Заметки об общей теории эволюции систем
(ред. 14.02.2022)
В 1865 г. Р. Клаузиус ввёл понятие энтропии – термодинамической величины, равной отношению количества теплоты к температуре. (Об энтропии и её свойствах можно почитать в книге М.В. Волькенштейна [1986] или у П.Эткинса, «Порядок и беспорядок в природе» [1987]).
В самопроизвольных, обратимых во времени процессах энтропия постоянна. Но процессы обратимы только в теории, при обычном для классической физики пренебрежении силой трения и ей подобными. Все реальные процессы необратимы и приводят к росту энтропии (мы говорим здесь только о динамической энтропии, статическая, с процессами не связанная, не имеет отношения к эволюции). Растёт энтропия и с увеличением массы (количества элементов) системы.
В статистической физике энтропия определяется логарифмом "макровероятности", т.е. числа микросостояний – способов осуществления текущего макросостояния системы. (Предполагается, что все микросостояния равновероятны.) Это не другая энтропия, Л. Больцман доказал полную эквивалентность статистического и термодинамического подходов. Но в таком представлении стала более понятной причина её роста: случайно переходя из одного микросостояния в другое, система неизбежно, в силу закона больших чисел, смещается в сторону наиболее "макровероятных" – просто их больше.
Статистический подход выявляет проблему масштаба, от которого зависит, насколько близкие друг к другу микросостояния можно различить [см. Ландау, Лифшиц, 1976, с.50 ] Величина энтропии зависит от степени этой близости и изменяется при изменении масштаба. Но только в квантовой физике есть фиксированный порог близости. В общем случае масштаб можно выбрать произвольно, и это делает энтропию относительной величиной. Можно говорить, как она изменяется, но нельзя указать её абсолютное значение.
Макровероятность велика, если энергия равномерно распределена по системе. Поэтому рост энтропии соответствует рассеянию, стремлению к равновесности. Неравномерное распределение энергии приводит к возникновению разности потенциалов между частями системы. Как следствие, образуются потоки энергии. В изолированной системе или скоплении они восстанавливают равновесие, доводя энтропию до максимума, и сводя разность потенциалов к нулю. Обобщение этого факта привело физиков в XIX веке к двум выводам:
- энергия обесценивается и Вселенную ждёт «тепловая смерть»;
- наблюдаемая нами часть Вселенной находится в совершенно невероятном состоянии, поскольку, существуя, как тогда считалось, вечно, давно должна была достичь полной равновесности, т.е. «тепловой смерти».
Второе обстоятельство первым попытался объяснить Л.Больцман [см. Хайтун, 2005, с.33-34]. Он выдвинул флуктуационную гипотезу, согласно которой Вселенная в целом находится в равновесном состоянии, но нас окружает гигантская флуктуация, состояния тел в которой крайне маловероятны. Большинство учёных отрицательно отнеслись к этой гипотезе. В Большой Советской Энциклопедии в её опровержение приводится ссылка на работу Р. Толмена [1928], показавшего, что с учётом релятивистских эффектов гравитации энтропия Вселенной может расти неограниченно. Этот факт опровергает неизбежность тепловой смерти и "отменяет" необходимость флуктуационной гипотезы, но вовсе не её саму.
С точки зрения современной науки гипотеза Больцмана уже не кажется сомнительной. Признание Большого взрыва, при котором энтропия была равна или близка к нулю, снимает необходимость поиска иной предельной точки флуктуации. Что бы ни было до, после взрыва энтропия Вселенной неуклонно растёт.
Другие заметки об общей теории эволюции систем:
Введение в общую теорию эволюции систем(http://proza.ru/2020/06/16/1776)
Эволюция и энтропия. "Тепловая смерть" Вселенной (эта заметка)
Э.Шрёдингер и эволюция, С. Хайтун и беспорядок (http://proza.ru/2020/06/17/11)
Что такое информация? Взгляд эволюциониста (http://proza.ru/2020/06/17/33)
Ценность информации.Целеполагание произвольной системы (http://proza.ru/2020/06/17/36)
Что такое сложность? Взгляд эволюциониста(http://proza.ru/2020/06/17/47)
Зачем зажигают звёзды или Энергетика связей (http://proza.ru/2024/04/26/1135)
Пассивные связи: скелет, границы, сети... (эта заметка)
Активные связи. Кооперация и конкуренция (http://proza.ru/2020/06/17/54)
Из чего состоит и куда идёт эволюция?(http://proza.ru/2020/07/23/700)
Общая теория эволюции систем. Некоторые итоги (http://proza.ru/2020/06/17/73)
Литература:
Волькенштейн, М.В., 1986, «Энтропия и информация», М.: Наука.
Ландау, Л.Д., Лифшиц, Е.М., 1976, «Теоретическая физика». «Статистическая физика. Часть I.», 3-е изд., М.: Наука, 1976, (т. V),
Толмен,, Р., 1928, «Относительность, термодинамика и космология», рус.пер. 1974.
Хайтун, С.Д., 2005, «Феномен человека на фоне универсальной эволюции». М.: Комкнига, https://istina.msu.ru/collections/11200163/
Эткинс, П., 1987, «Порядок и беспорядок в природе», https://booksee.org/book/486507