Научные парадигмы
ФизикаОткрытия в области физики и применение физических эффектов и моделей в других областях деятельности
X
«Второе начало, первый набросок которого был сделан Карно и которое было сформулировано Клаузиусом, вводит идею не потери энергии - это противоречило бы первому началу, - а деградации энергии.
В то время как все иные формы энергии могут полностью трансформироваться одна в другую, энергия, которая принимает тепловую форму, не может полностью обратно превратиться в другую форму и, следовательно, теряет часть своей способности совершать работу. Это необратимое ослабление способности видоизменяться и совершать работу, свойственное теплоте, было названо Клаузиусом энтропией.
Поэтому если мы рассматриваем систему, которая не подпитывается энергией извне, т.е. «закрытую» систему, всякое изменение в ней с необходимостью сопровождается ростом энтропии, и, согласно второму началу, эта необратимая деградация может только увеличиваться до максимума, который представляет собой состояние однородности и термического равновесия, в котором исчезают способность к работе и возможности трансформации.
Удивительно, что принцип деградации энергии Карно, Кельвина, Клаузиуса превратился в течение второй половины XIX века в принцип деградации порядка благодаря работам Больцмана, Гиббса и Планка.
Больцман (1877) разъясняет энергетическое происхождение теплоты, проведя анализ на неизвестном до сих пор уровне - на уровне микроединиц, или молекул, составляющих данную систему. Теплота - это энергия, свойственная беспорядочному движению молекул внутри этой системы, и всякое увеличение теплоты соответствует увеличению брожения молекул, ускорению их движения. Это происходит, стало быть, потому что тепловая форма энергии предполагает беспорядок в движениях на микроуровне, так что происходит неизбежное ослабление способности к работе.
Таким образом, всякий рост энтропии есть возрастание внутреннего беспорядка, а максимум энтропии соответствует полному молекулярному беспорядку внутри системы, что проявляется на глобальном уровне в виде гомогенизации, достижения однородности и равновесия.
Второе начало более не формулируется только в терминах работы. Оно формулируется в терминах порядка и беспорядка, а именно в терминах организации и дезорганизации, поскольку порядок в системе устанавливается посредством организации, которая упорядочивает гетерогенные элементы в единое целое.
Значит, энтропия - это понятие, которое означает одновременно:
- деградацию энергии
- деградацию порядка
- деградацию организации.
В то же время она означает, что эта тройственная деградация находится в зависимости от необратимого процесса внутри закрытых физических систем.
Здесь Больцман также развивает совершенно новый подход - подход с точки зрения статистической вероятности. Количество молекул и конфигурации, которые они могут принимать внутри системы, неисчислимы и могут подлежать только вероятностной оценке. С этой точки зрения беспорядочные конфигурации являются наиболее вероятными, а упорядоченные конфигурации - наименее вероятными. Следовательно, рост энтропии становится переходом от наименее вероятных конфигураций к наиболее вероятным. Иначе говоря, беспорядок и дезорганизация отождествляются с наибольшей физической вероятностью для закрытой системы. […]
И наконец, Максвелл открыл ахиллесову пяту второго начала: мысленный эксперимент с «демоном Максвелла» показал, что предсказание достижения состояния однородности и равновесия может быть опровергнуто для процессов, протекающих внутри самой закрытой системы, т.е. без притока энергии извне к системе.
Таким образом, тлетворность беспорядка, будучи далёкой от того, чтобы охватить всё, была подорвана логически (демоном Максвелла), подвержена научному контролю (посредством теории Больцмана), продуктивно использована (в тепловых машинах); она растворилась в существенном моменте космического вопроса, как только её начали рассматривать в масштабе вселенной. Она столкнулась с противоречащей ей очевидностью физической, биологической, антропологической эволюции. Казалось, что порядок восстановлен.
Во всяком случае, как и в любом процессе восстановления, оплот прежнего порядка рухнул, и сама идея порядка была проблематизирована.
Начиная с того момента, когда было установлено, что состояния порядка и организации не только подвержены разрушению, но и маловероятны, была ниспровергнута онтологическая очевидность порядка и организации. Проблема состоит больше не в том, почему во вселенной имеется беспорядок, хотя в ней царит универсальный порядок, а в том, почему во Вселенной имеются порядок и организация. Порядок и организация, не являясь больше онтологически очевидными, стали теперь проблемой и тайной: они должны быть объяснены, оправданы, узаконены. […]
Конечно, новый партнёр внезапно появился из закрытого ящика термодинамики: принцип необратимой деградации действует всегда и повсюду во Вселенной, где совершается работа и происходит видоизменение. Прорыв беспорядка был и ограничен (в физической сфере «закрытых систем»), и неограничен (в том смысле, когда он сопровождает любую работу, даже в «открытой» системе)».
Эдгар Морен, Метод. Природа Природы, М., «Канон+»; «Реабилитация», 2013 г., с.60-64.
