Динамические и статистические законы

Динамические и статистические законы физики имеют отношение к объяснению хаоса и порядка. Феномены порядка и беспорядка (хаоса) в природе объясняются в физике на основе законов (начал) термодинамики. Термодинамика - это раздел физики, изучающий тепловые явления.

Первое начало термодинамики называют еще законом сохранения энергии. Согласно этому фундаментальному закону, энергия сохраняется в изолированной системе. Ее количество всегда остается постоянным, превращаясь лишь из одной формы в другую - механическую, тепловую, внутреннюю. Внутренняя энергия складывается из движений атомов, энергии химических связей, электронов. Первый закон термодинамики утверждает, что тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии. Закон не имеет исключений и доказывает принципиальную невозможность создания вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу больше, чем подводимая к нему энергия.

Второе начало термодинамики запрещает существование вечного двигателя второго рода, т. е. машины, способной совершать работу за счет переноса тепла от холодного тела к горячему. Согласно этому закону, тепло не может самопроизвольно перетечь от холодного тела к горячему. Второй закон термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты как меры хаотического движения частиц и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло, но тепло нельзя полностью превратить в работу. Таким образом, неупорядоченную форму энергии нельзя превратить в упорядоченную.

Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия, которая всегда положительна, кроме случая с идеальным кристаллом при абсолютном нуле (-273 ^оС), но третье начало термодинамики говорит о недостижимости абсолютного нуля. Иногда используется отрицательная величина энтропии - негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, а энтропии - росту хаоса.

В соответствии со вторым законом термодинамики в изолированных системах, т. е. системах, не обменивающихся с окружающей средой энергией, неупорядоченное состояние (хаос) не может самостоятельно перейти в порядок. Таким образом, в изолированных системах энтропия может только расти. Эта закономерность получила название принципа возрастания энтропии. Согласно этому принципу, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое отождествляется с хаосом. Поскольку увеличение энтропии характеризует изменения во времени замкнутых систем, то энтропия выступает в качестве своеобразной стрелы времени.

Из этого принципа вытекает пессимистическая гипотеза о тепловой смерти Вселенной, сформулированная Р. Клазиусом и У. Кельвином, в соответствии с которой:

· · энергия Вселенной всегда постоянна;

· · энтропия Вселенной всегда возрастает.

Таким образом, все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующему состоянию наибольшего хаоса и дезорганизации. Все виды энергии деградируют, превратившись в тепло, и звезды закончат свое существование, отдав энергию в окружающее пространство. Установится постоянная температура лишь на насколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие планеты и звезды. Не будет ничего - ни источников энергии, ни жизни.

Такая мрачная перспектива предсказывалась физикой вплоть до 60-х годов ХХ столетия, хотя выводы термодинамики противоречили результатам исследований в биологии и социальных науках. Так, эволюционная теория Дарвина свидетельствовала, что живая природа развивается преимущественно в направлении усовершенствования и усложнения новых видов растений и животных. История, социология, экономика, другие социальные и гуманитарные науки так же показывали, что в обществе, несмотря на отдельные зигзаги развития, в целом наблюдается прогресс.

Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой или изолированной системы является достаточно грубой абстракцией, упрощающей действительность, поскольку в природе трудно найти системы, не взаимодействующие с окружающей средой. Противоречие стало разрешаться, когда в термодинамике вместо понятия закрытой изолированной системы ввели фундаментальное понятие открытой системы, т. е. системы, обменивающейся с окружающей средой веществом, энергией и информацией.