Энтропия: от порядка к хаосу

Упорядоченность. Как часто в повседневной жизни люди задумываются о том, что многие объекты и явления окружающего их мира подчиняются определенному ритму? Размеренный стук маятника или тиканье часов, вращение планет вокруг Солнца или вращение Земли вокруг своей оси, расписание поездов и т.д. – все это примеры определенной упорядоченности вещей или событий, наблюдаемых человеком в реальной жизни.

Что такое «порядок»?

В самом широком смысле слова, порядок – это гармоничное, ожидаемое состояние или расположение чего-либо. С философской точки зрения – это категория, обозначающая определенное пространственно-временное положение элементов какого-либо множества или системы. В философии главной такой системой является космос (категория, фиксирующая представления о мире как об упорядоченной и структурно организованной целостности). Порядок подразумевает под собой наличие устойчивых связей в системе (между её элементами); а также существование некоторой закономерности, которой подчиняются эти элементы, и возможности предсказания допустимых изменений данной системы. Так, одной из основных характеристик космоса, например, является подчиненность внутренней мере как организационному и динамическому принципу.

Противоположностью категории порядка является 
категория хаоса.

В переводе с греческого языка слово «хаос» означает «пустота», «бездна», «пропасть». Надо сказать, что подобное понимание данной категории сегодня почти утеряно. Сейчас у большинства людей с хаосом ассоциируется целый ряд таких синонимов, как, например, «беспорядок», «гибель», «апокалипсис», «анархия», в конце концов. Однако в эпоху античности сформировался иной, философский, взгляд на эту проблему. Здесь под хаосом человек понимает начало всего сущего. Это некое неупорядоченное первовещество, являющееся противоположностью упорядоченному космосу. Позднее Гесиод в своей поэме «Теогония» определит хаос так:

«Он возникает первым, но не является ни творческим первоначалом, порождающим космос, ни материалом для вселенной, а образует лишь пространство для развертывания позитивных сил, которые зарождаются не из него, а наряду с ним и после него».

Иначе говоря, хаос – это первоначальное беспорядочное состояние, в котором мир пребывал до возникновения упорядоченного космоса.

А теперь, вооружившись философским пониманием выше указанных двух категорий, пора разбудить в себе внутреннего физика и поговорить, наконец, о том, ради чего и был написан данный текст.

О том, как порядок становится хаосом.
Об энтропии.

Энтропия со все того же греческого языка переводится как «поворот», «превращение». Это показатель случайности или неупорядоченности строения какой-либо системы. Впервые этот термин был введен в термодинамике в 1865 году немецким физиком Р. Клаузиусом для отражения процесса однонаправленного перераспределения энергии в замкнутых системах. Под энтропией стали понимать меру беспорядка системы. Соответственно, существовавшая до этого момента формулировка второго закона термодинамики (теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему), данная ранее тем же Клаузиусом, приняла более точный вид. Теперь второй закон термодинамики стал звучать следующим образом:

При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает.

Физический смысл возрастания энтропии заключается в том, что изолированная система с постоянной энергией и некоторым количеством частиц движется от более или менее упорядоченного состояния к состоянию хаоса, беспорядка и дезорганизации.

Это состояние и есть наиболее простое состояние системы (термодинамическое равновесие), при котором движение частиц хаотично. Так, например, Брайан Грин в своей книге «Ткань космоса: пространство, время и текстура реальности» писал:

«Высокая энтропия означает, что много перестановок составляющих частей, мыслимых для системы, пройдут незамеченными, и это, с другой стороны, означает, что система сильно неупорядочена. Низкая энтропия означает, что только несколько перестановок пройдут незамеченными, и это, с другой стороны, означает, что система сильно упорядочена».

Говоря об энтропии Вселенной, нужно отметить, что Клаузиус в своей попытке распространить заново сформулированный второй закон термодинамики на эту огромную систему пришел к выводу: энтропия Вселенной всегда возрастает. Что, в свою очередь, приводит нас к другому выводу: Большой взрыв, в результате которого и появилась Вселенная, дал ей старт в экстраординарно специфическом, высоко упорядоченном состоянии с низкой энтропией. И с тех самых пор, с момента своего непосредственного возникновения, Вселенная движется по пути возрастания энтропии, т.е. стремится перейти из сложного, упорядоченного состояния к более простому и хаотичному. Максимальная же энтропия означает полное термодинамическое равновесие, т.е. состояние абсолютного хаоса.

Вывод из этого следует довольно печальный:

Необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая, рассеиваясь, равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие.

Если наша Вселенная замкнута, то ее ожидает именно эта незавидная участь. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится.

Но тогда возникает вопрос: как вся эта система может стремиться к беспорядку, если в реальности мы наблюдаем явления, полностью противоположные этому? Например, вся история жизни на Земле – это эволюция. Как получилось так, что Вселенная, возникнув в таком высокоупорядоченном состоянии, организовала свои элементы так, что на протяжении миллиардов лет они все более и более упорядочивались, усложнялись в своих структурах, вместо того, чтобы медленно деградировать через равномерные, но менее упорядоченные конфигурации, на пути к возрастающей энтропии?

Здесь огромное значение имеет стрела времени, порожденная Большим Взрывом. Все дело в том, что, как бы удивительно это не звучало, энтропия возрастает как по направлению в будущее, так и по направлению в прошлое. Однако вероятность того, что система перейдет в состояние с большей энтропией (настолько подавляюще велика по сравнению с вероятностью того, что она пойдет по пути ее уменьшения), что последнее вообще фактически невозможно в природе.

Например, представим, что стоящая на столе чашка – образ высокого порядка. Теперь вообразим, что эта чашка падает со стола и разбивается на множество осколков. Мы получим образ хаоса.

Такой путь, от целого и упорядоченного до разбившегося и хаотичного, пройти нетрудно, другое дело, что обратный ход событий невозможен. Так происходит и со Вселенной: порядок вначале – это то, с чего все стартовало, и мы с тех пор живем, двигаясь в направлении более высокого беспорядка. Беспорядок растет со временем, потому что мы измеряем время в направлении, в котором растет беспорядок, т.е. от прошлого к будущему. Это и есть одно из определений стрелы времени.

Однако живые организмы – это открытые системы.

А открытая система, в отличие от изолированной, способна обмениваться с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Любой живой организм есть физическая система с поразительно высокой степенью упорядоченности. Откуда же возникла эта организация и как она поддерживается?

Любой живой организм живет, и остается жив достаточно долгое время, чтобы успеть произвести на свет потомство, питаясь и дыша при этом. Пища и кислород обеспечивают ряд материалов, из которых животные получают требуемую их организмам энергию. У этой энергии есть свойство, которое необходимо подчеркнуть.

В течение своей жизни живое существо, оставаясь здоровым, получает примерно такое же количество энергии, какое оно потом возвращает в окружающую среду, главным образом, в форме тепла и других отходов своей жизнедеятельности. Если бы этого баланса между приходящей и уходящей энергией не существовало, животное становилось бы все более и более тяжелым.

Характеристика «энтропийного обмена» между живым организмом и средой

Разрушение же живой системы (смерть организма) наступает тогда, когда данная система становится изолированной, т.е. получение энергии извне и вывод тепла и продуктов распада из организма прекращается.

В изолированной системе, находящейся в неравновесном состоянии, возникают процессы, вызывающие увеличение в ней энтропии и стремящиеся привести ее в состояние равновесия.

Однако работоспособность живой системы основана на ее физическом и химическом неравновесии, ее высокая функциональность поддерживается высокой упорядоченностью динамического состояния неравновесия. Следовательно, переход такой системы в равновесное состояние хаоса, как бы парадоксально это ни звучало, означает для нее гибель.

Итак.

Согласно современным научным взглядам, процессы взаимоперехода от порядка к хаосу можно обнаружить фактически во всем. Каждый живой организм и неживой предмет есть сложноорганизованная система. А для любой системы характерно движение от упорядоченного состояния ее элементов к хаотичному, и наоборот.

Есть, что почитать:

Гесиод Полное собрание текстов [текст]: поэмы, фрагменты / перевод В.В. Вересаева. – М.: Лабиринт, 2001. – с. 256.

Грин, Б. Ткань космоса [текст] : Пространство, время и текстура реальности / Б. Грин. – М. – ЛИБРОКОМ, 2009. – с. 169.

Зубарев Д.Н., Морозов В.Г. Энтропия [текст] / Д.Н. Зубарев, В.Г. Морозов // Физическая энциклопедия: в 5-ти томах. — М.: Большая российская энциклопедия, 1998. – С. 616-617.

Можейко, М. А. Космос [текст] / М. А. Можейко // История философии: Энциклопедия. — Мн.: Интерпрессервис; Книжный Дом. 2002. — с. 1376.

Термодинамика нелинейных биологических процессов [текст] : Переход к хаосу. – Екатеринбург: Хрестоматия, 2008. – с.34.

Хокинг С. Краткая история времени [текст] : от большого взрыва до черных дыр / С. Хокинг. – СПб: Амфора, 2010. – с. 231.



Стольный киборг