Открытые системы и новая термодинамика

Открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом, импульсом и информацией. Все реальные системы являются открытыми. К наиболее важному типу откры­тых систем относятся химические системы, в которых непрерыв­но протекают химические реакции (реагенты поступают извне, а продукты взаимодействия отводятся). Биологические системы, живые организмы, можно также рассматривать как открытые химические системы. Такой подход к живым организмам позво­ляет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов, фи­зической и химической кинетики. В неорганической природе от­крытые системы обмениваются с внешней средой, которая так­же состоит из различных систем, обладающих энергией и веще­ством. В социальных и гуманитарных системах к этому добавля­ется еще обмен информацией. Информационный обмен наблю­дается также в биологических системах, например, при передаче генетической информации. Свойства открытых систем наиболее просто описываются вблизи состояния термодинамического равновесия. В этом случае неравновесное состояние можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: температурой, химическими потенциалами компонентов системы и др., но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими от координат и времени. В открытых системах также изменяется энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия не накапливается, как в закрытых систе­мах, а выводится в окружающую среду.

Энтропия открытых систем в неравновесном состоянии (ло­кально-неравновесном состоянии) определяется как сумма зна­чений энтропий отдельных малых элементов системы, находя­щихся в локальном равновесии (вследствие аддитивности эн­тропии). Отклонение термодинамичесаких параметров от их равновесных значений вызывают в системе потоки энергии и вещества. Процессы переноса приводят к росту энтропии систе­мы (производству энтропии) В замкнутых системах энтропия возрастает и стремится к своему равновесному максимальному значению (производство энтропии стремится к нулю). В открытой системе возможны стационарные состояния с постоянной энтро­пией при постоянном производстве энтропии, которая должна при этом отводиться от системы. Стационарное состояние игра­ет в термодинамике открытых систем такую же роль, что играет термодинамическое равновесие для изолированных систем в термодинамике равновесных процессов. Энтропия открытых систем в этом состоянии хотя и остается постоянной (производ­ство энтропии компенсируется ее отводом), но это стационарное состояние не соответствует ее максимуму.

Наиболее интересные свойства открытых систем выявля­ются при нелинейных процессах, когда в них возможно появле­ние термодинамически устойчивых неравновесных состояний, далеких от состояния термодинамического равновесия и харак­теризующихся определенной пространственной или временной упорядоченностью (диссипативной структурой). Существование такой структуры требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой.

Таким образом, в новой термодинамике место закрытой, изолированной системы заняло понятие открытой системы, спо­собной обмениваться с окружением энергией, веществом и ин­формацией.

Одним из первых определений открытой системы дал Э. Шредингер, выдающийся австрийский физик (1887-1961 гг.). В своей книге «Что такое жизнь? С точки зрения физика» он показал, что законы физики лежат в основе образования биологиче­ских структур. Шредингер подчеркивал, что характерная особен­ность биологических систем состоит в обмене энергией и веще­ством с окружающей средой. Средство, при помощи которого организм поддерживает себя на достаточно высоком уровне упорядоченности (на достаточно низком уровне энтропии), со­стоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружаю­щей его среды. Взаимодействующая со средой система не мо­жет оставаться замкнутой, так как она вынуждена получать извне новые вещества или энергию и одновременно выводить в окру­жающее пространство использованное вещество и отработан­ную энергию. Так как между массой (веществом) и энергией су­ществует взаимосвязь, выражаемая уравнением Эйнштейна Е = mc², то можно сказать, что в ходе своей эволюции система по­стоянно обменивается энергией с окружающей средой, а, следо­вательно, увеличивает энтропию. Но в отличие от закрытых сис­тем эта энтропия не накапливается в ней, а удаляется в окру­жающую среду. Такого рода материальные структуры, способ­ные рассеивать энергию, как уже указывали выше, называются диссипативными.

С поступлением новой энергии или вещества неравновес­ность в системе возрастает. В конечном итоге, прежняя связь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами возникают новые связи, кото­рые приводят к кооперативным процессам, т.е. к коллективному поведению ее элементов. Так схематически можно описать про­цессы самоорганизации в открытых системах. Наглядной иллю­страцией процессов самоорганизации может служить работа лазера. Достаточно хаотические колебательные движения час­тиц кристалла благодаря поступлению энергии извне приводятся в согласованное движение. Это приводит к увеличению мощно­сти лазерного излучения. Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Г. Хакен назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает «совместное действие», или взаимо­действие.

Другим примером может служить самоорганизация, возни­кающая в химических реакциях. В химических реакциях она свя­зана с поступлением извне новых реагентов, веществ, обеспечи­вающих продолжение реакции, с одной стороны, и выведением в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Нелинейные процессы в открытых системах исследуют на основе уравнений химической кинетики: баланса скоростей химических реакций в системе со скоростью подачи реагентов и отвода продуктов реакции. Накопление в открытых системах активных продуктов реакции или теплоты может привести к автоколеба­тельному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого необходимо, чтобы в системе реализовывалась обратная связь: ускорение реакции под воздействием либо продукта (автоката­лиз), либо теплоты, выделяющейся при реакции. В химической открытой системе с положительной обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся химические реакции. Внешне самоорганизация проявляется с появлением в жидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета. Особенно хорошо это видно в автоколебательных или периодических реакциях, открытых Б. Белоусовым и исследо­ванных А. Жаботинским. На экспериментальной основе перио­дических реакций И.Р. Пригожин построил теоретическую мо­дель, названную брюсселятором. Эта модель легла в основу новой термодинамики - неравновесной, или нелинейной термо­динамики. Под нелинейностью в термодинамике и в теории са­моорганизации понимается то, что в них используются нелиней­ные математические уравнения, содержащие переменные во второй или выше степени. Линейные уравнения в условиях от­крытых систем или в условиях интенсивных воздействий на сис­темы оказываются неадекватными.

Открытие самоорганизации в простейших системах неорга­нической природы, прежде всего в физике и химии, имеет огром­ное значение, как научное, так и мировоззренческое. Оно пока­зывает, что такие процессы могут происходить в основе мате­рии, и тем самым проливает свет на взаимосвязь неорганиче­ской и органической природы. Отсюда и возникновение жизни на Земле не кажется теперь редким и случайным явлением. С по­зиций самоорганизации становится ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, служащих основанием любой эволюции.

Современная наука и синергетика объясняют процесс само­организации систем следующим образом.

1. Система должна быть открытой. Закрытая система в со­ответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией.

2. Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точке равновесия сис­тема обладает максимальной энтропией и поэтому не способна к какой-либо организации: в этом состоянии достигается максимум ее самодезорганизации. В состоянии, близком к равновесию, система со временем приблизится к нему и придет в состояние полной дезорганизации.

3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения, системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидиру­ются системой. Но в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Так как флук­туации носят случайный характер, то становится ясно, что появ­ление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. Об этом говорили античные философы Эпикур (341­270 до н.э.) и Лукреций Кар (99-45 до н.э.)

4. Возникновение самоорганизации опирается на положи­тельную обратную связь. Функционирование различных автома­тических устройств основывается на принципе отрицательной обратной связи, т.е. на получение обратных сигналов от испол­нительных органов относительно положения системы и после­дующей корректировки этого положения управляющими устрой­ствами. В самоорганизующейся системе изменения, появляю­щиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усилива­ются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Так, мы уже видели, что при описании необратимых процессов при­шлось отказаться от симметрии времени, характерной для обра­тимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, свя­занные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

6. Самоорганизация может начаться лишь в системах, об­ладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления коллективного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганиза­ции.

Мы перечислили необходимые, но далеко не достаточные условия для возникновения самоорганизации в различных сис­темах природы. Даже в химических самоорганизующихся систе­мах, кроме вышеперечисленных, участвуют и другие факторы, например, процессы катализа. В биологических системах таких факторов еще больше. Поэтому можно сделать вывод, что чем выше по эволюционной лестнице система, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, играющие роль в самоорганизации.

Три закона термодинамики вместе с молекулярно-кинетической теорией составили основу термодинамики, сформиро­вавшейся ныне в универсальную строго логическую научную дисциплину.