Попытку распространить законы термодинамики на Вселенную в целом предпринял Р.Клаузиус , выдвинувший следующие постулаты.

- Энергия Вселенной всегда постоянна, то есть Вселенная – это замкнутая система.

- Энтропия Вселенной всегда возрастает.

Если мы примем второй постулат, то нам надо признать, что все процессы во Вселенной направлены на достижение состояния термодинамического равновесия, характеризуемого максимумом энтропии, что означает наибольшую степень хаоса, дезорганизации, энергетическое уравновешивание. В этом случае во Вселенной наступает тепловая смерть и никакой полезной работы, никаких новых процессов или образований в ней производиться не будет (не будут светить звезды, образовываться новые звезды и планеты, остановится эволюция вселенной).

С этой мрачной перспективой были не согласны многие ученые, предполагавшие, что наряду с энтропийными процессами во Вселенной должны происходить и антиэнтропийные процессы, которые препятствуют тепловой смерти Вселенной.

Среди таких ученых был и Л.Больцман, который предположил, что для небольшого числа частиц второйзакон термодинамики не должен применяться , ибо в этом случае нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом наша часть Вселенной должна рассматриваться как небольшая часть бесконечной Вселенной. А для такой небольшой области допустимы небольшие флуктуационные (случайные) отклонения от общего равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция нашей части Вселенной в направлении к хаосу. Во Вселенной имеются относительно небольшие участки, порядка нашей звездной системы, которые в течение относительно небольших промежутков времени значительно отклоняются от теплового равновесия. В этих участках имеет место эволюция, то есть развитие, усовершенствование, нарушение симметрии.

В середине ХХ века новая неравновесная термодинамика, или термодинамика открытых систем , или синергетика где место закрытой изолированной системы заняло фундаментальное понятие открытой системы. Основателями этой новой науки было И.Р.Пригожин (1917-2004) и Г.Хакен (1927).

Открытая система – это система, которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией или информацией.

Открытая система тоже производит энтропию, как и закрытая, но в отличие от закрытой, эта энтропия не накапливается в открытой системе, а выводится в окружающую среду. Использованная отработанная энергия (энергия низшего качества – тепловая при низкой температуре) рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая энергия (высокого качества, способная переходить из одной формы в другою), способная производить полезную работу.

Возникающие для этих целей материальные структуры, способные рассеивать использованную энергию и поглощать свежую, называются диссипативными . В результате такого взаимодействия система извлекает порядок из окружающей среды, одновременно внося беспорядок в эту среду. С поступлением новой энергии, вещества или информации неравновесность в системе возрастает. Прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяла ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, приводящие к кооперативным процессам, то есть к коллективному поведению элементов. Так схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых системах.

В качестве примера такой системы можно взять работу лазера , с помощью которого получают мощные оптические излучения. Хаотические колебательные движения частиц такого излучения, благодаря поступлению определенной порции энергии извне производят согласованные движения. Частицы излучения начинают колебаться в одинаковой фазе, вследствие чего мощность лазерного излучения много кратно увеличивается, несоизмеримо с количеством подкаченной энергии.

Изучая процессы, происходящие в лазере, немецкий физик Г.Хакен (р.1927) назвал новое направление синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает “совместное действие”, “взаимодействие”.

Еще одним известным примером самоорганизации могут служить химические реакции, которые изучал И.Пригожин. Самоорганизация в этих реакциях связана с поступлением в систему извне веществ, обеспечивающих эти реакции (реагентов), с одной стороны, и выведением в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Внешне такая самоорганизация может проявиться в виде периодически появляющихся концентрических волн или в периодическом изменении цвета реагируемого раствора. Подобную химическую реакцию получил и исследовал известный бельгийский химик русского происхождения И.Р.Пригожин. Свою химическую реакцию Пригожин назвал «Брюсселятор» в честь города Брюсселя, где Пригожин жил и работал, и где была впервые поставлена эта реакция.

Вот как писал об этом сам Пригожин: “Предположим, что у нас имеются молекулы двух сортов: “красные” и “синие”. Из-за хаотического движения молекул можно было бы ожидать, что в какой-то момент в левой части сосуда окажется больше “красных” молекул, а в следующий момент больше станет “синих” молекул и т.д. Цвет смеси с трудом поддается описанию: фиолетовый с беспорядочными переходами в синий и красный. Иную картину мы увидим, разглядывая химические часы: вся реакционная смесь будет иметь синий цвет, затем ее цвет резко изменится на красный, потом снова на синий и т.д. Смена окраски происходит через правильные интервалы времени. Для того чтобы одновременно изменить свой цвет, молекулы должны каким-то образом поддерживать связь между собой. Система должна вести себя как единое целое” (Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986. С.202-203).

Конечно же, никакого «сговора» между молекулами в прямом смысле этого слова нет и быть не могло. Дело в том, что в определенный момент времени все молекулы начинали колебаться в одной фазе – синего цвета, и тогда вся смесь приобретала синий цвет. Через определенный промежуток времени молекулы начинали колебаться в другой фазе – фазе красного цвета, и тогда вся смесь приобретала красный цвет и т.д., пока не заканчивалось действие реагента.

Приведем другой пример. Если взять цирковой прозрачный барабан с синими и красными шариками и начать его вращать с определенной частотой – частотой красного цвета, то мы, как и в случае с молекулами, обнаружим, что все шарики стали красными. Если мы сменим частоту вращения барабана на соответствующую синей длине волны, то увидим, что шарики посинели и т.д.

Наиболее показательным примером самоорганизации могут служить ячейки Бенара . Это маленькие шестигранные структуры, которые могут, к примеру, образоваться в слое масла на сковородке при соответствующем перепаде температур. Как только температурный режим меняется ячейки распадаются.

Таким образом, чтобы самопроизвольно выстроилась новая структура, необходимо задать соответствующие параметры среды.

Управляющие параметры – это параметры среды, которые создают граничные условия, в рамках которых существует данная открытая система (это может быть температурный режим, соответствующая концентрация веществ, частота вращения и т.п.).

Параметры порядка – это «ответ» системы на изменение управляющих параметров (перестройка системы).

Очевидно, что процесс самоорганизации может начаться не в любой системе и не при любых условиях. Рассмотрим условия, при которых может начаться процесс самоорганизации.

Необходимыми условиями для возникновения самоорганизации в различных системах являются следующие:

1. Система должна быть открытой , потому что закрытая система, в конечном счете, должна прийти в состояние максимального беспорядка, хаоса, дезорганизации в соответствии со 2 законом термодинамики;

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точкитермодинамического равновесия . Если система уже находится вблизи от этой точки, то она неизбежно приблизится к ней и, в конце концов, придет в состояние полного хаоса и дезорганизации. Ибо точка термодинамического равновесия является сильным аттрактором;

3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит «возникновение порядка через флуктуации» (И.Пригожин). Флуктуации или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения в начале подавляются и ликвидируются системой. Однако, в открытых системах, благодаря усилению неравновесности, эти отклонения со временем возрастают, усиливаются и, в конце концов, приводят к “расшатыванию” прежнего порядка, к хаотизации системы. В состоянии неустойчивости, нестабильности система будет особенно чувствительна к начальным условиям, чувствительна к флуктуациям. В этот момент какая-то флуктуация прорывается с макроуровня системы на ее микроуровень и осуществляет выбор дальнейшего пути развития системы, дальнейшей ее перестройки. Предсказать, как поведет себя система в состоянии нестабильности, какой выбор будет ей сделан в принципе невозможно. Этот процесс характеризуется как принцип «возникновения порядка через флуктуации». Флуктуации носят случайный характер. Поэтому становится ясным, что появление нового в мире связано с действием случайных факторов.

Например, тоталитарное общество в Советском Союзе являлось прочной социальной структурой. Однако, поступающая из-за рубежа информация о жизни других обществ, торговля (обмен товарами) и т.п. стали вызывать в тоталитарном обществе отклонения в виде свободомыслия, недовольства, диссидентства и т.п. Вначале структура тоталитарного общества была в состоянии подавлять эти флуктуации, но их становилось все больше, и сила их нарастала, что привело к расшатыванию и развалу старой тоталитарной структуры и замене ее новой.

И еще один шуточный пример: Сказка про репку. Посадил дед репку. Выросла репка большая пребольшая. Настало время ее вытаскивать из земли. Дед тащил, тащил репку, но вытащить ее так и не смог. Слишком еще устойчивая система наша репка. Позвал дед на помощь бабку. Тащили они, тащили репку вместе, но вытащить так и не смогли. Флуктуации, расшатывающие репку усиливаются, но их пока еще не достаточно, чтобы разрушить систему (репку). Позвали они внучку, но тоже репку не вытащили. Затем позвали собаку Жучку, и, наконец, позвали мышку. Казалось бы, какое усилие могла сделать мышка, но она явилась «последней каплей», которая привела к качественно новому изменению системы – ее развалу (репка была вытащена из земли). Мышку можно назвать непредсказуемой случайностью, которая сыграла решающую роль, или «малой причиной больших событий»;

4. Возникновение самоорганизации опирается на положительную обратную связь . Согласно принципу положительной обратной связи, изменения, появляющиеся в системе не устраняются, а усиливаются, накапливаются, что приводит, в конце концов, к дестабилизации, расшатыванию старой структуры и замене ее на новую;

5. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушениемсимметрии . Симметрия означает устойчивость, неизменность. Самоорганизация же предполагает асимметрию, то есть развитие, эволюцию;

6. Самоорганизация может начаться лишь в больших системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов (10 10 -10 14 элементов), то есть в системах, имеющих некоторые критические параметры . Для каждой конкретной самоорганизующейся системы эти критические параметры свои.

Лекция № 14. Основные понятия синергетики. Возможностьуправления синергетическими системами.

Взрывные, катастрофические процессы были известны человечеству издавна. Скажем, человек, путешествующий по горам знал, на основе своего эмпирического опыта, что горная лавина может обрушиться внезапно, чуть ли не от дуновения ветра или неудачно сделанного шага.

Революции и катаклизмы часто представляли собой следствия последней капли народного недовольства, последнего случайного события переполнившего чашу весов. Это были типичные малые причины больших событий.

Каждый из нас может вспомнить определенные ситуации выбора, которые стояли на жизненном пути, и в решающие жизненные моменты перед нами открывалось несколько возможностей. Все мы включены в механизмы, где в критический момент, момент перелома решающий выбор определяет случайное событие. Итак, лавинообразные процессы, социальные катаклизмы и потрясения, критические ситуации выбора на жизненном пути каждого человека.. . Можно ли подвести единую научную основу под все эти, казалось бы различные, факты? Последние 30 лет закладывается фундамент такой универсальной научной модели, которая получила название синергетики.

Как мы уже видели, синергетика основана на идеях системности,целостного подхода к миру, нелинейности (то есть много вариантности), необратимости , глубинной взаимосвязи хаоса и порядка . Синергетика дает нам образ сложноорганизованного мира , который является не ставшим, а становящимся, не просто существующим, а непрерывно возникающим . Этот мир развивается по нелинейным законам , он полон неожиданных , непредсказуемых поворотов, связанных с выбором дальнейшего пути развития.

Предметом синергетики являются механизмы самоорганизации . Это механизмы образования и разрушения структур, механизмы, обеспечивающие переход от хаоса к порядку и обратно. Эти механизмы не зависят от конкретной природы элементов систем. Они присущи неживому миру и природе, человеку и социуму. Синергетику поэтому считают междисциплинарным направлением научного исследования.

Синергетика, как и любая другая наука, имеет свой собственный язык, свою систему понятий. Это такие понятия как “аттрактор”, “бифуркация”, “фрактальный объект”, “детерминированный хаос” и другие. Понятия эти должны стать доступными для каждого образованного человека, тем более что им можно найти соответствующие аналоги в науке и культуре.

Основными понятиями синергетики являются понятия «хаоса» и «порядка».

Порядок – это множество элементов любой природы, между которыми существуют устойчивые (регулярные) отношения, повторяющиеся в пространстве и во времени. Например, строй солдат, марширующих на параде.

Хаос – множество элементов, между которыми нет устойчивых повторяющихся отношений. Например, бегущая в панике толпа людей.

Понятие “аттрактор” близко к понятию цели. Это понятие можно раскрыть как целеподобность, как направленность поведения системы, как устойчивое относительно конечное ее состояние. В синергетике под аттрактором понимают относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягиваетк себе всемногообразие траекторий системы , определяемых разными начальными условиями. Если система попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию. Например, независимо от начального положения мяча, он скатится на дно ямы. Состояние покоя мяча на дне ямы – это аттрактор движения мяча.

Аттракторы подразделяются на простые и странные .

Простой аттрактор (аттрактор)- это предельное состояние порядка. Система выстраивает порядок и совершенствует его не до бесконечности, а до уровня, определяемой простым аттрактором.

Странный аттрактор – это предельное состояние хаотизации системы. Система хаотизируется, разваливается тоже не до бесконечности, а до уровня, определяемого странным аттрактором.

Понятие бифуркация в переводе с английского означает вилку с двумя зубцами – befork. Говорят обычно не о самой бифуркации, а о точки бифуркации . Синергетический смысл точкибифуркации таков – это точка ветвлениявозможных путей эволюции системы . Прохождениечерез точки ветвления, совершенный выбор закрывает иные пути и делает тем самымэволюционный процесс необратимым .

Нелинейную систему можно определить как систему, таящую в себе бифуркации.

Очень важным для синергетики является нелинейность . Под нелинейностью понимают:

1. Возможность выбора пути развития системы (подразумевается, что у системы существует не один путь развития, а несколько);

2. Несоизмеримость нашего воздействия на систему и получаемого в ней результата. По пословице «мышь родит гору».

То, что в синергетике называют “бифуркацией ” имеет глубокие аналоги в культуре. Когда сказочный рыцарь стоит, задумавшись у придорожного камня на развилке дорог и выбор пути определит его дальнейшую судьбу, то это и является по существу наглядно-образным представлением бифуркации в жизни человека. Эволюция биологических видов, представленная в виде эволюционного дерева , наглядно иллюстрирует ветвящиеся пути эволюции живой природы.

Введение

1. Понятие Вселенной

2. Проблема тепловой смерти Вселенной

2.2 "За" и "против" теории тепловой смерти

Заключение

Введение

В данной работе мы поговорим о будущем нашей Вселенной. О будущем очень далеком, настолько, что неизвестно, наступит ли оно вообще. Жизнь и развитие науки существенно меняют наши представления и о Вселенной, и об ее эволюции, и о законах, управляющих этой эволюцией. В самом деле, существование черных дыр было предсказано еще в XVIII веке. Но лишь во второй половине XX столетия их стали рассматривать как гравитационные могилы массивных звезд и как места, куда может навечно «провалиться» значительная часть вещества, доступного наблюдениям, выбывая из общего круговорота. А позже стало известно, что черные дыры испаряются и, таким образом, возвращают поглощенное, хотя совсем в другом обличие. Новые идеи постоянно высказываются космофизиками. Поэтому картины, нарисованные еще совсем недавно, неожиданно оказываются устаревшими.

Одним из наиболее дискуссионных вот уже около 100 лет является вопрос о возможности достижения равновесного состояния во Вселенной, что эквивалентно понятию ее «тепловой смерти». В данной работе мы и рассмотрим его.

A что такое Вселенная? Ученые под этим термином понимают максимально большую область пространства, включающую в себя как все доступные для изучения небесные тела и их системы, т.е. как Метагалактику, так и возможное окружение, еще влияющее на характер распределения и движения тел в ее астрономической части.

Известно, что Метагалактика находится в состоянии приблизительно однородного и изотропного расширения. Все галактики удаляются друг от друга со скоростью тем большей, чем больше расстояние между ними. С течением времени скорость этого расширения уменьшается. На расстоянии 15-20 миллиардов световых лет удаление происходит со скоростью, близкой к скорости света. По этой и ряду других причин, мы не можем видеть более далекие объекты. Существует как бы некий «горизонт видимости». Вещество на этом горизонте находится в сверхплотном («сингулярном», т.е. особом) состоянии, в каком оно было в момент условного начала расширения, хотя на этот счет имеются и другие предположения. Из-за конечности скорости распространения света (300000 км/с) мы не можем знать, что происходит на горизонте сейчас, но некоторые теоретические расчеты позволяют думать, что за пределами горизонта видимости вещество распределено в пространстве примерно с той же плотностью, что и внутри него. Именно это и приводит как к однородному расширению, так и к наличию самого горизонта. Поэтому часто Метагалактику не ограничивают видимой частью, а рассматривают как сверхсистему, отождествленную со всей Вселенной в целом, считая ее плотность однородной. В простейших космологических построениях рассматривают два основных варианта поведения Вселенной – неограниченное расширение, при котором средняя плотность вещества с течением времени стремится к нулю, и расширение с остановкой, после которой Метагалактика должна начать сжиматься. В общей теории относительности показывается, что наличие вещества искривляет пространство. В модели, где расширение сменяется сжатием, плотность достаточно высока и кривизна оказывается такой, что пространство «замыкается на себя», подобно поверхности сферы, но в мире с большим, чем «у нас», числом измерений. Наличие горизонта приводит к тому, что даже этот пространственно конечный мир мы не можем видеть целиком. Поэтому с точки зрения наблюдений замкнутый и открытый мир различаются не очень сильно.

Скорее всего, реальный мир устроен сложнее. Многие космологи предполагают, что существует несколько, может быть, даже очень много метагалактик и все они вместе могут представлять какую-то новую систему, являющуюся частью некоторого еще более крупного образования (может быть, принципиально иной природы). Отдельные части этого гипермира (вселенные в узком смысле) могут иметь совершенно различные свойства, могут быть не связаны друг с другом известными нам физическими взаимодействиями (или быть слабо связанными, что имеет место в случае так называемого полузамкнутого мира). В этих частях гипермира могут проявляться иные законы природы, а фундаментальные константы типа скорости света могут иметь другие значения или вообще отсутствуют. Наконец, в таких вселенных может быть не такое, как у нас, число пространственных измерений.

2.1 Второй закон термодинамики

Согласно второму закону (началу) термодинамики, процессы, происходящие в замкнутой системе, всегда стремятся к равновесному состоянию. Иными словами, если нет постоянного притока энергии в систему, идущие в системе процессы стремятся к затуханию и прекращению.

Идея о допустимости и даже необходимости применения второго закона термодинамики ко Вселенной как целому принадлежит В. Томсону (лорду Кельвину), который опубликовал ее еще в 1852 г. Несколько позже Р. Клаузиус сформулировал законы термодинамики в применении ко всему миру в следующем виде: 1. Энергия мира постоянна. 2. Энтропия мира стремится к максимуму.

Максимальная энтропия как термодинамическая характеристика состояния соответствует термодинамическому равновесию. Поэтому обычно интерпретация этого положения сводилась (часто сводится и сейчас) к тому, что все движения в мире должны превратиться в теплоту, все температуры выровняются, плотность в достаточно больших объемах должна стать всюду одинаковой. Это состояние и получило название тепловой смерти Вселенной.

Реальное разнообразие мира (кроме, разве что, распределения плотности на самых больших ныне наблюдаемых масштабах) далеко от нарисованной картины. Но если мир существует вечно, состояние тепловой смерти уже давно должно было бы наступить. Полученное противоречие получило название термодинамического парадокса космологии. Чтобы его ликвидировать, нужно было допустить, что мир существует недостаточно долго. Если говорить о наблюдаемой части Вселенной, а также о ее предполагаемом окружении, то это, по-видимому, так и есть. Мы уже говорили о том, что она находится в состоянии расширения. Возникла она скорее всего в результате взрывообразной флуктуации в первичном вакууме сложной природы (или, можно сказать, в гипермире) 15 или 20 миллиардов лет назад. Астрономические объекты – звезды, галактики – возникли на более поздней стадии расширения из первоначально почти строго однородной плазмы. Однако по отношению к далекому будущему вопрос остается. Что ждет нас или наш мир? Наступит рано или поздно тепловая смерть или же этот вывод теории по каким-то причинам неверен?

2.2 «За» и «против» теории тепловой смерти

Многие выдающиеся физики (Л. Больцман, С. Аррениус и др.) категорически отрицали возможность тепловой смерти. Вместе с тем даже и в наше время не менее крупные ученые уверены в ее неизбежности. Если говорить о противниках, то, за исключением Больцмана, обратившего внимание на роль флуктуаций, их аргументация была скорее эмоциональной. Лишь в тридцатые годы нашего столетия появились серьезные соображения относительно термодинамического будущего мира. Все попытки решения термодинамического парадокса можно сгруппировать в соответствии с тремя основными идеями, положенными в их основу:

1. Можно думать, что второй закон термодинамики неточен или же неверна его интерпретация.

2. Второй закон верен, но неверна или неполна система остальных физических законов.

3. Все законы верны, но неприменимы ко всей Вселенной из-за каких-то ее особенностей.

В той или иной мере все варианты могут быть использованы и действительно используются, хотя с разным успехом, для опровержения вывода о возможной тепловой смерти Вселенной в сколь угодно удаленном будущем. По поводу первого пункта заметим, что в «Термодинамике» К.А. Путилова (М., Наука, 1981) приводится 17 различных определений энтропии, не все из которых эквивалентны. Мы скажем лишь, что если иметь в виду статистическое определение, учитывающее наличие флуктуаций (Больцман), второй закон в формулировке Клаузиуса и Томсона действительно оказывается неточным.

Закон возрастания энтропии, оказывается, имеет не абсолютный характер. Стремление к равновесию подчинено вероятностным законам. Энтропия получила математическое выражение в виде вероятности состояния. Таким образом, после достижения конечного состояния, которое до сих пор предполагалось соответствующим максимальной энтропии Smax, система будет находиться в нем более продолжительное время, чем в других состояниях, хотя последние неизбежно будут наступать из-за случайных флуктуаций. При этом крупные отклонения от термодинамического равновесия будут значительно более редкими, чем небольшие. На самом деле состояние с максимальной энтропией достижимо только в идеале. Эйнштейн отметил, что «термодинамическое равновесие, строго говоря, не существует». Из-за флуктуаций энтропия будет колебаться в каких-то небольших пределах, всегда ниже Smax. Ее среднее значение будет соответствовать больцмановскому статистическому равновесию. Таким образом, вместо тепловой смерти можно было бы говорить о переходе системы в некоторое «наиболее вероятное», но все же конечное статистически равновесное состояние. Считается, что термодинамическое и статистическое равновесие – практически одно и то же. Это ошибочное мнение опроверг Ф.А. Цицин, показавший, что различие в действительности весьма велико, хотя о конкретных значениях разницы мы здесь говорить не можем. Важно, что любая система (например, идеальный газ в сосуде) рано или поздно будет иметь не максимальное значение энтропии, а скорее , соответствующее, как будто, сравнительно малой вероятности. Но здесь дело в том, что энтропию имеет не одно состояние, а громадная их совокупность, которую лишь по небрежности называют единым состоянием. Каждое из состояний с имеет и в самом деле малую вероятность осуществления, и поэтому в каждом из них система не задерживается долго. Но для их полного набора вероятность получается большой. Поэтому совокупность частиц газа, достигнув состояния с энтропией, близкой к , должна довольно быстро перейти в какое-то другое состояние с примерно той же энтропией, затем в следующее и т.д. И хотя в состоянии, близком к Smax, газ будет проводить больше времени, чем в любом из состояний с , последние вместе взятые становятся более предпочтительными.