1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
http://mirtajn.com/
  • На Главную
  • Контакты
  • Карта сайта
Баннер 468x60px
Приветствуем вас на нашем сайте МирТайн.com, здесь вы найдете множество интересных статей про Загадки Истории, НЛО фото и видео материалы, загадочные, непознанные существа, гипотезы и факты существования пришельцев, Древних Цивилизаций, секретные материалы древности и много другого. МирТайн.com - правду не скрыть!

Партнеры

Голосование

 
  Что нас ждет после смерти?
 
Новая человеческая жизнь
Загробная жизнь (рай\ад)
Жизнь любого из живых существ на Земле
Жизнь любого объекта (и не только живого) на Земле
Жизнь любого из живых существ во вселенной
Жизнь любого объекта (и не только живого) во вселенной
Ничего

Интересное

Показать все

Пришельцы и НЛО

НЛО в горящих небесах НЛО в горящих небесах И как раз коллективный, неличностный характер науки, та ее особенность, что процедуры познания, складывавшиеся столетиями, стоят выше любого индивидуального мнения, даже самого авторитетного, служат
Круглое электричество Круглое электричество Я никогда не видел шаровой молнии и не испытываю желания ее увидеть – по крайней мере, вблизи. Однако, имея в виду этот пример трюков, на которые способны силы природы, было бы крайне неразумно
Кто вы, земные пришельцы? Молнии-призраки Кто вы, земные пришельцы? Молнии-призраки Приверженцы паранауки настойчиво повторяют, что, игнорируя загадки типа НЛО или ясновидения, наука тем самым изменяет своим основным принципам и пренебрегает своей главной обязанностью. Согласно
Показать все

Обо всем

Ирландия и Атлантида одно и то же? Ирландия и Атлантида одно и то же? Шведский учёный утверждает, что Ирландия - это та самая Атлантида
Люди проваливаются в параллельные миры Люди проваливаются в параллельные миры Хотя физиками теоретически доказана возможность существования параллельных миров, в реальности нам это трудно себе представить. Тем не менее, в последнее время появляется все больше рассказов людей,
Атлантида и есть Гиперборея Атлантида и есть Гиперборея Доктор философских наук, исследователь Русского Севера Валерий Дёмин всю жизнь собирал сведения о легендарной Гиперборее и искал остатки этой цивилизации.

Термодинамика Больцмана и эволюция жизни

Интересное
Термодинамика Больцмана и эволюция жизниВ XIX в. главными темами обсуждения в естественных и общественных науках и философии стали «эволюция» и «история». В то время как биологические источники этих идей восходят к дарвиновской теории эволюции, физические примеры необратимых процессов впервые стали обсуждаться в термодинамике. Исходные принципы термодинамики были разработаны Карно (1824). Они были открыты при анализе механических сил, порождаемых паровыми машинами. Грубо говоря, первое начало термодинамики утверждает, что энергия не может ни создаваться, ни уничтожаться. Если не учитывать механическую работу, электрическую энергию и химические превращения, на которые постоянно расходуется энергия в природе, полная энергия внутри замкнутой системы остается неизменной. В XX в., в соответствии с эйнштейновской эквивалентностью массы и энергии, первое начало было расширено до закона сохранения массы и энергии.

Фундаментальное значение второго начала для физической эволюции было отмечено Клаузиусом (1865), который ввел сам термин «энтропия» от греческого слова, обозначающего эволюцию или преобразование [3.14]. Математически изменение энтропии системы определяется как обратимое добавление теплоты к системе, деленное на ее абсолютную температуру. Согласно Илье Пригожину, принципиален тот факт, что всякая система имеет окружающую среду [3.15]. Поэтому, в более общем случае, вариация энтропии за какое-то время есть сумма скорости, с которой энтропия поступает в систему от окружающей среды, и скорости, с которой энтропия производится внутри системы. Второе начало термодинамики утверждает, что скорость, с которой энтропия производится внутри системы, больше или равна пулю. Для замкнутых и изолированных систем, в которых отсутствует поступление энтропии от окружающей среды (или передача ее наружу), мы приходим к классическому утверждению Клаузиуса, что при достижении термодинамического равновесия энтропия растет или остается постоянной. Иными словами, в природе не существует процессов, включая физические, химические, биологические или (как мы увидим ниже) информационные преобразования, происходящих спонтанно без определенных энергетических затрат, выраженных в терминах энтропии.

Энтропия — это макроскопическое свойство систем, такое как объем и размер. Поэтому сначала термодинамика была всего лишь феноменологической теорией, описывающей возможные распределения теплоты в макроскопических системах. Больцман был неудовлетворен такой позитивистской позицией и попытался развить статистически-механическое объяснение, сводящее такие макроскопические состояния системы, как, например, теплоту, к механическому движению микроскопических молекул. Вдохновленный таким различием микро- и макросостояний, которое стало решающим в теории эволюции, Больцман дал первую статистическую интерпретацию термодинамики. Необратимость в статистической термодинамике основана на этом различии.

В общем случае статистическая механика объясняет макросостояние системы — плотность, температуру и т. п. — с помощью микросостояний. В этом смысле говорят, что наблюдаемое макросостояние реализуется большим числом W микросостояний. Чтобы определить число W, рассматривается большое число независимых однотипных микросостояний, соответствующих конкретным конфигурациям атомов, молекул и т. п. Эти микросостояния развиваются согласно уравнениям движения с разными начальными фазовыми состояниями. Если макросостояние реализовано W микросостояниями подобного рода, то предполагается, что величина Н больцмановской энтропии для соответствующего макросостояния пропорциональна логарифму W, т. е.

Я = k In W,

где к — постоянная Больцмана. В непрерывном фазовом пространстве больцмановское выражение можно обобщить, введя интеграл по функции распределения скоростей. Для самого Больцмана величина Н была мерой вероятности расположений молекул, соответствующих наблюдаемым макросостояниям системы.

Исторически редукционизм Больцмана столкнулся с яростными возражениями со стороны физиков, математиков и философов. Физики и философы — сторонники позитивизма, например Эрнст Мах, — критиковали атомно-молекулярную гипотезу Больц-мана, еще не получившую в то время эмпирического подтверждения. Но после того как атомы и молекулы были успешно открыты, эта критика стала представлять только исторический интерес.

Одним из самых важных возражений является парадокс обратимости Лошмидта. Так как законы механики инвариантны (симметричны) относительно обращения времени, то каждому процессу соответствует обращенный во времени процесс. Это находится в кажущемся противоречии с существованием необратимых процессов. Больцман ответил на это, что второе начало термодинамики в форме так называемой Я-теоремы не может быть выведено только из (обратимых) механических законов, но требует дополнительного предположения о начальных условиях. Предполагается, что второе начало верно не с достоверностью, но с очень высокой вероятностью. Необратимые процессы всего лишь чаще встречаются, т. е. более вероятны, обратимые же процессы более редки и очень маловероятны. Таким образом, второе начало допускает локальные отклонения или флуктуации (например, броуновское движение).

Другое возражение, принадлежащее Анри Пуанкаре и Эрнсту Цермело, утверждает, что каждое состояние механической системы с большим, но конечным числом степеней свободы через определенное время должно, по крайней мере приближенно, восстанавливаться. Поэтому связанная с возрастанием энтропии стрела времени не может существовать. Больцман ответил на это, что с ростом числа степеней свободы времена возврата становятся невероятно большими. В космологии возможны две точки зрения в духе идей Больцмана: 1) Вселенная стартовала с крайне маловероятных начальных данных, или 2) так как Вселенная достаточно велика, то в каких-то местах могут быть отклонения от равнораспределения по степеням свободы, характерного для равновесия. Рисунок 3.1 иллюстрирует флуктуационную гипотезу Больцмана. Он предположил, что вся Вселенная находится в состоянии теплового равновесия, т. е. максимального беспорядка. Больцман считал, что оба направления времени полностью равноправны. Таким образом, кривая локальной энтропии одинаково возрастает в обе стороны по времени, становясь плоской при достижении максимума энтропии.

Жизнь, как развивающаяся система упорядоченности, возможна только в областях с сильно меняющейся энтропией, т. е. на двух наклонных участках кривой энтропии на рис. 3.1. Две стрелки указывают локальные больцмановские миры, в которых возможна жизнь. Таким образом, с: точки зрения Больцмана, не может быть объективно единственной стрелы времени, а есть лишь одно из двух возможных направлений возрастающей энтропии, которое люди субъективно воспринимают как стрелу времени, живя в одном из двух возможных локальных миров, отвечающих наклонным участкам на рис. 3.1. Прежде чем обратиться к детальной критике взглядов Больцмана, взглянем на его теорию жизни с точки зрения основ созданной им термодинамики теплового равновесия, которая до недавнего времени занимала важное место в науке.

Людвиг Больцман (1844-1906) был первым ученым, попытавшимся свести теорию биологической эволюции к термодинамике и химии XIX в. Для ученых конца этого века большую проблему составляло утверждение, что второе начало термодинамики, казалось, предсказывало конечный беспорядок, смерть и распад природы, в то время как дарвиновская эволюция позволяла развиваться живым упорядоченным системам с возрастающей сложностью. Конечно, второе начало справедливо для замкнутых систем, а живые системы должны быть открытыми и непрерывно обмениваться энергией, веществом и информацией с окружающей средой. Тем не менее, каким образом становится возможным локальное возрастание сложности в море беспорядка и теплового равновесия?

Больцман предложил несколько объяснений, напоминающих современные биохимические концепции молекулярного автокатализа и метаболизма. Происхождение первых примитивных живых существ, вроде клеток, было сведено к отбору неживых молекулярных строительных блоков, который представлялся Больцман)' как процесс, напоминающий броуновское движение. Растения, как клеточные агрегаты, — это сложные упорядоченные системы. Таким образом, в духе второго начала термодинамики, это невероятные структуры, которые с помощью солнечного света должны вести борьбу против спонтанной тенденции к возрастанию энтропии в своих стеблях. Так как температура Солнца очень высока, Земля получает от пего энергию с относительно низкой энтропией, что может использоваться для компенсации спонтанного возрастания энтропии в растениях. Такой процесс реализуется в фотосинтезе, что было физически объяснено Больцманом в 1886 г.:

Следовательно, основная борьба за жизнь — это не борьба за исходный материал... или за энергию... а борьба за энтропию, становящуюся доступной в результате перехода от горячего Солнца к холодной Земле.

Больцман распространил свою основанную на физике теорию эволюции па историю эволюции нервной системы и возникновение памяти и сознания. Он утверждал, что чувствительность примитивных организмов к внешним воздействиям привела к развитию специальных нервов и органов зрения, слуха, осязания, движения и пр.:

Мозг рассматривается как аппарат или орган для создания моделей мира.

Из-за большой полезности этих моделей для выживания человеческой расы, мозг человека, согласно теории Дарвина, развился с той же безупречностью, что и шея жирафа или клюв аиста.

Даже способность создания понятий и теорий объяснялась эволюцией. Больцман пытался объяснить человеческие категории пространства, времени и причинности как развившиеся в мозге инструменты для родового выживания самых приспособленных. Он без колебаний распространил биологическую эволюцию даже на социокультурное развитие и историю человечества. В 1894 г. венский врач С. Экснер написал в духе Больцмана труд на тему «Мораль как оружие в жизненной борьбе». В 1905 г. сам Больцман прочел лекцию на поразительную тему «Объяснение закона энтропии и любви принципами теории вероятностей». Очевидно, больцмановский дарвинизм дошел до своих пределов.

И тем не менее в начале XX в. все еще пе удавалось объяснить жизнь на основании физики или химии. Классическая механика, основа естественных наук в XVI1-XVIII вв., предполагала существование детерминированных и обратимых во времени законов природы, не дающих объяснения необратимым процессам жизни. Маятниковые часы без трения могут, в принципе, неограниченно долго совершать обратимые во времени движения как колеблющаяся механическая система. Однако люди рождаются, живут и умирают. Почему? Термодинамика XIX в. рассматривает необратимые процессы в замкнутых системах, переходящие к состоянию максимальной энтропии, или беспорядка. Но как можно объяснить развитие сложных живых систем? В духе стати-

стической интерпретации Больцмана, возникновение порядка и биологической сложности может быть только крайне маловероятным событием, локальной космической флуктуацией «на краю Вселенной» (как позднее сказал Жак Моно), которая исчезнет без последствий для всей находящейся в тепловом равновесии Вселенной. Следуя Моно, у нас остается только философский экзистенциальный выбор в духе Камю: с достоинством погибнуть в окончательно бессмысленной биологической и культурной эволюции. Трагическая смерть гениального Людвига Больцмана, совершившего самоубийство в 1906 г., представляется символом этой позиции. Но термодинамика Больцмана определенно не объясняет происхождения жизни. Больцман доказал лишь, что его статистическая интерпретация второго начала не противоречит дарвиновской эволюции.

После классической механики XVII-XVIII вв. и термодинамики XIX в., фундаментальной теорией физики стала квантовая механика. Несмотря на соотношение неопределенностей Гейзенберга, законы квантовой и классической механики характеризуются обратимостью во времени. В том, что касается редукционистской программы изучения сложности, большим успехом квантовой химии молекул было то, что она могла быть объяснена законами квантовой механики. В 1927 г. Гайтлер и Лондон успешно модифицировали для случая молекул уравнение Шрёдингера для атомных и субатомных систем. В химии нет никаких особых химических сил, кроме хорошо известных физических сил. Представляется, что после физики телеология исключена из химии.

Но сводится ли химия полностью к физике? Определенно, только в ограниченном смысле! Структурные модели молекулярных орбит можно ввести, только абстрагируясь от квантово-механических корреляций. Например, несмотря на то что электроны в атоме нельзя различить в смысле принципа Паули, химики используют их как квазиклассические объекты, движущиеся вокруг атомных ядер по хорошо определенным орбитам. Существуют хорошо известные химические процедуры абстрагирования (процедуры Борна—Оппенгеймера и Хартри—Фока) для введения электронных орбит в приближенных квазиклассических моделях неклассического квантового мира. Кроме того, несмотря на все фантастические успехи вычислительной квантовой химии, мы должны учитывать практические ограничения, накладываемые возможностями современных компьютеров, при решении уравнений Шрёдингера для сложных молекул. Такое сведение химии к физике, несмотря на неполноту, казалось, доказывало, что ученые должны продолжать идти по пути редукционизма, чтобы свести к физике и химии элементарные частицы, атомы, молекулы, клетки и, наконец, организмы.

На самом деле в 1920-е и 1930-е годы спор между физическим редукционизмом и неовитализмом не мог быть разрешен. Например, физик Гайтлер, биолог Дриш и философы Бергсон и Уайтхед поддерживали явно неовита-листские воззрения в духе аристотелевской традиции. Они утверждали, что конкретные биологические законы иногда могут нарушать законы физики и химии. От Аристотеля до Гёте и Шеллинга для демонстрации того, что физический редукционизм невозможен, упоминались телеологическая самоорганизация и спонтанность форм жизни от живых

клеток до сознательно действующих людей. Целостность — главное свойство организма, которое нельзя свести к сумме его элементов. Некоторые физики, воодушевленные предложенной Нильсом Бором так называемой копенгагенской интерпретацией квантовой механики, пытались найти связующее звено между физикализмом и витализмом с помощью боровской концепции дополнительности. Сам Бор использовал дополнительность для обоснования таких взаимоисключающих понятий, как, например, корпускулярно-волновой дуализм. Таким образом, дополнительность предполагается для двух классов физико-химических и биологических законов, которые считаются несоизмеримыми. Следует помнить, что дополнительность есть не физический закон, а философская интерпретация квантовой механики, которую не поддерживал Эрвин Шрёдингер. Он знал, что в 1930-е и 1940-е гг. спор между физикализмом и витализмом не мог быть разрешен, а дополнительность была всего лишь понятием для описания сложившейся ситуации. В книге «Что такое жизнь?» Шрёдингер писал:

Все известное нам о структуре живой материи заставляет ожидать, что деятельность живого организма нельзя свести к проявлению обычных физических законов. И не потому, что имеется какая-нибудь «новая сила» или что-либо еще, управляющее поведением отдельных атомов внутри живого организма, а потому, что его структура отличается от всего изученного нами до сих пор в физической лаборатории.

Шрёдингер приводит образ инженера, знакомого с паровой машиной и желающего эксплуатировать электромотор. Хотя оба мотора работают совсем по-разному, инженер не станет подозревать, что электромотор приводится в движение святым духом. В традициях Лейбница, Шрёдингер собирается понять живой организм как «прекраснейший шедевр, когда-либо созданный по милости Божественной квантовой механики» .

Проблемой для Шрёдингера являлось то, что он, как и Моно, пытался описать возникновение порядка и жизни в рамках термодинамики Больцмана. Он был прав, критикуя телеологические силы и даже упорядочивающих демонов, существование которых было постулировано физиками в конце XIX в. Фантазия о демоне, который без внешнего влияния может обратить происходящий, согласно второму началу термодинамики, рост энтропии в замкнутой системе и, тем самым, заставить ее вести себя как вечный двигатель второго рода, восходит к Джеймсу Клерку Максвеллу. В 1879 г. Уильям Том-сОн (позднее лорд Кельвин) ввел понятие о «сортирующем демоне Максвелла», который обладал бы способностью спонтанно разделять находящиеся в статистическом равновесии с однородным распределением скоростей молекулы газа в замкнутом объеме на две части, содержащие более быстрые и более медленные молекулы.

Очевидно, «сортирующие демоны» представляют специальную гипотезу, которую невозможно объяснить в рамках физики XIX в. Термодинамика Больцмана, так же как механика Ныотона, недостаточна для моделирования возникновения сложного порядка и, следовательно, происхождения и роста живых систем. И первое, и второе начало термодинамики подчиняются важному условию, которое в общем случае не выполняется для всей природы. Эти законы предполагают, что обмен энергией происходит в замкнутой и изолированной системе. Но так как большинство областей Вселенной пронизывают потоки энергии и вещества, реальные системы в природе редко бывают замкнутыми. С учетом падающей на Землю солнечной энергии Земля не может рассматриваться как замкнутая и изолированная система.

Таким образом, первое и второе начала термодинамики не являются неправильными, но их применение эмпирически ограничено приближенно изолированными микроскопическими подсистемами, космическими или лабораторными системами, находящимися в специально приготовленных условиях. Ситуацию можно сравнить с классической механикой Ньютона. После создания специальной теории относительности Эйнштейна ньютоновская механика не стала ошибочной, но перестала быть универсальной физической схемой, ограничившись рассмотрением только движений со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света. Большая часть природных явлений может быть смоделирована динамическими системами, не подчиняющимися общим условиям термодинамики Больцмана, поскольку в этих системах имеются потоки энергии и вещества.

Исторически фундаментальные достижения таких ученых, как Максвелл и Гиббс, относятся исключительно к ситуациям, соответствующим равновесию, или бесконечно близким к равновесию. Одной из пионерских работ по неравновесной термодинамике в начале XX в. была, например, работа Пьера Дюгема. Но она осталась незамеченной, до тех пор пока Онзагер (1931), а дальше Пригожин с учениками, Хакен с коллегами и другие не приступили к изучению сложных систем вдали от теплового равновесия. С исторической точки зрения, ситуацию можно сравнить с развитием теории хаоса и сложных гамильгоновых систем. Хаотические явления были уже открыты и хорошо известны Пуанкаре, Максвеллу и другим ученым. Но математические проблемы, связанные с нелинейными сложными системами, отпугивали многих ученых от поиска соответствующих моделей.
Отзывов: 0