Энтропия. Ограниченность второго закона термодинамики.
Попов В.П., Крайнюченко И.В.
Каждый уровень организации Мира должен описываться (и описывается) своим языком. Можно ли только по срезу на пеньке дерева судить об организации кроны, форме листьев, запахе цветков и т. п.? Нельзя понять сложное явление, опираясь на очень простые модели. Попытайтесь описать архитектуру здания, зная только структуру кирпича. В сложных системах законы термодинамики не работают. Законы термодинамики действуют в идеализированных системах, где во внимание принимаются только тепловые процессы и потоки, а другие стороны объектов (структура, саморазвитие, управление, форма, цвет, запах эмоции, сознание и пр.) не включаются в модель термодинамической системы. Однако законам термодинамики приписывают универсальные свойства. Раскроем это заблуждение на примере энтропии.
Впервые понятие «энтропия» эмпирически было выведено Клаузисом в 1865 г. Эта функция S=Q/T (Q - теплота, Т- температура) трактуется как часть внутренней энергии системы, которая не может быть переведена в работу. Л. Больцман (1872 г.) для идеального газа теоретически вывел выражение энтропии S = K ln W, где К – константа; W – термодинамическая вероятность (количество перестановок молекул газа, не влияющее на макро состояние системы) [1]. Энтропия Больцмана трактуется как мера беспорядка, мера хаоса системы.
Следует обратить внимание на то, что Больцман в качестве модели взял предельно упрощённую среду, назвав её идеальным газом. Энтропия Больцмана способна характеризовать устойчивость равновесных систем (структур), но не устойчивость процессов, взаимодействий, т.к. в своей математической модели он исключил все виды взаимодействия молекул друг с другом, влияние гравитации, внутренние колебательные движения и т. д. Петрушенко А. А. справедливо отмечал, что энтропия – это функция, «привязанная» к поведению простых атомарно-молекулярных систем [2]. Несмотря на это, её упорно пытаются применить ко всей Вселенной. Например, Седов А. в своей книге «Одна формула и весь мир» тщетно пытается показать универсальность понятия энтропии. Биологи стремятся доказать, что все живое в ходе жизнедеятельности уменьшает свою энтропию [3] и это есть признак жизни.
Однако живое - это более процесс, чем структура, а классическая энтропия характеризует структурную упорядоченность, но не упорядоченность процессов, которые имеют место в живом.
Покажем, что использование энтропии даже в простых неживых системах иногда вызывает недоумение. Если небольшое количество жидкой воды в смеси со льдом поместить в термостат, то через некоторое время вода целиком превратиться в лёд. Получается, что в изолированной системе рост энтропии сопровождается не увеличением хаоса, а ростом упорядоченности (вода переходит в лед) [3,4]. Но это противоречит выводам термодинамики.
В другом опыте с избытком воды через некоторое время лёд растет. В термостате останется только жидкая вода. Упорядоченный лёд исчез, осталась «хаотическая» вода. В этом случае процесс не противоречит термодинамике. Неопределённость выводов вызвана отсутствием чёткого представления, что есть порядок и хаос.
Рассмотрим еще один пример. Кристаллическая структура металла есть высокоупорядоченное образование. Растянем металлическую пружину при постоянной температуре, чтобы кинетическая энергия атомов не изменилась. У растянутой пружины «упорядоченность» кристаллической решётки несколько понизилась за счёт деформации. Связи удлинились, изменилась частота колебания валентных связей. Пружина стала способна совершать работу за счет накопленной потенциальной энергии. Если дать возможность пружине сжаться, то она совершит работу и самопроизвольно перейдёт в равновесное высокоупорядоченное состояние. Вопреки выводам Больцмана самопроизвольный процесс сжатия не сопровождается возрастанием хаоса, т.е. ростом энтропии. Наоборот упорядоченность структуры возрастает.
По мнению Штеренберга [3], в формуле Клаузиуса S=Q/T энергия есть некоторая сумма всех видов энергий системы: кинетической, потенциальной и любых других. Но Больцман беспорядочность молекулярной системы связывал только с кинетической энергией движения молекул. Чем выше кинетическая энергия всех видов движения молекул (предполагая, что все направления движения равновероятны), тем больше хаоса и это справедливо для идеального газа. Но возможность совершать работу зависит как от потенциальной, так и от кинетической энергии. Доля потенциальной энергии увеличивается в жидких и твёрдых телах. Сложное «переплетение» разных видов энергии в реальных системах делает энтропию очень нечеткой функцией. Её безусловная область применения - это идеальный газ. Переход к жидкому и твердому состоянию уже вызывает многие отклонения.
Можно добавить, что все законы термодинамики носят статистический характер и «работают» только в системах, где элементами являются атомы или молекулы, причём при высокой плотности вещества. Если рассматривать очень разреженные газы, когда в 1см имеются единицы молекул, то в этих случаях законы термодинамики и понятие «энтропия» не приемлемы. Если молекула всего одна, то, о её хаотичности говорить не приходиться. Следовательно, даже не все молекулярные системы можно оценивать энтропией.
Термодинамика утверждает, что в изолированной системе процессы должны развиваться в направлении роста энтропии, т.е. от порядка к хаосу. На этом основании возникло представление о тепловой смерти Вселенной. Но мы имеем пример Солнца достаточно изолированной системы, практически не связанной с другими далёкими звёздами. Самопроизвольный процесс жизненного цикла Солнца направлен от хаотического плазменного состояния к состоянию нейтронной звезды (порядок) [5]. То есть хаос переходит в порядок, а не наоборот.
Сложившееся заблуждение о косности изолированных систем основывается на опытах, проведенных на системах очень малой энергоёмкости, где затухание процессов протекало быстро, и переходные состояния из наблюдения исключались. Незаметно лабораторные представления перенесли на макро и мега системы.
Если создать систему, в которую включены источники ресурсов и подсистемы утилизации «отходов», то в такой изолированной системе будут протекать любые процессы, в том числе и развитие с усложнением, пока не истощаться запасы ресурсов. В зависимости от ёмкости запасов и размеров системы развитие может протекать миллиарды лет. Энергия Солнца черпается из внутренних процессов синтеза «тяжелых» элементов. Сырьё для синтеза попало туда на начальной стадии сгущения газопылевой туманности. И эти процессы обеспечивают развитие Солнца от плазменного состояния к состоянию «белого карлика» уже 5 млрд. лет. С точки зрения человека – целая вечность.
Наша Вселенная развивается за счет энергии, выделившейся при Большом взрыве в начальной стадии эволюции. Если наша Вселенная изолированная, то она развивается на внутреннем источнике ресурсов. Из однородного гелий - водородного облака путем гравитационного сжатия стали образовываться плотные сгустки материи – звезды, планеты. Вселенная становилась неоднородной, как по плотности, так и по температуре. Химический состав ее усложнялся. Кроме простых атомов водорода и гелия в недрах звезд возникли все элементы таблицы Менделеева. Появилась жизнь. Разве это деградация?
Но консерватизм мышления стоек. Биологи, например, стремятся доказать, что жизнь постоянно уменьшает свою энтропию [3] и это есть главный признак жизни.
Обратимся в мир живых и социальных систем и посмотрим, есть ли там место для энтропии как статистической функции. Проследим, как изменяется количество элементов в единице объема при восхождении по лестнице сложности.
В нормальных условиях в 1 см газа содержится около 1019 атомов. В живой клетке плотность вещества выше, но элементами являются не атомы, а гигантские белковые молекулы. Оценим приблизительно 1014 - 1015 молекул в 1см3. Живые ткани содержат в 1 см3 ~ 10 9 клеток. Организм имеет несколько сотен органов. Чем выше иерархический уровень объекта, тем меньше кинетических единиц содержится в единице объема. Но при малом количестве элементов энтропия «теряет свои полномочия», так как функция S= K ln W статистическая.
Исходя из изложенного, применять энтропию для оценки поведения, например, стаи антилоп из нескольких сот особей нельзя, т.к. очень мала статистическая выборка и очень мало количество микросостояний. Но, тем не менее, пытаются использовать энтропию для характеристики организации людей/
В научном мышлении существует мнение, что живое создает вокруг себя беспорядок (хаос), но повышает свою упорядоченность (Винер, Шредингер). Это следует понимать так. Живое потребляет высокоупорядоченные ресурсы, а сбрасывает в окружающую среду нечто мало организованное. Докажем, что это стойкое заблуждение.
Растения потребляют их атмосферы газы (CO2), из почвы воду и некоторые микроэлементы. В окружающую среду они отдают газы (O2, CO2, H2O), некоторые метаболиты и рассеивают тепло. В первом приближении энтропия входных и выходных материальных потоков отличается мало (на входе газ и на выходе газ). Животные, потребляющие кроме газов и воды высокоорганизованную материю в виде белков, жиров, углеводов, трансформируют их в свое тело аналогичной сложности. В биосфере отходы одних организмов являются высококачественным сырьем для питания других, поэтому ценные метаболиты организмов нельзя считать веществом с высокой энтропией. Более того, живое вещество по Вернадскому не упрощает косную материю, а даже усложняет, множит разнообразие. Нефть, уголь, месторождения железа, бокситов, мела, известняка и многих других минералов созданы живым веществом. Поддержание состава кислородной атмосферы Земли, этого явно неравновесного состояния, также является деятельностью живого/ Тогда о какой же деградации окружающей среды идет речь?
Однако имеет место деградация энергии. «Высококачественная» световая энергия Солнца превращается в энергию химических связей тканей растений, которая затем после гибели растения деградирует в тепло. Однако переход света в тепло не является спецификой живого. Этот процесс еще с большей интенсивностью осуществляется неживой материей. «Неживая» поверхность Земли поглощает весь приходящий от Солнца свет и затем в виде тепла излучает энергию обратно в космос, а живое вещество утилизирует всего несколько процентов солнечной энергии.
Но человек уменьшает разнообразие биосферы, могут возразить оппоненты, и этим увеличивает её энтропию. Действительно человек уменьшает разнообразие «дикой» биосферы, но при этом увеличивает разнообразие «культурной» биосферы (домашние животные и растения). Невероятно быстро растет разнообразие техносферы, естественно входящей в понятие внешней среды для человека. Кроме того, внутреннее разнообразие системы прямо никак не связано с величиной её энтропии. Принято считать, что кристалл является образцом порядка с минимумом энтропии, но трудно придумать что - либо более однообразное, чем кристалл. Наиболее развитые предприятия и организации общества стремятся упростить систему управления, но это никак нельзя связывать с деградацией. Принято считать, что управление в человеческих социумах направлено на упорядочение процессов и уменьшение энтропии. Но любое управление ограничивает разнообразие системы (также как и «окружающей среды»). Согласно общепризнанному предрассудку, управление, т.е. уменьшение разнообразия внутри управляемой системы, должно сопровождается ростом энтропии, но это абсурд.
Дезорганизация сложных систем не всегда приводит к хаосу. Если каменную глыбу распилить на блоки правильной формы, то дезорганизация глыбы не выглядит как хаос.
Шредингер [5], рассматривая биологические системы, утверждал, что рост энтропии должен компенсироваться увеличением внутренней энергии. Поэтому живое должно накапливать внутреннюю энергию, чтобы использовать ее для поддержания неустойчивого равновесия.
Действительно, чем сложнее организм, тем больше он потребляет энергии в расчете на единицу массы своего тела/ Усиление энергетического обмена было чрезвычайно полезным для выживания.
Человек резко повысил энергопотребление, дополнив пищу использованием горючих материалов. Первобытный человек получал с пищей не более 2000 ккал в сутки. С использованием огня потребление энергии выросло до 5000 ккал/сутки. Сейчас в развитых странах потребление энергии превышает 200000 ккал/сутки на человека.
Рептилии (хладнокровные) – более экономичны, чем теплокровные, но все же теплокровные вытеснили из биосферы почти всех рептилий. Однако не всё так правильно, как кажется. Насекомые, рыбы, моллюски, являясь, по сути, также хладнокровными, процветают до сих пор. Очевидно, что оценка устойчивости сложной системы только термодинамическими потенциалами не корректна. То, что хорошо для простых молекулярных систем, может для живых объектов оказаться не пригодным. Сложные системы многоплановые. Беспорядок в одних функциях может компенсироваться порядком в других.
Сохранять гомеостаз можно разными способами. Или повышенным расходом энергии, или ее экономией. Боксер может победить соперника, действуя рационально, экономя силы. Но может победить и избыточностью, совершая много ложных движений. Броненосец на море обладает мощной защитой от снарядов противника, а торпедный катер рассчитывает только на скорость и маневренность. Чаще имеет место комбинация этих двух способов самосохранения.
У спящего организма энергопотребление минимизировано, но структурная упорядоченность не ниже, чем у активно действующего. Очень эффективным способом самосохранения является, например, анабиоз, который почти без энергопотребления может обеспечить самосохранение. Следовательно, аргумент об антиэнтропийной деятельности живого, основанный на наблюдаемом росте энергопотребления, является некорректным.
Несмотря на сказанное, понятием «энтропия» оперируют в разных науках, следовательно, в этом есть какая - то потребность. Попытаемся понять это. В молекулярных системах в ряду: газ - жидкость – кристалл энтропия уменьшается. Визуально в этом ряду возрастает и способность сохранять структуру (форму). Газ стремится неограниченно расшириться и не имеет формы. Капля жидкости уже оформлена (сфера), но ещё не прочно. Кристалл представляет образец устойчивости. Живое вещество существует и сохраняет устойчивость, упорядоченность, но не вследствие понижения энтропии, а благодаря процессам управления. Итак, в случае с энтропией произошла подмена понятий, под энтропией стали понимать меру устойчивости системы (holism.narod.ru).
Но только одна энтропия не может характеризовать устойчивость биологических систем. У живого есть другая более важная особенность – способность эволюционировать, целенаправленно изменять свой гомеостаз и тем самосохраняться.
Устойчивость неживых систем есть функция энергии связей и кинетической энергии всех видов движения элементов системы. Устойчивость живых систем – это также функция энергии связи и плюс способность к регенерации. Регенерация требует направленных действий (т.е. управления). Можно построить сооружение из очень прочных элементов и оно простоит 100 лет. Но можно сделать то же из «слабых», но легко замещаемых элементов, осуществлять своевременную замену и сооружения также будут долговечными.
Всё живое построено из белковых, полимерных молекул – очень непрочного материала. Именно такой, непрочный материал оказался наиболее пригодным для эволюции. Непрочность, мобильность, плюс управление (регенерация) – это новый способ сохранения гомеостаза, появившийся в форме жизни. Размножение – это замена старого, изношенного на новое, но несколько отличающегося от старого. Эволюция – это высший способ самосохранения. Эволюция – это замена не только элементов, но и модернизация всей конструкции.
Как любой закон, термодинамика должна иметь ограничения. Её нельзя расширять на весь мир. Её место в простых молекулярных и атомарных системах
Литература
1. Кузнецов Б. Г. К истории применения термодинамики в биологии. // Биология и информация, 1965.
2. Петрушенко Л. А. Самодвижение материи в свете кибернетики. - М.: Наука, 1971.
3. Штеренберг М. И. Проблема Берталанфи и определение жизни. // Вопросы философии, 1996, N2.
4. Штеренберг М. И. Синергетика и биология. // Вопросы философии, 1997, N3
5. Дубнищева Т. Я. Концепции современного естествознания. / Под ред. Жукова М. Ф..- Новосибирск.: ЮКЭА, 1997.