Космос - «мир, вселенная и мироздание» (др. греческий), первоначальное значение - «порядок, гармония, красота».
Впервые термин Космос для обозначения Вселенной был применён Пифагором...








Интересные сайты:




Феномен человека на фоне универсальной эволюции

Глава III Энтропия и беспорядок

Попытки решения

3.2.4. Четвертое направление: за усложнение отвечает среда (концепция Шрёдингера и других)

Наиболее общепринята сегодня концепция, объясняющая процессы упорядочения в реальных системах потоками беспорядка (энтропии) из системы в среду, или потоками порядка (негэнтропии) из среды в систему. Эта концепция связана с именем Э. Шрёдингера, который опубликовал в 1944 г. получившую широкую известность книгу «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки».

С именем Шрёдингера, однако, данную концепцию можно связывать лишь условно, поскольку основные ее идеи были высказаны другими авторами ранее. Кроме того, рассматриваемая концепция в общем ее виде, подчеркивая определяющую роль среды в процессах самоорганизации, не проводит в этом отношении различия между живыми и неживыми системами, тогда как Шрёдингер склонен полагать, что это явление характеризует живое в отличие от неживого. Как и авторы рассмотренных в предыдущем разделе работ, он воздвигает барьер между живым и неживым, но делает это таким образом, чтобы закон возрастания энтропии не ставился под удар. «Каждый процесс, явление, событие, — назовите это как хотите, — короче говоря, все, что происходит в природе, означает увеличение энтропии в той части мира, где это происходит. Так и живой организм непрерывно... производит положительную энтропию» [Шрёдингер, 1947. С. 102].

Костяк концепции Шрёдингера составляют две идеи. Согласно первой, живая система отличается от неживой тем, что является существенно неравновесной, избегая перехода в инертное равновесное состояние. Однако первым эту идею высказал, по-видимому, Э. С. Бауэр [1935] под названием принципа устойчивого неравновесия (см. разд. 4.3.5). Шрёдингер высказывает эту же идею: Именно в силу того, что организм избегает быстрого перехода в инертное состояние „равновесия", он и кажется столь загадочным» [Шрёдингер, 1947. С. 101]. Если же, пишет он, изолировать или поместить в однородные условия неживую систему, то «всякое движение, обычно, очень скоро прекращается в результате различного рода трений; разности электрических или химических потенциалов выравниваются, вещества, которые имеют тенденцию образовывать химические соединения, образуют их, температура становится однообразной благодаря теплопроводности. После этого система в целом угасает, превращается в мертвую массу материи» [Там же. С. 100].

Вторая идея, лежащая в основании концепции Шрёдингера: живая система сохраняет неравновесность за счет среды, черпая в ней необходимую неупорядоченность, т. е. негэнтропию. Первым ее высказал еще Больцман в 1886 г.: «Всеобщая борьба за существование живых существ — это борьба не за строительный материал для тела — составные элементы всех организмов имеются в избытке в воздухе, в воде и в недрах Земли — и не за энергию, которая в изобилии содержится во всяком теле, к сожалению, в форме непревращаемой теплоты. Но это — борьба за энтропию (сейчас бы сказали — за негэнтропию. — С.Х.), которая становится доступной при переходе энергии от горячего Солнца к холодной Земле» [Boltzmann, 1905. S.40].

Будучи знакомым с этим высказыванием Больцмана, Шрёдингер формулирует его идею своими словами. Организм, пишет он, может избегнуть состояния максимальной энтропии, которое представляет собой смерть, т.е. «оставаться живым, только путем постоянного извлечения из окружающей его среды отрицательной энтропии, которая представляет собой нечто весьма положительное... Отрицательная энтропия — вот то, чем организм питается. Или, чтобы выразить это менее парадоксально, существенно в метаболизме то, что организму удается освобождать себя от всей той энтропии, которую он вынужден производить, пока он жив» [Шрёдингер, 1947. С. 102].

Подчеркнем, что краеугольным камнем концепции Шрёдингера является понимание энтропии как меры беспорядка. В этой связи он констатирует удивительную способность «организма концентрировать на себе „поток порядка", избегая таким образом перехода к атомному хаосу, — способность „пить упорядоченность" из подходящей среды» [Там же. С. 108].

Таким образом, основная идея концепции Шрёдингера — это объяснение процессов упорядочения в живых системах в отличие от неживых потоками порядка (негэнтропии) из среды вовнутрь. Или, что то же самое, потоками беспорядка (энтропии) в обратном направлении. Живое, утверждает Шрёдингер, черпает порядок в среде, неживые системы такой способностью не обладают.

Приписывание в этой схеме способности черпать порядок в среде только живым системам понятно. В самом деле, если признать такую способность и за неживыми системами, то тогда эти неживые системы должны черпать в свою очередь порядок откуда-то еще, из систем третьего типа. Но такого третьего типа систем не существует.

Однако и в схеме Шрёдингера возникает вопрос, откуда берется порядок в неживых системах. Сам Шрёдингер отвечает на него не очень внятно. Он говорит, что если в живом действует механизм «порядок из порядка», причем порядок в (живой) системе черпается из порядка в среде, то неживое обязано возникновением порядка принципу «порядок из беспорядка», «которому в действительности следует природа и который один дает объяснение огромному ряду природных явлений и, в первую очередь, их необратимости» [Там же. С. 113].

Если бы под принципом «порядок из беспорядка» в концепции Шрёдингера и др. понималась возможность возникновения упорядоченных структур в изолированных системах, не обменивающихся со средой ни энергией, ни веществом, то тогда пришлось бы признать, что энтропия не является мерой беспорядка. Однако к этому сторонники концепции Шрёдингера и др. не готовы. И, рассматривая вопрос о происхождении упорядоченных неживых систем, опираются на формулировку закона возрастания энтропии для замкнутой системы, обменивающейся со средой энергией, но не веществом. Для таких систем закон возрастания энтропии при постоянных объеме и энтропии дает (звучит как) закон убывания (полной) энергии, при постоянных объеме и температуре — как закон убывания свободной энергии, при постоянных давлении и энтропии — как закон убывания энтальпии и, наконец, при постоянных давлении и температуре — как закон убывания термодинамического потенциала.

Обо всех этих законах, производных от закона возрастания энтропии, можно говорить только вблизи равновесия, потому что вдали от него определение термодинамических величин, если мы остаемся в пределах термодинамики, оказывается затруднительным. Поскольку живые системы, как говорилось, существенно неравновесны, особенно, в отношении процессов упорядочения, постольку все эти околоравновесные варианты закона возрастания энтропии к ним неприложимы. Однако обычно об этом забывают (работает принцип «ищу под фонарем, потому что там светло»), используя закон убывания термодинамического потенциала, поскольку в живых системах постоянны именно давление и температура, а чаще, приближенно полагая в живых системах постоянными объем и температуру, считают справедливым закон уменьшения свободной энергии.

Но вернемся к неживым системам. Логика, которой придерживаются в концепции Шрёдингера и др. при использовании закона уменьшения свободной энергии применительно к таким системам, может быть уяснена из следующего рассуждения И. Пригожина [1985. С. 95].

Уменьшение свободной энергии, говорят нам, глядя на формулу для нее, может достигаться двумя путями: во-первых, уменьшением энергии и, во-вторых, увеличением энтропии. При малых значениях температуры системе выгоднее добиваться уменьшения свободной энергии за счет уменьшения энергии, но не за счет увеличения энтропии. Другими словами, когда температура рассматриваемой замкнутой системы, сохраняющаяся постоянной при постоянном же объеме, достаточно мала, то, выделяя в среду в потребном количестве энергию, она (система) может тем самым компенсировать происходящее в ней в результате упорядочения уменьшение энтропии, так чтобы свободная энергия, как того требует при данных условиях закон возрастания энтропии, убывала.

Аналогичное рассуждение может быть проведено и для замкнутой системы с постоянными давлением и температурой, когда уменьшается теперь уже термодинамический потенциал.

Только полной безысходностью ситуации, складывающейся при трактовке энтропии как меры беспорядка, можно объяснить то, что приведенные рассуждения кого-то удовлетворяют и сегодня. Как можно забывать, что действует ведь и формулировка закона возрастания энтропии для неизолированной системы (см. гл. 2), согласно которой система, когда в ней протекают необратимые процессы, порождает энтропию?! Системе не все равно, как ей минимизировать свободную энергию. Она не может минимизировать ее с отрицательным порождением энтропии!

Если мы, как Шрёдингер и др., считаем, что упорядочение нашей неживой системы означает непременное уменьшение ее энтропии, то должны прийти к выводу, что она тоже, как живые системы, черпает негэнтропию извне. Но тогда мы опять приходим к исходной схеме Шрёдингера и др. с ее принципом «порядок из порядка», только теперь уже и для неживых систем. То есть, вопреки Шрёдингеру, принципиального различия между живыми и неживыми системами в их отношении к закону возрастания энтропии не существует (см. следующий раздел). И мы снова стоим перед тем же сакраментальным вопросом, откуда берется порядок в среде, если сама она должна брать его откуда-то еще? Особенно интригующе этот вопрос звучит для всей бесконечной Вселенной, тем более если мы дополним его другим: что заставляет Вселенную (наблюдаемый мир) усложняться в ходе эволюции, если единственный известный нам закон природы, говорящий о направлении развития, т. е. закон возрастания энтропии, требует эволюционного упрощения?

Тем не менее сам упор, который Шрёдингер и др. делают на открытость усложняющихся систем, следует признать здравым. Как о том будет говориться в разд. 5.5, открытость реальных систем играет большую роль в эволюции наблюдаемого мира в сторону возрастания энтропии, т. е. в сторону интенсификации метаболитов, существенно ускоряя ее. Однако, как это часто бывает с первопроходцами, Шрёдингер понял эту роль размыто. Как мы увидим, закон возрастания энтропии вовсе не запрещает изолированным системам усложняться, просто они делают это существенно медленнее, чем взаимодействующие друг с другом открытые системы.

Внутренняя слабость концепции Шрёдингера и др. в ее классическом варианте обусловила ее развитие, приведшее к трем рассматриваемым далее модификациям.





Назад     Содержание     Далее
















Друзья сайта: