоположников термодинамики была синонимом потери ею работоспособности (как мы говорим сейчас, «диссипации» энергии). Именно поэтому Р. Клаузиус в своем знаменитом рассуждении о работе двух сопряженных тепловых машин принимает как само собой разумеющееся, что термический КПД η любой необратимой тепловой машины меньше, чем в обратимом цикле Карно при тех же температурах теплоисточника и теплоприемника. В таком случае, заменяя в (1) знак равенства неравенством (<), мы немедленно придем к выводу о том, что при протекании в системе любых необратимых процессов:

 

dS > δQ/Т, (7)

 

т.е. её энтропия возрастает даже в отсутствие теплообмена системы с окружающей средой. Так возник принцип возрастания энтропии, выражающий существо 2-го закона термодинамики и отражающий одностороннюю направленность самопроизвольных процессов в связи с их необратимостью. Поскольку же необратимы (по той или иной причине) все реальные процессы, энтропия стала мерой «любой и всякой» необратимости, а принцип возрастания энтропии был распространен на все без исключения системы. Такая «абсолютизация» принципа возрастания энтропии выразилась ярче всего в крылатой фразе Р. Клаузиуса: «Энергия Вселенной неизменна. Энтропия Вселенной возрастает».

Немалому числу исследователей такая экстраполяция принципа возрастания энтропии, приводящая к выводу о неизбежной «тепловой смерти Вселенной», казалась крайне неубедительной. Действительно, любые диссипативные процессы необратимы, поскольку в соответствии со 2-м началом термодинамики выделяющаяся при диссипации теплота не может быть целиком превращена в работу. Однако далеко не всякий необратимый процесс диссипативен. В частности, необратим процесс смешения невзаимодействующих газов, находящихся при одинаковой температуре и давлении. Однако он не сопровождается выделением тепла и потерей работоспособности, поскольку система невзаимодействующих газов еще до смешения находилась в полном (термическом и механическом) равновесии. Что же касается Вселенной, то по современным воззрениям «Вселенная в целом всегда неравновесна… она развивается необратимо без стремления перейти в состояние равновесия». Это означает, что во Вселенной наряду с процессами диссипации энергии в одних её областях протекают процессы концентрации энергии в других областях такой системы.

Как следует из вышеизложенного, основоположники термодинамики Р. Клаузиус и В. Томсон понимали необратимость лишь как следствие утраты системой работоспособности (снижения КПД тепловых машин). Эта необратимость является следствием диссипации энергии (перехода ее упорядоченных форм в тепловую). Всякий диссипативный процесс необратим постольку, поскольку «рассеянная» теплота не может быть целиком превращена в работу. Иного рода необратимость, связанная с «разбеганием (ветвлением) траектории», когда при протекании какого-либо нестатического процесса преодолеваются все имеющиеся в системе термодинамические силы, т.е. происходят процессы превращения энергии не только в тепловую, но и в другие ее формы в соответствии с природой преодолеваемых сил (механические, электрические, химические, поверхностные, магнитные и т.п.). В таком случае даже в отсутствие диссипации невозможно возвратиться к началу процесса, обратив знак любого из этих процессов – для этого потребуется уже обращение знака и величины всех термодинамических сил, преодолеваемых в ходе прямого процесса. Это в общем случае так же невозможно, как и удаление всех «метастазов» при раковых заболеваниях. Далее, необратимость может явиться следствием предельного перехода к бесконечному числу частиц вследствие невозможности восстановить первоначальное их распределение. Наконец, необратимость может возникнуть в системе бесконечных размеров типа Вселенной вследствие того, что «сигнал» не возвращается в систему или возвращается в нее с задержкой.

Таким образом, современное содержание понятия необратимости много шире его трактовки Клаузиусом и Томсоном. Эту широту и философское звучание понятию необратимости придал М. Планк, который понимал под ней «невозможность вернуть всю природу в то состояние, в котором она находилась к началу процесса». В этом его требовании слились воедино различные аспекты проблемы необратимости. С общенаучной точки зрения необратимы все процессы, подчиняющиеся причинно – следственным отношениям, ибо следствие не может породить причину. Со статистико-механической точки зрения необратимы все процессы, увеличивающие вероятность состояния. С позиций теории информации необратимы все процессы, сопровождающиеся снижением определенности наших знаний о состоянии системы. В термодинамике необратимы все процессы, приводящие к превращению упорядоченных форм энергии в тепловую. Объем этих понятий различен. Поэтому следует различать необратимость термодинамическую, связанную с ростом термодинамической энтропии; статистическую, обусловленную ростом статистической энтропии, и необратимость информационную, связанную с ростом информационной энтропии. В смешении этих аспектов необратимости и соответствующих им понятий энтропии и кроются, на наш взгляд, гносеологические корни тех заблуждений, которые привели к абсолютизации принципа возрастания энтропии и к выводу о неизбежной «тепловой смерти Вселенной».

При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, рассеивается в мировом пространстве. Так как такой процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в Природе прекратятся, и наступит состояние, которое Клаузиус назвал «тепловой смертью» Вселенной).

В ходе рассуждений о «тепловой смерти» Вселенной Клаузиус ввел некоторую математическую величину, названную им энтропией. По сути дела энтропия служит мерой степени беспорядка, степени хаотичности состояния физической системы. Второе начало термодинамики гласит, что энтропия изолированной физической системы никогда не убывает, — в крайнем случае она может сохранять свое значение неизменным.

Всякие естественные процессы сопровождаются возрастанием энтропии Вселенной; такое утверждение часто называют принципом энтропии. Также энтропия характеризует условия, при которых запасается энергия: если энергия запасается при высокой температуре, ее энтропия относительно низка, а качество, напротив, высоко. С другой стороны, если то же количество энергии запасается при низкой температуре, то энтропия, связанная с этой энергией, велика, а ее качество — низко.

Возрастание энтропии является характерным признаком естественных процессов и соответствует запасанию энергии при все более низких температурах. Аналогично можно сказать, что естественное направление процессов изменения характеризуется понижением качества энергии.

Такое истолкование связи энергии и энтропии, при котором энтропия характеризует условия запасания и хранения энергии, имеет большое практическое значение. Первое начало термодинамики утверждает, что энергия изолированной системы (а возможно, и всей Вселенной) остается постоянной. Поэтому, сжигая ископаемое топливо — уголь, нефть, уран — мы не уменьшаем общих запасов энергии. В этом смысле энергетический кризис вообще невозможен, так как энергия в мире всегда будет оставаться неизменной. Однако, сжигая горсть угля и каплю нефти, мы увеличиваем энтропию мира, поскольку все названные процессы протекают самопроизвольно. Любое действие приводит к понижению качества энергии Вселенной. Поскольку в промышленно развитом обществе процесс использования ресурсов стремительно ускоряется, то энтропия Вселенной неуклонно возрастает. Нужно стремиться направить развитие цивилизации по пути снижения уровня производства энтропии и сохранения качества энергии.

Тест

 

  1. Укажите три основные научные программы античности:
  2. теологизм
  3. математическая программа Пифагора – Платона
  4. программа Аристотеля
  5. гелиоцентризм Коперника
  6. атомизм Левкиппа — Демокрита
<

Комментирование закрыто.

MAXCACHE: 0.95MB/0.00036 sec

WordPress: 22.4MB | MySQL:121 | 1,340sec