Классическая концепция развития и основы термодинамики

 

Этот принципиально новый взгляд на мир был сформулирован лишь во второй половине XX в., хотя сама идея развития была присуща научному мировоззрению еще с начала XIX в. Самое полное свое воплощение классическая концепция развития нашла в эволюционной теории Ч. Дарвина, которая объясняла, как из простейших организмов развились высокоорганизованные, включая человека. Но классические естественные науки, прежде всего физика и астрономия, составлявшие основу научного мировоззрения XIX в., оставались в стороне от эволюционных идей. До середины века они исходили из представления о статичности и неизменности Вселенной. Ситуация изменилась после открытия в 1850 г. Р. Клаузиусом второго начала термодинамики, когда в науке утвердилась идея, что Вселенной присуще развитие, но оно идет от порядка к хаосу – состоянию термодинамического равновесия (одинаковая температура во всей Вселенной). Это самое простое из всех возможных состояний закрытой системы, которой тогда считалась Вселенная. Господствующей тенденцией в развитии материи признавалось стремление к разрушению случайно возникшей упорядоченности и возвращение к исходному хаосу.

В основе классических представлений о развитии лежали идеи классической термодинамики - физической науки, занимающейся изучением наиболее общих свойств макроскопических тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессов перехода между этими состояниями. Важнейшей задачей этой науки является анализ взаимопревращения различных видов энергии. Эта наука основывается на трех основных постулатах, или началах.

Первое начало термодинамики известно как закон сохранения энергии. Это фундаментальный закон, согласно которому важнейшая физическая величина – энергия – сохраняется неизменной в изолированной системе. Когда мы говорим о сохранении энергии, мы имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергию, т.е. энергию, зависящую лишь от термодинамического состояния системы. Она складывается из движения, атомов, энергии химических связей и других типов энергий, связанных с состоянием электронов в атомах и молекулах.

Количественная формулировка этого закона звучит так: тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. Например, если вы поместите градусник, используемый для измерения температуры тела, в стакан с водой с температурой 50°С, то через минуту вы услышите характерный звон разбитого стекла: это ртуть, расширившись (а расширение связано с увеличением межатомных расстояний, т.е. с увеличением внутренней энергии ртути) и не имея выхода, надавила на стекло резервуара, совершила работу и разрушила его.

Согласно этому закону, в изолированной системе энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным. Если система не изолирована, энергия может изменяться за счет обмена между частями системы или разными системами. Например, ежедневно мы сталкиваемся с тем, что горячий чайник, охлаждаясь, нагревает воздух.

Науке сегодня не известна ни одна причина, которая могла бы привести к нарушению этого закона. Иначе был бы возможен вечный двигатель, создающий энергию из ничего. Поэтому первый закон термодинамики более известен в другой редакции: нельзя построить вечный двигатель первого рода, то есть такую машину, которая совершала бы работу больше подводимой к ней извне энергии.

Существование вечного двигателя второго рода запрещает второе начало термодинамики: теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему. Поэтому невозможно построить такую машину, которая работала бы за счет переноса тепла от холодного тела к горячему. Это не запрещено первым началом термодинамики, но практически невозможно.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии – теплоты, связанной с неупорядоченным, хаотическим движением молекул (например, броуновское движение молекул, скорость которого напрямую связана с температурой), и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло (вспомните, как наши предки получали огонь трением). В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя, всегда останется некоторое количество теплоты, которое пропадет бесполезно. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности, или мерой хаоса системы, в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна. Исключением является случай, когда идеальный кристалл находится при температуре абсолютного нуля (но на этот счет существует третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля, равного -273°С), что невозможно, так как это означало бы прекращение любого движения, в том числе движения атомов и элементарных частиц.

Иногда используется отрицательная величина энтропии – негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Эта величина может быть только отрицательной. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, энтропии – росту хаоса.

Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики, в случае изолированной системы (не обменивающейся веществом, энергией или информацией с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. Представим себе закрытую систему, в которой вся энергия находится в упорядоченном состоянии (энергия-работа). Если в этой системе начнется процесс преобразования энергии, то мы увидим, что вся энергия-работа постепенно перейдет в энергию-тепло. Полученное тепло может быть использовано для совершения какой-либо полезной работы, но не полностью. Так появится энтропия. При следующем цикле преобразования работа опять полностью перейдет в тепло, но тепло вновь не сможет полностью превратиться в работу, и поэтому энтропия вновь увеличится. Так будет происходить до тех пор, пока вся энергия системы не превратится в тепло и не установится состояние термодинамического равновесия. Таким образом, в изолированной системе энтропия может только расти. Поэтому второе начало термодинамики еще называют принципом возрастания энтропии. Эта более точная формулировка второго начала термодинамики утверждает, что при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Иными словами, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.

Именно из этого принципа вытекали пессимистические представления о развитии Вселенной, характерные для второй половины XIX в. Они воплотились в идею тепловой смерти Вселенной, сформулированную В. Томсоном в 1851 г. Упорядоченными источниками энергии во Вселенной являются звезды, возраст которых хотя и велик, но не бесконечен. До открытия второго начала термодинамики считалось, что на смену погасшим звездам загораются новые и процесс этот будет идти бесконечно. Но тот факт, что все виды энергии деградируют, со временем превращаясь в тепло, требовал признать, что новых звезд должно загораться меньше, чем погасло старых, поэтому со временем закончат свое существование все звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и вся Вселенная придет в состояние хаоса – термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд. Не будет источников энергии – не будет жизни.

Хотя эту концепцию пытались опровергнуть крупнейшие философы и ученые того времени, однако в рамках существовавших тогда гносеологических предпосылок это было невозможно. Лишь в XX в., признав Вселенную открытой системой, удалось отказаться от идеи тепловой смерти.