Квантовая механика

И, наконец, в металлах преобладает тип химической связи, который называется металлической связью. Она реализуется за счет большой концентрации в кристаллах свободных электронов ("электронный газ"), которые удерживают положительные ионы на определенных расстояниях друг от друга, осуществляя коллективное взаимодействие атомов. Такие связи изучают в физике твердого тела.1

2. "Тепловая смерть" Вселенной –

флуктуационная гипотеза

Немецкий астроном Г. Ольберс (1758—1840) сформулировал загадочный вопрос: почему звездное небо выглядит темным при бесконечно огромном скоплении звезд на небе? На современном уровне этот вопрос формулируется таким образом: какова природа несветящейся материи, темноты, окружающей звезды, галактики, и каков предел ее распространения?

У. Кельвин высказал предположение, что правильный ответ на этот вопрос зависит от того, является ли Вселенная бесконечной или конечной в пространстве. Второй закон термодинамики устанавливает направление изменения от упорядоченной системы к системе менее упорядоченной. Поэтому У. Кельвин высказал мысль, что со временем Земля не будет пригодной для жизни. Энтропия, ее рост, является как бы стрелой времени. В обобщенном виде, согласно Кельвину, Вселенная погибнет или горячей смертью, если ее радиус в пространстве конечен (тепло всех звезд нагреет все космическое пространство), или холодной смертью, если энергия Вселенной будет рассеяна по ее безграничному пространству. Обсуждение этого вопроса общественностью конца XIX в. сделало известной точку зрения римского папы (Пий XII): физика доказывает конец тленного мира, предсказанного Библией.

В свою очередь Л. Больцман высказал идею флуктуационной гипотезы Вселенной. Термин "флуктуация" при переводе с латинского означает колебание, отклонение от средней величины. Л. Больцман полагал, что приблизительно каждые 70 млн. земных лет во Вселенной происходят самопроизвольно возникающие термодинамические процессы, которые препятствуют росту энтропии в отдельных местах Вселенной, поэтому ей не угрожает ни холодная, ни горячая смерть.

Немецкий физик Вальтер Нернст (1864-1941) сформулировал в 1906 г. теорему, которая получила название третьего закона термодинамики.

При стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния термодинамической системы не изменяют ее энтропию. Другая формулировка: при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры, равной абсолютному нулю.

Теорема Нернста интересна своим космологическим следствием: существует ли во Вселенной механизм, который препятствует переходу энергии на такой структурный уровень, который делает невозможной энергетическую эволюцию Вселенной. Эта проблема является актуальной и в настоящее время для современных моделей эволюции Вселенной. С учетом теоремы Нернста об энтропии сегодня говорят как о критерии различения открытых и закрытых термодинамических систем, а также как о критерии различения обратимых и необратимых термодинамических процессов. Как уже отмечалось выше, в любой замкнутой механической системе все физические процессы обратимы: "маятник Фуко", однажды запущенный, должен качаться вечно. В замкнутой термодинамической системе дело обстоит иначе: рост энтропии приводит в ней к необратимым процессам. Замкнутые системы не являются, грубо говоря, идеализированными объектами. Например, чтобы выйти в космос, необходимо изолировать космонавта от воздействий на него космического пространства.

Открытые системы обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой. В открытых системах незначительное поступление энергии извне может увеличиваться за счет внутренней энергии системы, что невозможно в закрытых, изолированных системах, как это требует второй закон термодинамики. Применение законов классической термодинамики к живой природе показало, что эти термодинамические системы имеют специфический механизм собственного воспроизводства, развития во времени. Например, у человека имеется иммунная система весом приблизительно в 1,5 кг, которая является системой защиты организма от неблагоприятных воздействий окружающей среды. В 1884 г. французский физик, химик, металловед Анри Луи Шаталье сформулировал закон или принцип: воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия. Этот закон называют принципом Шаталье. Данный принцип используется при исследовании живых систем.2

3. Порядок и хаос. Стрела времени

Точка зрения Больцмана означала, что необратимое возрастание энтропии в изолированной системе, которая не обменивается энергией с окружающей средой, следует рассматривать как проявление все увеличивающегося хаоса, постепенного забывания начальной асимметрии, ибо асимметрия приводит к уменьшению числа способов, которыми может быть осуществлено данное макросостояние, то есть к уменьшению термодинамической вероятности W. Так что любая изолированная система самопроизвольно эволюционирует в направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопическое состояние с максимальной W, соответствующего состоянию хаоса и максимальной симметрии. При этом энтропия возрастает, что соответствует самопроизвольной эволюции системы. Закон этот обойти нельзя, возрастание энтропии является платой за любой выигрыш в работе, оно присутствует во всех физических явлениях. В состоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимального значения. Иными словами, в равновесном состоянии существует состояние молекулярного хаоса, что означает полное забвение системой своего начального состояния, несохранения системой информации о своем прошлом.

По словам Эддингтона, возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть "стрела времени". Для изолированной системы будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого. То есть возрастание энтропии определяет направление, стрелу времени.

Энтропия же возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Поэтому любая изолированная физическая система обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку. Старая концепция движения, которая не обращала должного внимания на необратимые процессы, по существу, описывала движение как постоянное повторение одного и того же круга превращений. Сформулировав II начало термодинамики, Клаузиус проводит четкую границу между движением как повторением и движением как необратимым процессом. "Часто приходится слышать, - пишет он, - что все в мире происходит в замкнутом круге... Когда первый основной принцип механической теплоты был сформулирован, его, пожалуй, можно было счесть за блестящее подтверждение вышеупомянутого мнения... Но второй основной принцип механической теплоты противоречит этому мнению решительным образом... Отсюда вытекает, что состояние Вселенной должно все более и более изменяться в определенном направлении".3

4. Синергетика - теория самоорганизации.

Появление синергетики в современном естествознании инициировано, подготовкой глобального эволюционного синтеза всех естественно-научных дисциплин. Эту тенденцию в немалой степени сдерживало такое обстоятельство, как разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе. Дело в том, что в классической науке (XIX в.) господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что в энергетическом смысле и означало неупорядоченность, т.е. хаос. Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием образцовой физической дисциплины - равновесной термодинамики.

Эта наука занимается процессами взаимопревращения различных видов энергии. Ею установлено, что взаимные превращения тепла и работы неравнозначны. Работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность! Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: "Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему".

Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики) в принципе не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности такого никогда не происходит. Вот эту-то односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало.

Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие - энтропия. Под энтропией стали понимать меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: "При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает".

Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это наиболее простое состояние системы, или состояние термодинамического равновесия, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.

Общий итог достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую, которая рассеется, т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос. Если наша Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, как предполагает классическая термодинамика, и возвратится.

Единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый этой теорией процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Эта явная "нестыковка" законов развития неживой и живой природы по меньшей мере удивляла.

Удивление это многократно возросло после замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов - от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до наблюдаемых ныне звездных и галактических систем.

Случайным "возмущением" в целом равновесной Вселенной их уже не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Стоит отметить, что постулат о способности материи к саморазвитию в философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках (физике, химии) начинает осознаваться только сейчас. На волне этих проблем и возникла синергетика - теория самоорганизации. Ее разработка началась несколько десятилетий назад, и в настоящее время она развивается по нескольким направлениям: это синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И. Пригожин) и др. Не вдаваясь в детали и оттенки развития этих направлений, охарактеризуем общий смысл предлагаемого ими комплекса идей, называя их синергетическими (термин Г. Хакена).

Главный мировоззренческий сдвиг, произведенный синергетикой, можно выразить процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной по меньшей мере равноправны; процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям:

• они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой;
• они должны также быть существенно неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

Но именно такими являются большинство известных нам систем. Изолированные системы классической термодинамики - это определенная идеализация, в реальности такие системы исключение, а не правило. Сложнее со всей Вселенной в целом: если считать ее открытой системой, то что может служить ее внешней средой? Современная физика полагает, что такой средой для нашей вещественной Вселенной является вакуум.

Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы:

1. Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию.
2. Выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Важная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы "сваливается" в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В точке бифуркации эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана - решает случай! Но после того как "выбор сделан" и система перешла в качественно новое устойчивое состояние, назад возврата нет. Процесс этот необратим. А отсюда следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем, однозначно спрогнозировать нельзя.

Самый популярный и наглядный пример образования структур нарастающей сложности - хорошо изученное в гидродинамике явление, названное ячейками Бенара. При подогреве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температур. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит. Однако при достижении им некоторого критического значения в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты.