Принципи самоорганізації систем

Як показав австрійський фізик Людвіг Больцман, з другого закону термодинаміки випливає, що всі реальні процеси у Всесвіті повинні протікати зі збільшенням ентропії. У стані рівноваги вона максимальна. Ентропія, як показав Больцман, характеризує ступінь безладдя в системі, чим вона більша, тим більше безладдя. Тепер ясно, що теплова енергія рівноважного стану марна для здійснення роботи, тому що вона найбільш безладна. Стає зрозумілим, чому всі природні процеси в природі йдуть з розсіюванням енергії. Тому що це збільшує безлад. Слід, однак, зауважити, що другий закон носить статистичний характер і застосовується лише до систем, що містить велику кількість частинок.

Коли ентропія системи зростає, то, відповідно, посилюється безлад в системі. В такому випадку другий закон термодинаміки постулює: ентропія замкнутої системи, тобто системи, яка не обмінюється з оточенням ні енергією ні речовиною, постійно зростає. А це означає, що такі системи еволюціонують у бік збільшення в них безладу, хаосу і дезорганізації, поки не досягнуть точки термодинамічної рівноваги, в якій будь-яке виробництво роботи стає неможливим.

Згідно з другим законом термодинаміки все природні процеси незворотні і можуть протікати тільки в одну сторону: в строну збільшення безладу, тобто в сторону теплового рівноважного стану. через що і виникає так звана «стріла часу».

У відкритих системах також виробляється ентропія, оскільки в них відбуваються незворотні процеси, але вона в цих системах не накопичується, як в закритих, а виводиться в навколишнє середовище. Оскільки ентропія характеризує ступінь безладдя в системі, остільки можна сказати, що відкриті системи живуть за рахунок запозичення порядку із зовнішнього середовища.

Живі системи для свого існування поглинають речовину з укладеної в ньому енергією високої якості (у вигляді харчування), переробляючи яке, вони вивільняють речовину (екскременти) з енергією «низької якості». В результаті ця різниця енергій йде на підтримку життя і збільшення структуровані. І хоча в результаті ентропія в живій системі зменшується, загальна ентропія живої системи і навколишнього середовища (за рахунок виходу «безладної» енергії) збільшується, як і випливає з другого закону. Таким чином, якщо в якійсь частині системи відбуваються процеси, що зменшують ентропію (збільшують організованість), то в іншій частині системи обов'язково протікають процеси, її збільшують, так що сумарна зміна ентропії завжди позитивно. Виявляється, що самоорганізація систем може відбуватися і часто відбувається спонтанно. В результаті таких процесів з більшою ймовірністю і сталася життя.

Однак самоорганізація може відбуватися лише в сильно нерівноважних дисипативних системах в результаті випадкових флуктуацій (флуктуація, лат. Fluctuatio, - коливання, відхилення від деякого середнього положення) або зовнішніх впливів. Наука, що займається еволюцією і виникненням таких систем, називається синергетикою або термодинаміки відкритих нерівноважних систем.

Схожі статті