До сих пор рассматривался физический смысл энтропии в ее классическом термодинамическом выражении. Рассмотрим теперь смысл этого понятия в статистической трактовке второго закона термодинамики. Наиболее наглядно этот смысл проявляется в фазовых переходах первого рода, например, плавления. В этом процессе тепло, полученное системой при постоянной температуре фазового перехода, связано с энтропией простейшей зависимостью .Поскольку кинетическая энергия молекул, находящаяся в прямой зависимости от Т, практически не изменяется, то, очевидно, что поступающее тепло расходуется на ослабление связей между частицами, образующими кристаллическую решетку, т.е. на увеличение потенциальной энергии связи молекул. Этот случай позволяет увидеть в чистом виде одну из составляющих физического смысла энтропии, обычно маскируемую одновременным изменением кинетической и потенциальной энергий, и выявить, что энтропия - это функция, отражающая и величину потенциальной энергии связей микрочастиц. Ее монотонный рост в прямой зависимости от температуры нарушается фазовыми переходами, когда потенциальная энергия связей изменяется скачком. Особенно большим этот скачок может быть при переходе п газовую фазу, когда фактически происходит разрыв связей между молекулами вещества. При этом расстояние между ними может увеличиваться на несколько порядков (у воды объем при переходе в пар возрастает примерно в 1700 раз) и дальнейший рост потенциальной энергии частиц становится незначительным. И лишь тогда приложение статистического выражения второго закона становится практически адекватным.
Существование организмов определяется, в первую очередь, сохранением их структуры, которая, в свою очередь, зависит от прочности связей слагающих ее частей, характеризуемой их потенциальной энергией. Отсюда очевидно, что статистическое выражение второго закона термодинамики в общем случае непригодно для выражения энтропии и. в частности, для исследования специфики жизни. Это связано с тем, что оно выведено на основании идеальной модели, в которой все взаимодействия частиц сводятся к упругим соударениям друг с другом и со стенками сосуда, а все остальные взаимодействия игнорируются.
Рассмотрим теперь в ином свете классическое положение о росте энтропии в изолированной системе. Предположим, обмениваются теплом две ее части: 1 и 2,имеющие температуру и . Пусть от части 1 к части 2 перейдет тепла. При этом изменится как кинетическая - ,так и потенциальная - компоненты внутренней энергии обеих частей .
Это значит, что потенциальная энергия, т.е. энергия связей частиц в изолированной системе в итоге возросла за счет убыли кинетической.
Из изложенного следует, что элементарный прирост энтропии здесь слагается из трех компонент: за счет уменьшения кинетической энергии, сужающей фазовое пространство и соответственно изменяющей статистическое слагаемое: за счет прироста потенциальной энергии; за счет перехода распределения скоростей молекул к наиболее вероятному .
Из этих трех слагаемых Л. Больцман рассматривает лишь третью составляющую. Отсюда и "парадоксы" типа тех, которые возникают при росте упорядоченности с ростом энтропии в изолированной системе.
Таким образом, физический смысл энтропии раскрывается как довольно сложная система факторов, требующих кропотливого исследования, которое оказывается весьма затруднительным, после того как были объединены в общих выражениях разнородные понятия работы и тепла, и тем более после математических операций над ними.
В то же время потенциал - температура, входящая в выражение энтропии, с одной стороны, является измеримой величиной, с другой - может рассматриваться как одна из основных причин необратимости процессов. С этой точки зрения представляется возможной еще одна формулировка второго закона, исключающая понятие энтропии. Другими словами, этот закон может быть сформулирован как закон возникновения тепла в любом неравновесном процессе и самопроизвольном необратимом выравнивании теплового потенциала.
Синергетика в биологии
Выше были рассмотрены основные понятия термодинамики и синергетики, наиболее часто используемые в анализе феномена жизни. Рассмотрим теперь еще одно из основных понятий синергетики - "бифуркация". Как известно, под бифуркацией у И. Пригожина и других авторов понимается слабое воздействие, радикально изменяющее ход процесса. В то же время, насколько нам известно, классификации бифуркаций не существует. Однако между различными классами бифуркаций, как представляется, есть фундаментальные различия.
К первому классу бифуркаций могут быть отнесены воздействия на тот вид систем, которые представлены потоками. Таковы, например, реки, русла которых практически без затрат энергии поворачивают потоки воды к тому или иному водоему (аттрактору) или зеркала, поворачивающие световой луч на тот или иной объект.
Что же касается воздействия на стабильные (метастабильные) объекты, то прежде, чем коснуться их, нам придется рассмотреть некоторые общие принципы образования таких систем.
Известно, что частицы обладают свойствами, обусловливающими их способности к различным взаимодействиям: электромагнитным, сильным, слабым, гравитационным, взаимодействия с (р-полем, которые имеют место па разных расстояниях - от бесконечно большого (электромагнитные, гравитационные) до расстояний, измеряемых ангстремами (сильные, слабые). Отметим три обстоятельства.
1. Слабые связи могут препятствовать возникновению более сильных. Так, электрическое отталкивание атомных ядер может препятствовать их слиянию, при котором возникает более сильная связь.
2. Сложение слабых сил может привести к их превосходству над более сильными и определить характер связей. Например, сила гравитации в массивных звездах может превышать силу других видов взаимодействий.
3. Из 1 и 2 следует, что картина мира зависит от истории взаимодействий частиц.
В силу перечисленных обстоятельств, очевидно, что при разрыве прежних связей первоначально возникает хаос. Затем, за счет сил, изначально присущих частицам, возникают новые структуры. Существенно же важным явлением, которому обязано все разнообразие существующих систем, являются потенциальные барьеры.
Действительно, термоядерный синтез более тяжелых элементов из более легких идет с выделением энергии точно так же, как распад тяжелых. Следовательно, оба эти процесса термодинамически вероятны, так как обеспечивают реализацию второго закона термодинамики. И, тем не менее, устойчивые изотопы существуют миллиарды лет, не изменяясь в земных условиях ни качественно, ни количественно.
Образно говоря, в энергетическом плане периодическая таблица химических элементов может быть представлена как ряд спускающихся с обоих ее концов каскадов энергетических "озер", отделенных друг от друга "плотинами" потенциальных барьеров, сходящихся к атому железа, переход от которого в любую сторону требует лишь "подъема" - поглощения энергии.
Разнообразием элементов, а также наличием потенциальных барьеров химического происхождения обусловлено и разнообразие химических соединений, не только самых устойчивых. Второй закон термодинамики в статической формулировке не рассматривает свойства структур. Термодинамика ничего не говорит и об общих причинах того, что по мере остывания Вселенной процессы в ней не замирали в метастабильных состояниях материи в виде энергетических "озер" за "плотинами" потенциальных барьеров. Она говорит лишь о вероятности возникновения процесса, если он направлен в сторону деградации энергии. Во многих случаях вероятность процесса выравнивания вызвана тем, что малое воздействие высвобождает большую энергию из-за потенциального барьера. В свою очередь, эта выделившаяся энергия частично идет на освобождение большей, чем первая часть потенциальной энергии и т.д. Процесс, таким образом, развивается с положительной обратной связью, т.е. превращается в цепной. Назовем бифуркации, инициирующие такой процесс, бифуркациями второго рода. Именно в области изучения этих процессов в синергетике в основном и достигаются реальные результаты.
Для иллюстрации таких процессов выберем наиболее наглядный пример - речную плотину. Чем выше уровень воды, тем больше вероятность того, что вода просочится сквозь плотину и под ней. Если же она найдет выход, то будет стремиться ускорить процесс выравнивания. Тот же принцип реализуется и в разнообразных цепных процессах: механических (камнепад), электрических (пробой изоляции, газовый разряд), химических и ядерных цепных реакциях. В соответствии с этим принципом происходят и процессы образования небесных тел. Притягивая к себе вещество, небесные тела увеличивают свою массу, но чем больше масса, тем более нарастает мощь этих процессов. В итоге возможно образование новых потенциальных барьеров за счет синтеза ядер легких химических элементов. Эти процессы будут препятствовать тепловым расширением процессу сжатия. А. Дюкрок назвал совокупность таких процессов, регулирующих устойчивость небесных тел, "кибернетикой космоса" [8]. Термоядерный процесс, протекающий на Солнце, обеспечивает возникновение химических потенциальных барьеров в соединениях, синтезируемых на Земле зелеными растениями и т.п.
Существуют ситуации, когда потенциальный барьер может быть устранен или восстановлен за счет слабого энергетического воздействия. Если та же плотина имеет заслонку у своего дна, то небольшое приложенное к ней условие обеспечит неограниченный и в то же время легко управляемый переток воды из верхнего бьефа в нижней. Такой же эффект будет достигнут, если, например, слабое механическое воздействие введет катализатор в контакт с соответствующим субстратом или поворотом выключателя будет замкнута электрическая цепь и т.д. Назовем бифуркации подобного вида бифуркациями третьего рода. Именно эти бифуркации и являют собой информацию, т.е. специфическое воздействие на структуры, характерные лишь для живых и автоматических систем [9]. Именно эти процессы отличают системы в качестве организованных. Что же касается синергетики, то она занимается изучением упорядоченных систем, что отнюдь не является специфическим свойством организмов и автоматов.
Характерно, что в синергетике не делается различия между этими принципиально разными видами бифуркаций, но именно здесь проходит водораздел между косной и живой природой.
Попытки использовать термодинамику для выяснения специфики жизни предпринимались задолго до возникновения синергетики. История этого подхода насчитывает уже более сотни лет и начинается с уже упоминавшейся речи Л. Больцмана. Согласно Больцману организмы - это открытые системы, уменьшающие свою энтропию за счет внешнего источника. Эту идею поддержали К.А. Тимирязев, Ф. Аурбах, А.Е. Ферсман, В.И. Вернадский, Э.С. Бауэр, А.И. Опарин и другие ученью. Э. Шредингер сформулировал это положение наиболее коротко: "Отрицательная энтропия - это то, чем питается жизнь" [2. С. 74]. В 1901 г. Н.А. Умов выдвинул положение о том, что организмы содержат нечто вроде демона Максвелла, сообщающего им упорядоченность. И хотя Л. Берталанфи показал, что энтропия реальными открытыми системами может "выбрасываться" в окружающую среду, и из этой же среды может извлекаться отрицательная энтропия, точка зрения Л. Больцмана на специфику жизни как негэптропишюго образования доминирует до сих пор. Наиболее известные современные авторы в этой области И. Пригожин, Ж. Николис, М. Эпген, А.П. Руденко и ряд других ученых, видят специфику жизни в стационарности процессов, протекающих в организме. Феномен жизни относится ими к дисипативным системам с устойчивым неравновесием. Но к таким системам относятся не только организмы, но и любые потоки. В частности, круговорот воды в природе имеет споим энергетическим донором тот же источник, что и биосфера - Солнце. При этом биосфера потребляет лишь ничтожную часть солнечной энергии по сравнению с круговоротом воды. Когда Земля охлаждается, не получая солнечного света, за счет энергии облаков совершается работа, приводящая к выпадению осадков. Отсюда начинается круговорот, обеспечивая поступление солнечной энергии на остывшую земную поверхность. Таким образом, и здесь пополнение энергии и поддержание устойчивого неравновесия осуществляется подобно тому, как это делают организмы, уже непосредственно за счет собственной энергии и собственной деятельности. Новый возникающий при этом цикл испарения обеспечивает не только пополнение энергии, но и температурный гомеостаз земной поверхности, вновь закрывая ее облаками. Таким образом, круговорот воды уподобляется с этих позиций живому. Тем не менее, очевидно, что жизнь имеет принципиальные отличия от круговорота воды. Это специфическое отличие может быть найдено, если мы вспомним, какую роль в физике XX в. сыграло понимание того факта, что свет, представлявшийся непрерывным потоком, на самом деле излучается дискретными квантами, огромное множество которых, а также особенности нашего восприятия, и создавали представление о потоке. Сам автор этого открытия М. Планк, как известно, в течение нескольких лет сомневался в реальности этого, полученного теоретическим путем, результата.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35
