Н.Н. Моисеев - Судьба цивилизации. Путь Разума

Одним из наиболее ярких (и доступных для наблюдения) примеров возникновения специфических системных свойств являются ситуации, связанные со вторым законом термодинамики. Этот закон (который часто называют вторым началом термодинамики) связан с принципиальной необратимостью потоков тепла - от более нагретого к более холодному. Нам неизвестны случаи, когда более теплое тело нагревалось за счет охлаждения более холодного. На основе этого принципа Лазарь Карно впервые объяснил, что любая тепловая машина не может быть использована для превращения тепла, например, в механическую работу, если не существует перепада температур, если нет холодильника. Это факт и стал называться вторым началом термодинамики.
Позднее была введена некоторая числовая характеристика термодинамического состояния системы - энтропии (Клаузиус, 1865). Ее принято обозначать буквой S . Если обозначить через dS величину энтропии в элементарном объеме, через dQ - количество тепла, которое приходит или уходит из этого элементарного объема, то
dQ
dS = - (1),
T
где T - абсолютная температура. Энтропия всей системы равна сумме энтропий всех ее элементарных объемов.
Оказалось, что имеет место следующий замечательный факт: в любой замкнутой системе (т.е. системе, в которой нет источников тепла и тепло никуда не отводится) энтропия S может либо оставаться постоянной (если в системе нет диссипации энергии), либо возрастать. Оказалось, что этот факт тождественен второму началу термодинамики. Он следует из него, и именно его и называют вторым законом термодинамики. Этот факт утверждает, что в любых реальных системах, где происходит рассеивание энергии, процесс идет в сторону установления теплового равновесия: все замкнутые системы обречены на тепловую смерть - на выравнивание температур!
Этот факт допускает наглядную интерпретацию, когда мы изучаем движение молекул в некотором замкнутом объеме газа. Предположим, что в начальном состоянии движения молекул мы наблюдаем некоторую упорядоченность, например вихрь заданной интенсивности. Если наблюдаемый объем газа изолирован - находится в термостате, например, то с течением времени движение молекул приобретает все более и более неупорядоченный, хаотический характер: вихрь размывается и остается чисто тепловое движение молекул, соответствующее той температуре, которую обеспечивает термостат. Этот факт не только следует из теории - он наблюдается в эксперименте. И энтропия изучаемой системы, как это следует из теории, возрастает. Вот почему иногда говорят, что вместе с ростом энтропии растет и мера хаоса. Именно поэтому меру неупорядоченности системы (меру ее внутреннего хаоса) принято отождествлять со значением скалярной величины, именуемой энтропией S .
В конце прошлого века более фундаментальное изучение феномена энтропии было проведено Больцманом, одним из самых глубоких мыслителей прошлого века. Он построил статистическую теорию термодинамики и установил, что энтропию можно определить как логарифм числа возможных состояний системы. Использование энтропии по Больцману делает второй закон особенно наглядным.
В силу описанных причин второй закон термодинамики, т.е. закон о возрастании (точнее - неубывании) энтропии принято интерпретировать как закон о постепенной деградации, разрушении организации (организованности) и неизбежном утверждении хаоса в любой замкнутой системе. Это закон имеет абсолютный характер: не существует ни одного примера его нарушения.
Заметим, что при этом понятие хаоса отождествляется с представлением о чисто тепловом движении молекул.
Выше я уже обсуждал современные законы (принципы отбора), среди которых особенно выделяются законы сохранения как самостоятельные, не имеющие никаких исключений. Но понятие энтропии имеет смысл лишь для некой совокупности частиц, например газа, занимающей некоторый объем, - бессмысленно говорить об энтропии отдельной частицы. Энтропия является некоторой скалярной характеристикой этого объема, подобной температуре, давлению, скорости потока газа и т.д. Поэтому и второй закон термодинамики является типичным системным законом, результатом некоторой сборки. Отсюда и неизбежный вопрос о том, как связаны свойства отдельных молекул и их взаимодействия с результатом, т.е. со свойством возникающей в результате сборки системы и присущим ей свойством роста энтропии.
Со вторым законом термодинамики связан один феномен, содержание которого до сих пор не очень понято.
Еще в 40-х годах в своей знаменитой книге “Что такое жизнь с точки зрения физики” Эрвин Шредингер поставил вопрос о том, за счет чего происходит развитие живого мира. За счет чего живет и развивается такое же количество вещества и энергии, какое он получает извне? И сам же на него ответил: “Живые организмы питаются отрицательной энтропией”! Эта точка зрения великого физика сделалась отправной для целого ряда исследований. Позднее выяснилось, что подобная ситуация существует и для планет: количество энергии, получаемой планетой, в точности равно энергии, излучаемой в космос (в фундаментальном исследовании Б.Б. Кадомцева “Динамика и информация”) также широко используется соображение Шредингера. Наконец, в последней и интереснейшей работе М.Н. Изакова “Самоорганизация и информация на планетах и в экосистемах” делается следующий шаг. Опираясь на формальное определение информации по Шенону и построив уравнения для потоков энтропии, автор предлагает некоторый вариант теории самоорганизации открытых систем, к которым относится и биосфера.
Подходы и результаты всех этих авторов мне представляются интересными, однако они вряд ли способны раскрыть содержание процессов изменения организации вещества, т.е. процессов эволюционного развития, если будут опираться только на принцип сохранения, т.е. на баланс приходящей и излучаемой энергии. Дело в том, что энтропия - это единственная и удивительная функция состояния системы, способная различать равновесные и неравновесные процессы. Непротиворечивым является определение энтропии как функции, сохраняющей свое значение для равновесных процессов, или, наоборот, равновесными процессами мы можем условиться называть процессы, энтропия которых постоянна. Но энтропия - лишь одна из функций состояния, и вряд ли ее может быть достаточно для описания всего многообразия явлений, характеризующих эволюцию биосферы, а тем более для построения теории ее самоорганизации.
Вызывает сомнение и целесообразность столь широкого использования понятия “информация”, которое сегодня практикуется. Понятие информации введено Шеноном достаточно формально, как объем кодированного сигнала при его передаче с помощью той или иной системы распространения данных. Вряд ли его использование добавляет что-то новое. В самом деле, как показал Б.Б. Кадолуев, имеет место соотношение: