Понятие материи, энергии, энтропии, информации, системы

Тема 2. Основные понятия современного естествознания. Синергетика.

1. Понятие материи, энергии, энтропии, информации, системы.

2. Принципы построения и организации современного научного знания.

· Системность

· Глобальный эволюционизм

· Самоорганизация

· Историчность

Итак, зародившись около 2,5 тысяч лет назад в Древней Греции, благодаря появлению и развитию логики Аристотеля, укрепив свои ряды в XVII веке экспериментально-математическими методами, наука в XX столетии преобразует мир с непостижимой скоростью. Только число различных наук к настоящему времени достигло 15000, один человек из тысячи принадлежит к сообществу ученых. Специалисты в области молекулярной биологии занимаются вопросами происхождения и родства организмов, с использованием разных методов: изучение структуры белка или рибосомальной РНК. Встретившись на симпозиуме, они могут не понять друг друга, да и симпозиумы проводятся раздельно. Что же можно ждать от физика и биолога? Удел одного - ускорители и телескопы, другого - сачки и чашки Петри? Есть ли общие понятия, на языке которых они могут понимать друг друга?

Как уже говорилось выше, естествознание, это система наук о природе. Несмотря на то, что мы будем обсуждать в основном живую биоту, без понимания основ нам не обойтись, как и не показать границы, где действуют законы живого. К базовым понятиям естествознания относятся - материя, энергия, энтропия и информация. Использование системного подхода в естествознании, требует введение и понятия системы.

Остановимся коротко на каждом из них.

Материя. Философское понятие: “материя - объективная реальность”. Естественные науки изучают различные формы движения материи. По современным взглядам, материя есть совокупность квантованных полей, кванты* которых есть элементарные частицы. Вакуум — это одно из состояний квантованного поля, когда не возбуждено ни одной частицы. Состояние квантовой системы, в которой имеется несколько частиц, аналогично арфе, в которой звучат несколько струн. Вакуум — это молчащая арфа.

Вещество во Вселенной образует скопления нескольких размерных уровней элементарные частицы, атомы, молекулы, вещественные частицы и тела различного масштаба. Каждый из них включает предыдущие, но все они конечны в пространстве.

Опираясь на принцип системности (мы остановимся на нем несколько позже) рассмотрим последовательность условий, характеризующих различные состояния материи, так называемую квантовую лестницу В. Вайскопфа (1977). Квантовая лестница позволяет раскрывать структуру Вселенной шаг за шагом. При исследовании явлений на уровне атома, по словам В.Вайскопфа, нас не должна беспокоить внутренняя структура ядер; когда же мы изучаем механику газов, для нас не имеет значение внутренняя структура атомов. Пока энергия системы позволяет абстрагироваться от внутренних свойств отдельных элементов, мы будем рассматривать последние, как инертные объекты. Рассмотрим лестницу В.Вайскопфа в соответствии с энергией, эквивалентной температуре по Кельвину.

· 10¹⁵К⁰ - при столкновениях протонов с антипротонами рождаются кварки* - глюонные струи*, состоящие из большого числа элементарных частиц.

· 10¹³К⁰ - 10¹²К⁰ - кварки группируются в нуклоны* — протоны и нейтроны. Система обладает очень небольшим количеством специфических свойств. ***

· 10⁹К⁰ - ядра. Протоны и нейтроны группируются в ядра. Существует много возможных типов атомных ядер: ядра всех известных химических элементов и их изотопов.

· 10⁵К⁰ - атомы. Электроны попадают в упорядоченные квантовые состояния, локализованные вокруг атомных ядер. Появляются атомы с их специфическими свойствами.

· 10³К⁰ - молекулы. Атомы образуют простые молекулы.

· 10²К⁰ - 10 К⁰ - макромолекулы. Молекулы большинства видов группируются в жидкости и кристаллы, тем самым увеличивая разнообразие возможных состояний вещества. В этой области образуются гигантские цепеобразные молекулы и живые организмы. Вследствие большой длины макромолекул число возможных квантовых состояний неизмеримо больше, чем в случае простых атомов или молекул, а их конфигурация гораздо сложнее. Это отражается в великом разнообразии живых существ. Для существования живой материи требуется температура достаточно низкая, чтобы могло происходить образование макромолекул, но в то же время и достаточно высокая, чтобы обеспечить жизненные процессы необходимой энергией.

· 0 К⁰ - кристаллы. Жизнь замрет. Вся материя образует большой кристалл, в котором множество разнообразных существующих форм будет сохранено, но заморожено в неактивном состоянии, в состоянии ярко выраженной специфичности, но без какого-либо изменения или движения. Стадия смерти.

***- первые две ступени лестницы Вайпскофа изменены в соответствии с современными представлениями.

Энергия - общая мера различных форм движения материи в системе. Запасенная системой внешняя (полученная из вне) энергия, может быть превращена в механическую энергию. Часть теряемой внутренней энергии способна превращаться в немеханические формы и составляет свободную энергию системы. За счет свободной энергии система может совершать работу. Еще часть выделяется в виде тепла, рассеиваемого в окружающем пространстве и не может быть превращена. Эта связанная энергия, характеризуется энтропией - мерой рассеяния, хаоса.

H =pV +F * S

H - полная энергия системы,

pV - запасенная внешняя энергия,

F - свободная энергия

S - энтропия

Энтропия - мера беспорядка системы

Сам термин энтропия был введен Р.Ю.Э.Клаузиусом не многим более 100 лет назад. Эта физическая величина связана с энергией системы (существует образное выражение, что если энергия - это царица природы, то энтропия - ее тень). Все на Земле возникает и развивается благодаря энергии, все умирает и разрушается с ростом энтропии. Энергия - источник и мера движения материи и действия сил, энтропия - мера их постепенного угасания.

Из всех известных величин энтропия - единственная физическая величина, которая однозначно изменяется со временем - возрастает в закрытых системах. По сути, это и есть второй закон термодинамики. Первое начало термодинамики знают все - это закон сохранения энергии, кроме немногочисленных теперь изобретателей вечного двигателя. Да и те сейчас - компетенция скорее клиники, чем физики. Иное дело - второе начало. Открытие второго начала связано с анализом работы тепловых машин и в первой формулировке Р.Ю.Э.Клаузиуса он звучал в следующей форме: " Переход теплоты от более холодного тела к более теплому, не может иметь место без компенсации". На более формализованном современном языке общей теории систем его можно выразить так: Все процессы в природе протекают в сторону увеличения вероятности состояния, в сторону увеличения энтропии. Она может только увеличиваться в закрытых системах, как время может идти только вперед.

Как заметил известный биохимик - писатель фантаст Айзек Азимов: "Первое начало гласит, что в игре с природой нельзя выиграть, а второе, что нельзя остаться и при своих." Второй принцип термодинамики есть смертный приговор: он грубо и безжалостно применяется в неживой природе, в мире, который уже заранее мертв. Жизнь, структуры которой отличаются значительной упорядоченностью, на время отменяет этот приговор, объявленный без срока исполнения. Может показаться,что Вселенная, после взрыва - увеличивает энтропию, а человек и живая биота - уменьшает (увеличивая информацию). В то же время это не совсем так. Все организмы в течение жизни поддерживают энтропию своих тел на низком уровне, ценой повышения энтропии окружающей среды и победа в борьбе за существование достается тем видам, которые наиболее эффективно осуществляют этот процесс. Действительно, чем сложнее устроен организм, тем меньше его зависимость от окружающей среды, тем меньше его собственная энтропия.

Во времени, с эволюцией живых организмов реализуется эмпирический принцип. Принцип минимума диссипации энергии: " Если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность, то реализуется то ее состояние, которому отвечает минимальное рассеяние энергии, или, что тоже самое - минимальный рост энтропии." (Моисеев, 1987).Этот принцип - не теоретические выкладки, а некоторое “эмпирическое обобщение”. Можно с ним не соглашаться, но он есть, как есть аксиомы, лежащие в основании геометрии Евклида, по сути - те же эмпирические обобщения, очевидные для нас, мы выросли на них, а вот в Древней Греции о них вели споры. Иначе зачем было Платону писать на вратах своей Академии: " Не геометр, да не войдет".

Информация - определенность, предсказуемость состояний и отношений системы (в широком значении).

Информацию можно также определить как эквивалент упорядоченности системы, т.е. отрицательной энтропии (или негэнтропии). Представим себе газ при температуре, приближающейся к абсолютному нулю. Он превратился в твердое вещество, все движение молекул прекратилось, и можно определить положение каждой из них. Следовательно, в этом состоянии мы имеем о газе максимальную информацию. Энтропия же при этой температуре приближается к нулю. Получается простая связь - информация достигает максимума, когда энтропия имеет минимум. Наоборот, при очень высокой температуре положение хаотично движущихся молекул совершенно неопределенно, о них нельзя получить никакой информации, кроме того, что они движутся.

Наименее информативными оказываются системы с предельно симметричными элементами (сферическими, тетрагональными, кубическими...). Так организованы неживые и живые кристаллы. Наибольшая же сложность при плотной упаковке наблюдается в системах с ассиметричными, разнородными элементами.

Система. Прежде всего, говоря о системе, мы говорим о методе познания действительности, о том, на чем основываются системный анализ и системный подход. Исходный смысл термина система: " целое - составленное из частей." Или же более полно: " упорядоченное определенным образом множество элементов, взаимосвязанных между собой и образующих некоторое целостное единство ". В контексте излагаемых представлений о сущности жизни система понимается как некоторая целостность, составные части которой прямо или косвенно определяют состояние друг друга. Очень важно понять, что мы не можем назвать системой, выделив что-либо наугад. Что же означает представить какой-либо объект в виде объекта-системы. Необходимо выполнить три правила:

1. Указать строящие его "первичные элементы", рассматриваемые как "неделимые" на данном фиксированном уровне анализа.

2. Определить связи между элементами.

3. Определить законы композиции - условия, подчиняясь которым связи реализуются, а элементы объединяются в целостность.

В нашем курсе мы коснемся только самых узловых моментов в описании различных типов систем, исключительно с целью локализации живых систем с позиций общей теории систем.

А) Системы могут состоять из однородных и разнородных элементов.

Б) Системы могут быть открытыми и закрытыми.

Для первых характерен обмен материей и энергией с окружающей средой, в том числе и с другими системами, а во второй такой обмен исключен. Закрытых систем в реальности практически не существует, это определенный прием идеализации для решения исследовательских задач, к примеру, в области механики, законы которой приложимы именно к этому типу систем.

В) Системы могут характеризоваться равновесными и неравновесными состояниями.

В качестве иллюстрации последнего положения обратимся к классику неравновесной термодинамики Г. Хакену (1968), он рассматривает равновесные и неравновесные фазовые переходы. Вообще фазовые переходы – это скачкообразное изменение состояния системы. Наиболее известны фазовые переходы первого рода: из одного агрегатного состояния вещества в другое (жидкость – газ, твердое тело – жидкость). Это равновесные фазовые переходы из одного устойчивого состояния в другое при наличии термодинамического равновесия. Для их осуществления может быть необходима энергия (например, для таяния льда), но когда переход осуществился, его результаты сохраняются при определенных условиях и дальнейший приток энергии уже не нужен. Неравновесные же фазовые переходы отличаются тем, что новое состояние достижимо и устойчиво только при постоянном подводе энергии, так как происходит постоянная диссипация* энергии (ее рассеяние), эта ситуация очень далека от равновесия.

Растение, животное или человек есть изумительный пример разнородной, открытой, неравновесной химической системы находящейся в неустойчивом равновесии. Они представляют собой чрезвычайно маловероятную структуру, обладающую очень низкой энтропией. Эта неустойчивость проявляется наиболее ярко, когда наступает смерть. О свойствах и функционировании этих систем, в большей степени, мы и будем говорить в дальнейшем.

Дата добавления: 2015-06-29