Відкриті системи й нерівновага термодинаміки

Класична термодинаміка у своєму аналізі систем значною мірою абстрагувалася від їхньої реальної складності, зокрема, відволікалася від їхньої взаємодії із зовнішнім середовищем. Тому її вихідне поняття закритої, або ізольованої, системи не відбивало дійсного положення речей і приводило до протиріччя з результатами досліджень у біології й соціальних науках. Дійсно, еволюційна теорія Дарвіна свідчила, що живаючи природа розвивається в напрямку вдосконалення й ускладнення нових видів рослин і тварин. Історія, соціологія, економіка й інші соціальні й гуманітарні науки показували, що в суспільстві, незважаючи на окремі зиґзаґи й рух назад, у цілому спостерігається також прогрес.

На противагу цьому класична термодинаміка затверджувала, що фізичні й інші системи неживої природи еволюціонують у напрямку посилення їхнього безладдя, руйнування й дезорганізації. У такому випадку ставало незрозумілим, яким образом з неживої природи, системи якої мають тенденцію до дезорганізації, могла з'явитися коли-або живаючи природа, де системи, навпроти, прагнуть до вдосконалювання й ускладнення своєї організації. Все це показувало, що результати дослідження класичної термодинаміки перебували в явному протиріччі з тим, що було гарно відомо з біології, історії, соціології й інших суспільних наук.

Важливо також підкреслити, що самі поняття часу й еволюції по-різному інтерпретувалися в колишній термодинаміці, з одного боку, і в біології, соціології й історії, з іншої. Справді, так звана стріла часу зв'язувалася в термодинаміку зі зростанням ентропії системи, з посиленням її безладдя й дезорганізації, тоді як у біології й соціології вона розглядалася, навпаки, з погляду становлення й удосконалювання системи, збільшення в ній порядку й організації. Якщо еволюція в неживій природі витлумачувалася як поступовий рух систем до їхнього руйнування й дезорганізації, то в живій природі, навпаки, як повільний поступальний рух до посилення організації систем, їхньому вдосконалюванню й ускладненню. Недарма ж незабаром після того як був сформульований другий початок термодинаміки, з'явилися похмурі прогнози про «теплову смерть» Всесвіту.

У чому ж полягають причини такого протиставлення точок зору на поняття часу й еволюції? Як можна було дозволити протиріччя, що виникло між поданнями класичної термодинаміки й біології, соціології й історії? Очевидно, що для цього необхідно було переглянути ті вихідні поняття й принципи, яких дотримувалася стара, класична термодинаміка, тому що вони не відповідали дійсності, нашим спостереженням, а також результатам досліджень у біологічних і соціальних науках. Досвід і практична діяльність свідчили, що поняття закритої, або ізольованої, системи являє собою далеко, що йде абстракцію, і тому вона занадто спрощує дійсність, оскільки в ній важко або навіть неможливо знайти системи, які б не взаємодіяли з навколишнім середовищем, що складається також із систем. Тому в новій термодинаміці місце закритої, ізольованої, системи зайняло принципово інше фундаментальне поняття відкритої системи, що здатна обмінюватися з навколишнім середовищем речовиною, енергією й інформацією.

Одне з перших визначень цього поняття належить видатному австрійському фізикові Ервину Шредингеру (1887-1961), що сформулював його у своїй книзі «Що таке життя? З погляду фізика». У ній він ясно вказав, що закони фізики лежать в основі утворення біологічних структур, і підкреслив, що характерна риса біологічних систем складається в обміні енергією й речовиною з навколишнім середовищем. Він писав:

Засіб, за допомогою якого організм підтримує себе постійно на досить високому рівні впорядкованості (дорівнює на досить низькому рівні ентропії), у дійсності складається в безперервному витягу впорядкованості з навколишнього його середовища.

Взаємодіючи із середовищем, відкрите система не може залишатися замкнутої, тому що вона змушена запозичити ззовні або нову речовину або свіжу енергію й одночасно виводити в середовище використана речовина й відпрацьована енергія.

Але на відміну від закритих систем ця ентропія, що характеризує ступінь безладдя в системі, не накопичується в ній, а віддаляється в навколишнє середовище. Це означає, що використана, відпрацьована енергія розсіюється в навколишнім середовищі й замість її із середовища витягає нова, свіжа енергія, здатна робити корисну роботу.

Такого роду матеріальні структури, здатні розсіювати, енергію, називаються дисипативними. Звідси стає ясним, що відкрита система не може бути рівноважної, тому що її функціонування вимагає безперервного надходження із зовнішнього середовища енергії або речовини, багатого енергією. У результаті такої взаємодії система, як указує Шредингер, витягає порядок з навколишнього середовища й тим самим вносить безладдя в це середовище.

Подібні статті

Принципові відмінності живих систем від неживих
Проблема походження життя отримала зараз непереборну цікавість для всього людства. Вона не тільки залучає до себе пильну увагу вчених різних країн і спеціальностей, але цікавить взагалі всіх людей світу. Зараз вважається загальновизнани ...

Особливості гадюки звичайної
Плазуни - перший клас хребетних, які мають основні риси вищих наземних хребетних - амніот. Розмножуються шляхом відкладання великих яєць, які мають багато жовтка і шкаралупині оболонки. Зародок має зародкові органи - амніон і алантоїс. Шкі ...