Стрела времени и необратимость, возникновение хаоса из порядка и порядока из хаоса как следствие фундаментального детерминизма

Косарев А.В., инженер-теплоэнергетик, к.т.н.

Введение

Пригожин И. в [Л-6] пишет: “Можно ли каким-то образом установить связь между столь различными пониманиями времени – временем как движением в динамике, временем, связанным с необратимостью, в термодинамике, временем как историей в биологии и социологии? Ясно, что установление такой связи – задача не из лёгких. И всё же мы живём в единой Вселенной, и, чтобы достичь согласованной картины мира, частью которого мы являемся, нам необходимо изыскать способ, позволяющий переходить от одного описания к другому”. Цель данной статьи попытаться дать единое представление о времени, применимое для всех означенных выше областей, а также показать способ, который позволит не просто переходить от одного описания к другому, а сделать единое описание всех областей классической динамики (динамики Ньютона, термодинамики, теплопередачи, гидродинамики, электродинамики токов, динамики в биологии) исходя из единых исходных постулатов. Выше перечисленные области классической динамики находятся в вопиющем противоречии. Динамика Ньютона и термодинамика уважительно отгородились друг от друга и придерживаются политики невмешательства в область описания другого. Динамика Ньютона описывает системы состоящие из малого числа частиц, элементов, а термодинамика описывает системы из несчётного числа частиц, элементов. Термодинамика же (во всяком случае классическая) и биология фактически исключают друг друга. Эволюция в термодинамике, вытекающая из её исходных постулатов, приводит к равновесному состоянию, что с точки зрения биологии означает конец развития и смерть. Эволюция по Дарвину, принятая биологией и также отвечающая реальному миру, противоречит постулатам термодинамики. Мало общего, если об этом вообще можно говорить, и между динамикой Ньютона и биологией. Необходимо обратить внимание на то, что и классическая статистическая механика применяет математический аппарат теории вероятностей, опираясь на гипотезу молекулярного хаоса (принцип элементарного беспорядка), предложенную Больцманом, и которая аккумулирует в себе нулевой и второй постулаты термодинамики. Конечно, эта гипотеза подтверждена и опытом и приложениями теории, но тем не менее теоретически не обоснована до сих пор. Сложное и запутанное становится понятным, когда во всём этом удаётся увидеть простое и главное. Таким простым, главным и объединяющим для означенной совокупности знаний является эффект вырождения результирующего импульса в многочастичной среде через нецентральное соударение. Наложение этого эффекта на законы динамики Ньютона позволяет построить классическую макро физику исходя из трёх постулатов, которые лежат в основе динамики Ньютона. Это: закон сохранения и превращения энергии; закон сохранения результирующего импульса (момента импульса); корпускулярный характер строения материи, приводящий к нецентральному соударению.

Последний постулат нигде отдельно не выделяется, но фактически также лежит в основе динамики.

Но сначала о времени.

Время в динамике процессов и в эволюции событий

Проблема времени вызывала интерес с глубокой древности. Во всяком случае с античных времён по сегодняшний день исследователи практически всех направлений уделяли понятию времени самое пристальное внимание.

“Время – фундаментальное измерение нашего бытия. … В том виде, как оно входит в фундаментальные законы физики от классической динамики до теории относительности и квантовой физики, время не содержит в себе различия между прошлым и будущим! Для многих физиков ныне это вопрос веры: до тех пор и поскольку речь идёт о фундаментальном уровне описания, “стрелы времени” не существует. Тем не менее во всех явлениях, с которыми нам приходится иметь дело, будь то явления из области макроскопической физики, химии, биологии, геологии, гуманитарных наук, будущее и прошлое играют различные роли. Существование стрелы времени здесь очевидно. Каким образом может возникнуть стрела времени из фундаментальной концептуальной схемы физики? Каким образом она может возникнуть из симметричного по времени мира? Или, быть может, воспринимаемое нами время не более чем иллюзия? Эти вопросы приводят к парадоксу времени – центральной теме нашей книги.” [Л-5].

Как представляется автору данной статьи ни какого парадокса тут нет, а есть путаница между понятием промежуток времени, используемым динамикой и понятием момент времени, используемый эволюционными теориями. Сразу хочу оговориться, несмотря на частое цитирование Пригожина и зачастую в противоречие того, о чём говорю сам, это не означает противоречия с концепцией Пригожина. Напротив, я пытаюсь дать ответы на сформулированные им вопросы, да и указываемые противоречия по большей части сформулированы именно им для обоснования его концепции.

Время в динамике процессов и в эволюции событий – совершенно разные понятия. Именно соединение вместе этих различных понятий и даёт нам стрелу времени или числовую ось времени.

Рассмотрим время в динамике процессов.

Основная задача динамики, диктуемая её основным законом, заключается в описании движения массы под действием силы. Обратим внимание, что всякий процесс связан с движением, с перемещением в пространстве. Движение характеризуется, в числе прочего, скоростью движения и именно для определения величины скорости и введено понятие времени (промежутка времени) в динамике. А вот само понятие времени (промежутка времени) в динамике возникает из сравнения скоростей различных, не зависимых друг от друга, процессов. Примеры:

Пример-1. Рассмотрим два независимых друг от друга процесса – движение автомобиля по дороге и качание маятника. В процессе движения измеряем расстояние пройденное автомобилем с помощью какой-то эталонной меры и число полных периодов качания маятника. Причём замеры обеих величин начинаем и заканчиваем одновременно. Из отношения замеренных величин, каждая из которых определяется скоростью её процесса и возникает время в динамике процессов (промежуток времени). Мы можем сказать, что на одно полное качание маятника приходится столько-то величин эталонных мер расстояния, которыми измеряется пройденный путь. То есть время выступает как кратная величина скоростей сравниваемых процессов. Здесь мы приняли в качестве эталона сравнения скоростей процессов скорость качания маятника. Можно и наоборот. Теперь принимая скорость эталонного процесса как меру промежутка времени (один период качания маятника – одна секунда, например) получаем кратную скорость любого другого сравниваемого с ним процесса. Из сравнения кратных скоростей (по отношению к маятнику) двух движущихся автомобилей мы и определяем соотношение их скоростей.

Конечно, если автомобили начинают и заканчивают движение одновременно, то для сравнения их скоростей вовсе и не нужно маятника, вовсе и не нужно эталонного процесса. Но если автомобили движутся не одновременно, то для сравнения их скоростей без маятника не обойтись.

Пример-2. Вращение Земли вокруг собственной оси (суточное вращение) и вращение Земли вокруг Солнца (годичное вращение). Здесь ситуация совершенно аналогична ситуации первого примера. Пользуясь астрономическими знаниями, определяем число суточных оборотов за один годовой оборот. Принимая скорость вращения вокруг Солнца за эталонную скорость, находим скорость вращения Земли вокруг своей оси как кратную величину по отношению к вращению Земли вокруг Солнца. Причём это стало возможным потому, что оба эти независимых процесса протекают одновременно. Как и в случае одновременного движения двух автомобилей для определения соотношения скоростей процессов здесь можно обойтись без третьего эталонного. А вот ели замеры производить раздельно, то без процесса качания маятника, например, тоже не обойтись.

Время в динамике процессов (промежуток времени) – это просто скорость какого-то процесса выбранного в качестве эталона сравнения. Параметр времени в динамике процессов введён для выявления соотношения скоростей независимых процессов. Самого времени как “нечто самостоятельное” не существует. В этом смысле время в динамике процессов действительно “иллюзия”. Причём чёткого определения времени (промежутка времени) невозможно дать без существования равномерного периодического процесса, с которого начинается сравнение кратных скоростей других процессов. Под равномерностью периодического процесса нужно понимать не равномерность его скорости, а строгую повторяемость его циклов на каждом этапе цикла. Например, маятник имеет скорость движения от нуля в верхних точках траектории до максимума в нижней, но мы имеем в виду под равномерностью скорости процесса то, что в каждом цикле движения всё строго повторяется, все характеристики процесса. Вот почему в качестве эталонных процессов выбирают качание маятника, вращение Земли вокруг своей оси или вокруг Солнца. Причём для более точного измерения вариаций скорости (кратной скорости) какого-либо процесса в качестве эталона необходимо выбирать равномерный периодический процесс с возможно большей собственной скоростью. По этой причине сегодня в качестве эталона времени выбраны атомные или квантовые часы с большой частотой и высокой степенью повторяемости периодов частот процесса излучения.

Рассмотрим время в эволюции событий.

Эволюция изучает события или иначе видоизменения, метаморфозы, бифуркации, т.е. какие-то резкие качественные изменения наблюдаемой системы, объекта и последовательность этих событий. Наблюдая за событиями, мы можем лишь сказать о том какое событие произошло раньше, а какое позже или они произошли одновременно. Причём вне зависимости то того связаны ли события между собой какой-либо причинно следственной зависимостью или нет. Из простого наблюдения за последовательностью событий возникают понятия прошлого, настоящего и будущего, возникает направление событий. Мы можем говорить о последовательности моментов возникновения этих событий. Но все эти понятия сами по себе не имеют никакого отношения к понятию промежутка времени. Причём в отличии от динамики процессов, где в качестве реальности выступают скорости процессов, а промежуток времени это “иллюзия” отражающая соотношение реальных скоростей, в эволюции событий их последовательность и момент наступления самая, что ни на есть реальность. Объединение столь различных понятий как промежуток времени в динамике процессов и моментов времени в эволюции событий в единую числовую ось времени возможно по той причине, что события наступают в результате протекания физических процессов. Пусть имеем наблюдаемую последовательность событий. Между событиями протекают процессы, порождающие эти события. Замеряя скорости этих процессов по скорости эталонного процесса, получаем промежутки времени между отдельными событиями в последовательности. Теперь осталось выбрать за начало отсчёта какое-либо событие (сотворение мира, рождение Христа или основание Рима) и числовая ось времени готова.

Далее происходит абстрагирование от конкретной последовательности событий и моменты времени на числовой оси получаются как числа, суммирующие последовательность промежутков времени эталонного хронометра. А моменты времени конкретных реальных событий привязывают к полученной абстрактной числовой оси времени и тогда мы получаем даты.

Таким образом равномерный периодический процесс лежит в основе понятия времени. Без него даже эволюционная последовательность событий (если только она сама не равномерна как верстовые столбы) не позволит определить время как аналитическое понятие. Именно по отношению к скорости эталонного равномерного периодического процесса и определяются скорости всех других процессов. Если нет такого эталонного процесса или скорости процессов равны, или при описании процессов не учитывают их скорости, то в такой ситуации параметр времени становится не востребованным. Наглядными примерами являются классическая равновесная термодинамика и преобразования Лоренца. В равновесной термодинамике скорости обратимых процессов принимаются бесконечно медленными, то есть с точки зрения численного анализа равными нулю. А если равны нулю скорости процессов, то и нет нужды во времени как таковом. Преобразования Лоренца специально сконструированы для того, чтобы не допустить скорости большие скорости света. Отсюда та же ситуация, при приближении скорости к скорости света и соответственно выравнивании скоростей время останавливается.

Время как и число – это интеллектуальная категория, служащая для количественного описания окружающего мира и не более того. Процессы и события для своего протекания и осуществления не нуждаются во времени как таковом. Им всё равно будет где-либо качаться маятник или нет. Всё определяется соотношением сил и энергий. Время необходимо человеку для анализа количественных соотношений между этими величинами, для анализа и оценки процессов и событий, реально протекающих в природе. Время – категория, введённая человеком для познания действительности. Без человека нет времени, а есть процессы и события. Объективность времени определяется не секундами и веками (т.е. промежутками времени) и не датами (т.е. моментами времени), а скоростями процессов и фактами событий, не зависящих от субъекта. Время – интеллектуальное тождество скоростям процессов и фактам событий.

Теперь нужно ответить на самый главный и интригующий вопрос, касающийся времени – это вопрос об не обратимости времени.

Эффект вырождения результирующего импульса как связующий элемент, обеспечивающий целостность и единство классической динамики

Мы уже отмечали, что события наступают в результате протекания тех или иных процессов. Даже само событие есть какой-то процесс со своей динамикой, со своими энерго превращениями. Поэтому что бы ответить на вопрос о возможности или не возможности обратной цепи событий, обратного хода времени, нужно ответить на вопрос о возможности или невозможности обратного течения процессов. Вопрос обратимости или не обратимости времени – это вопрос обратимости или не обратимости процессов в динамике. Последнее является доминантой исследований Пригожина и его коллег по данному вопросу. Обоснуем и докажем правильность этой доминанты.

Сначала о обратимости процессов в динамике Ньютона, динамике малого, счётного числа взаимодействующих частиц.

Рассмотрим один из наиболее ярких примеров обратимости процессов в динамике Ньютона – это обратимость движения математического маятника. При качании маятника в ту или иную сторону движения строго повторяются и при описании движения время можно принимать как со знаком плюс так и со знаком минус. Ни сточки зрения количества, ни с точки зрения качества оба описания не будут противоречить друг другу. Качание в одну сторону строго противоположно, обратимо качанию в другую сторону. Усложним ситуацию. Рассмотрим цепочку подвешенных на прямой линии достаточно близко друг к другу совершенно одинаковых математических маятников. Отклоним первый маятник, то есть за счёт совершения работы передадим ему потенциальную энергию, и отпустим. Взаимодействие будем описывать законами центрального абсолютно упругого удара. В системе начнётся процесс последовательного соударения и в цепочке возникнет процесс передачи импульса и энергии вдоль цепочки. При этом каждый акт взаимодействия между массами двух маятников сопровождается переходом кинетической энергии в потенциальную и наоборот и совершается работа против силы или силой. Этот процесс будет протекать до последнего маятника. После того как последний маятник отклонится и энергия системы сосредоточится в потенциальной энергии последнего маятника, весь процесс повторится, но в обратной последовательности, в обратном направлении. Мы растянули процесс во времени, но он остался обратимым. Однако если цепочку маятников предположить бесконечной длины, то процесс передачи импульса и энергии по цепочке станет необратимым. Таким образом теоретически необратимость процесса возможна и в классической динамике Ньютона, но это не локализованная в пространстве и времени, гипотетическая необратимость.

Теперь о необратимости процессов в термодинамике, динамике большого, несчётного числа частиц, которые как показывает практика локализованы и во времени и в пространстве.

Исторически сложилось так, что при рассмотрении процессов в неравновесных термодинамических системах в тени остаётся один из самых фундаментальных законов природы – закон сохранения результирующего импульса как системный закон. Похоже сознание исследователей, воспитанных на трёх законах Ньютона, с аккумулированных в законе сохранения результирующего импульса, было шокировано фактом существования равновесного состояния и неизбежности его наступления. Это привело к отгораживанию динамики Ньютона от термодинамики и в последующем независимому развитию обеих наук. В основу термодинамики был положен факт существования равновесного состояния в тепловых системах и неизбежности его наступления. Были сформулированы нулевой и второй постулаты, которые напрочь отметали закон сохранения результирующего импульса. Термодинамика как бы пренебрегала динамикой Ньютона, претендовавшей на место первой из наук. Видимо это и стало причиной жестокой травли Больцмана со стороны приверженцев классической динамики, когда Больцман делал попытки вывести гипотезу молекулярного хаоса, постулирующую равновесное состояние, из законов классической динамики. А ведь Больцман был так близок к решению этой задачи в своём первом механическом варианте H-теоремы.

На основе последовательного применения к термодинамическим системам (системам состоящим из несчётного числа частиц) закона сохранения результирующего импульса покажем единство динамики малого числа частиц (динамики Ньютона) и динамики несчётного числа частиц (термодинамики). Рассмотрим процессы возникновения кооперативных векторных потоков энергии в неравновесных многочастичных системах и условия, при которых происходит или их затухание, вплоть до равновесного состояния, или формирование диссипативных структур Пригожина.

В учении о тепле факт равновесного состояния и неизбежности его наступления для замкнутой многомолекулярной системы имеет особое, основополагающее значение. Все фундаментальные выводы термодинамики и статистической физики построены на этом факте.

Рассмотрим это наиболее общее свойство всех многомолекулярных систем, т.е. их стремление к равновесию, постараемся раскрыть механизм релаксации подобных систем. Известно, что это свойство обусловлено столкновением частиц между собой и со стенками сосуда. Так вот, возникает вопрос, а как в процессе столкновения частиц между собой и со стенками сосуда направленное движение приходит в равновесное состояние, т.е. каким образом кинетическая энергия направленного движения (кооперативная энергия общего движения частиц) переходит в кинетическую энергию хаотически движущихся частиц?

На первый взгляд покажется вполне понятным и естественным, что если одна или несколько направленно движущихся частиц высокой энергии сталкиваются с большой массой хаотически движущихся частиц, то в результате сталкивания направленные частицы перемешиваются и их направленная энергия будет рассеяна. Однако при таком подходе происходит подмена сложного на хаотическое. При ближайшем рассмотрении выясняется четкий, имеющий свои границы, механизм релаксации, механизм установления равновесия, вытекающий из законов механики.

Во первых покажем что результирующий импульс всех частиц системы, находящейся в равновесии, равен нулю как вектор.

где n-количество частиц в системе.

Обоснование данного утверждения легко провести с помощью выводов статистической физики. Известно, что в случае равновесного состояния в газе всегда реализуется Максвеловское распределение по скоростям. В статистической физике показывается, что для случая Максвеловского распределения по скоростям средняя проекция скорости хаотического движения на любое направление оказывается равной нулю. А если равна нулю проекция средней скорости, то равна нулю и проекция среднего импульса на любое направление. И результирующий импульс равен нулю как вектор.

Теперь рассмотрим замкнутую систему из 10-и частиц, находящихся в покое (для простоты будем рассматривать механическую модель газа - абсолютно упругие шары). Этой замкнутой системе извне передадим импульс . Наиболее характерным свойством этой замкнутой системы, с точки зрения динамики, будет, наряду с сохранением полной энергии то, что этот импульс будет сохраняться постоянным по величине и направлению, сколько бы частицы не сталкивались между собой. При рассмотрении замкнутой системы из 20, 100 частиц свойство сохраняется. Теперь же рассмотрим замкнутую систему из многих и многих миллиардов частиц. Здесь положение коренным образом меняется. Наиболее характерным свойством этой системы является стремление к равновесию, при котором как было показано выше результирующий импульс всех молекул равен нулю как вектор, т.е. направленное движение перейдет в хаотическое. Таким образом с одной стороны для замкнутой механической системы имеем с другой, при увеличении числа частиц системы, имеем прямо противоположное свойство , направленное движение исчезает. Попытаемся выяснить, каким образом разрешается этот парадокс, т.е. рассмотрим механизм релаксации. Каким образом кооперативная кинетическая энергия направленного движения с переходит в кинетическую энергию хаотически движущихся частиц с как вектор? Взаимодействие молекул (шаров) будем описывать законами абсолютно-упругого удара. Так как молекулы имеют конечные размеры, то удар будет нецентральный. Обратим на это особое внимание. Это ключ к решению поставленной задачи. Вероятность центрального удара, согласно положениям статистической физики в системе свободных частиц стремится к нулю. Если не нравятся абсолютно-упругие шары будем понимать под ними силовые поля, имеющие форму шара или круговые эффективные сечения взаимодействия. Причём шаровые силовые поля рассматриваем для упрощения модели, что бы заострить внимание на главном виновнике рассеяния кооперативной энергии – нецентральном соударении.

Пусть имеем замкнутую систему, состоящую из одинаковых шаров. Причем n шаров покоятся, а один шар движется и сталкивается с покоящимися шарами. До столкновения результирующий импульс системы: , т.е. равен импульсу движущегося шара, а кинетическая энергия равна кинетической энергии движущегося шара. Причем кинетическая энергия строго направлена по результирующему импульсу системы, вся переносима этим результирующим импульсом.

Шар 1 (см. рис.1) сталкивается с покоящимися шарами, причем должны при этом выполняться закон сохранения результирующего импульса и закон сохранения кинетической энергии. Пишу закон сохранения кинетической, а не полной энергии, т.к. принято считать что при абсолютно-упругом соударении шаров потенциальная энергия проявляется только в момент непосредственного соприкосновения. Эта схема принимается мною с тем что бы в наибольшей простоте раскрыть механизм рассеяния кооперативной кинетической энергии. При рассмотрении последовательности столкновений будем следить не за траекториями отдельных частиц, которые экспоненциально разбегаются, а за поведением результирующего импульса.

Шар 1 с импульсом после столкновения с первым шаром 2 будет иметь импульс

Диссипативная структура и её характеристики

Диссипативная структура – важнейшее и относящееся к числу наиболее общих и сложных из понятий макромира. Достаточно сказать, что под это понятие подпадают турбулентность и ячейки Бенара, электрические токи и лазеры, все виды биологических и технических (например, автомобиль и компьютер) структур, производственные структуры. Без этого понятия невозможно объяснить и описать изменчивость и эволюцию окружающего макромира.

Мы уже выяснили, что диссипативная структура возникает в неравновесной многочастичной системе тогда, когда в этой системе или какой-то её локальной зоне формируются условия, при которых производство кооперативной энергии превосходит её диссипацию вызванную нецентральным соударением. Это достигается или увеличением неравновесности или снижением диссипативного порога, или и тем и другим одновременно. Увеличение неравновесности достигается увеличением какой-либо разности потенциалов, увеличением градиента потенциальной энергии, что приводит к увеличениею сил, действующих в неравновесной системе. Снижение диссипативного порога системы или какой-то её локальной зоны достигается созданием условий при которых ограничивается лавинообразное вовлечение массы (количества частиц) в результирующий импульс кооперативного движения. Это достигается или канализацией потока или централизацией соударения частиц, созданием условий для когерентного взаимодействия частиц. Вообще применительно к диссипативной структуре необходимо учитывать три мощности: это мощность кооперативных потоков энергии Умова- Пойтинга, она определяется количеством кинетической энергии проходящей через сечение потока в единицу времени, мощность производства кооперативных потоков энергии Умова-Пойтинга, этот процесс вызван основным законом динамики и мощность диссипации кооперативных потоков энергии Умова-Пойтинга, этот процесс вызван эффектом вырождения результирующего импульса в многочастичной среде.

Мощность процесса самоорганизации энергии зависит от величины неравновесности (определяющей величину силы действующей в системе, ) и условий в которых протекает процесс. Если при заданной температурной неравновесности тепло передается через тонкий стержень с плохой теплопроводностью, то это одна мощность теплового потока, если при той же температурной неравновесности тепло передается через большую, тонкую поверхность с хорошей теплопроводностью, то мощность теплового потока в последнем случае может быть на много порядков больше. Аналогичная ситуация возникает и при любой другой неравновесности. Скажем неравновесность по давлению можно срабатывать через одно сопло с малым проходным сечением, а можно через сколь угодное количество таких же сопел одновременно. Неравновесность по электрическому напряжению можно с малой мощностью срабатывать через большое электрическое сопротивление, а можно через короткое замыкание вызвать большие мощности.

Таким образом у нас имеется возможность управлять процессами самоорганизации и диссипации энергии и преодолевать в ту или другую сторону диссипативный порог, то есть создавать структуру или разрушать её. В связи с этим исключительно важным для существования диссипативной структуры во времени является соблюдение соотношения стабильности. Сложная диссипативная структура, например биоклетка, может состоять из совокупности подсистем или подпроцессов. Но тем не менее для каждой подсистемы сложной системы должны выполняться, с определенными допустимыми вариациями, соотношения стабильности (4). Процессы могут носить равномерный или циклический характер, приводящий то к накоплению неравновесности, то к ее срабатыванию. То к накоплению диссипированной энергии и энтропии, то к их сбросу в окружающую среду. Однако с поправкой на время соотношение стабильности должно для стабильно функционирующей структуры выполняться безукоризненно, в том числе и на период видоизменения (например деления клетки) диссипативной структуры. И сам разброс от соотношения стабильности имеет для каждой структуры свои границы, за пределами которых или новая бифуркация (вариант 2) или разрушение (вариант3). Следует отметить, что соотношение стабильности определяет соотношение энергетических потоков. Но если в связанных системах (кристалл) реализуются только потоки энергии, то в системе не связанных частиц энергопотоки сопровождаются и массовыми потоками, обеспечивающими скажем клетку строительным материалом для роста и размножения.

Соотношения стабильности (4) представляют собой согласованные в своем развитии во времени функции процессов составляющих структуру и зависящие не только от времени, но и многих управляющих параметров, от которых в свою очередь зависят мощности процессов преобразования неравновесности в корпоративное движение, диссипации кооперативного движения и отвода диссипированной энергии в окружающую среду. Таким образом соотношение стабильности отвечает на энергетическом уровне за согласованность всей совокупности процессов, обеспечивающих функционирование диссипативной структуры.

Изменение по каким-либо причинам управляющих параметров приводят к рассогласованности соотношений стабильности и диссипативная структура начинает развиваться по варианту 2) или 3) или обязана восстановить соотношения стабильности. При этом управляющие параметры могут влиять как на величину неравновесности системы, то есть на производство кооперативной энергии, так и на величину диссипативного порога, то есть на процесс диссипации кооперативной энергии.

Диссипативная структура представляет собой двуединую сущность, совокупность статической и динамической структур. Статическая структура обеспечивает выход неравновесной системы или её локальной части за диссипативный порог за счёт обеспечения канализации потока или за счёт обеспечения когерентного взаимодействия. А за диссипативным порогом формируются динамические структуры, потоки энергии, имеющие результирующий импульс отличный от нуля. Динамическая подструктура обеспечивает функциональные возможности дисипативной структуры, то есть работу против внешних сил и против внутренних сил трения, вызванных нецентральным соударением. Причём всё многообразие диссипативных структур образовано как уже отмечалось ранее четырьмя видами динамических структур, четырьмя видами потоков энергии.

Всякая диссипативная структура – это двигатель по преобразованию потенциальной энергии неравновесности (в том числе и тепловой) многочастичной системы в кооперативную энергию потоков (в механическую энергию, в работу на языке классической термодинамики). Всякой диссипативной структуре для существования, для выполнения функциональных возможностей необходима механическая энергия и она получается в самой структуре. Собственно производство кооперативной энергии и есть сама сущность диссипативной структуры. Если в системе создаются условия для преобразования неравновесности в кооперативные потоки, то есть система выходит за диссипативный порог, то начинается процесс преобразования тепла (потенциальной энергии неравновесности термодинамической системы) в работу (в кооперативную энергию потоков, в механическую энергию). Механизм преобразования тепла в работу лежит в основе формирования и существования диссипативных структур. Понятие диссипативная структура и процесс преобразования тепла (неравновесности) в работу связаны теснейшим образом. Рассмотрим это на нескольких примерах:

а) тепловые машины. Всякий двигатель, в том числе и тепловой, превращает потенциальную энергию неравновесности в кооперативную энергию потоков энергии. Причём это обязательно происходит за диссипативным порогом и в рамках соотношения стабильности (4). Если скажем в нарушение соотношения (4) на электростанции закончится топливо, то прекратится производство кооперативной энергии, в том числе по цепочке и электрической и остановятся электродвигатели потребителей. Структура разрушится. Этот простейший пример показывает единство принципов функционирования диссипативных структур и любых, в том числе и тепловых двигателей.

б) гидродинамические потоки. Такие диссипативные структуры как ламинарный и турбулентный потоки и ячейки Бенара являются ни чем иным как двигателями преобразующими в одном случае неравновесность по давлению в другом неравновесность по температуре в кооперативную (механическую) энергию гидропотоков. Причём если для случая допустим ячеек Бенара, при неизменном перепаде температур по сторонам слоя, увеличивать толщину слоя, то ситуация перейдёт в зону локального равновесия, производство потоков энергии Умова прекратится и структура разрушится. Подробнее о физике турбулентности и ячеек Бенара можно прочесть на сайте SciTecLibrary.com в разделе “статьи и публикации”.

в) биоклетка. Последовательность сменяющих друг друга экзотермических реакций окисления и эндотермических реакций синтеза создаёт в клетке неравновесность по температуре и давлению. Это приводит к возникновению гидродинамических потоков биологического раствора, что и обеспечивает метаболизм в клетке. Причём снижение диссипации кооперативной энергии в клетке и вывод ситуации за диссипативный порог обеспечивается канализацией потока в эндоплазматической сети. В каждой клетке действует биологический двигатель внутреннего сгорания, обеспечивающий функциональные возможности клетки. Скажем, окислительные реакции, протекающие в митохондриях клетки или реакции цикла Кребса, в которых высвобождается и запасается большая часть энергии, по праву получили название – энергетический котёл. В митохондриях локализованы и ферменты, катализирующие окислительные реакции. Энергетический котёл митохондрий соответствует котельным установкам или камерам сгорания технических устройств. Подробнее о биодинамике клетки можно прочесть на сайте SciTecLibrary.com в разделе “статьи и публикации”.

В связи с описанными примерами логично встаёт вопрос о компенсации за преобразование тепла в работу, понятии являющемся одним из краеугольных камней термодинамики. Неравновесность (потенциальная составляющая внутренней энергии тепловой системы) преобразуется в кооперативную энергию (механическую работу) благодаря действию основного закона динамики, а компенсация за преобразование тепла в работу вытекает из этого процесса как следствие и вызвана процессами диссипации, действием эффекта вырождения результирующего импульса.

Компенсация за преобразование тепла в работу вытекает из неравновесности многочастичной системы. Неравновесность приводит в действие основной закон динамики, который преобразовывает потенциальную энергию системы в кооперативную энергию потока, совершая при этом работу по преобразованию потенциальной энергии в кинетическую (в механическую работу, в техническую работу по терминологии классической термодинамики). Корпускулярный характер системы, в которой развиваются выше описанные события вызывает к действию эффект вырождения возникшего результирующего импульса, приводящий к частичной или полной диссипации произведённой кооперативной энергии. Диссипация возникающей кооперативной энергии и есть компенсация за преобразование тепла в работу. Она может быть полной, если процессы протекают в зоне локального равновесия, может быть частичной, если процессы протекают за диссипативным порогом. А может и стремиться к нулю, если стремить к нулю диссипативный порог неравновесной системы, в которой происходит преобразование потенциальной энергии неравновесности в кооперативную энергию потоков. Эта компенсация свойственна всем без исключения диссипативным структурам, так как свойство производства кооперативных потоков – главное свойство диссипативных структур. Это в равной степени относится и к сегодняшним техническим устройствам, к тепловым двигателям. Но для сегодняшних тепловых двигателей это только часть компенсации за преобразование тепла в работу, причём меньшая её часть.

Не нужно путать компенсацию за преобразование потенциальной энергии неравновесности в кооперативную энергию, вызванную нецентральным соударением, с компенсацией в тепловых машинах работающих с термическим КПД всегда меньшим единицы. Это совершенно разные понятия и явления. Даже когда в классической равновесной термодинамике мы рассматриваем идеальные обратимые процессы, идущие без трения, то и здесь имеем термический КПД меньший единицы, достигающий максимума в идеальных циклах Карно. Термический КПД не имеет никакого отношения к диссипации, к универсальным механизмам преобразования неравновесности термодинамических систем в кооперативную энергию. Термический КПД вызван необходимостью затраты механической энергии на работу по проталкиванию рабочего тела в атмосферу, на работу по расширению атмосферы, на работу против сил гравитации.

Компенсация за преобразование тепла в работу в современных тепловых машинах складывается из двух составляющих:

1) Первая составляющая, вызванная эффектом вырождения импульса или по попросту трением. Её доля в современных тепловых машинах определяется как произведение трёх КПД: внутреннего относительного КПД проточной части, электромеханического КПД и КПД потерь теплового потока через поверхности. Эта совокупная доля – малая величина, которую можно стремить к нулю, снижая диссипативный порог системы. Примером резкого снижения компенсации данного вида может служить конструкция термоэлектрического преобразователя на основе нанотехнологий. Внутреннее электрическое сопротивление данного преобразователя, а стало быть и диссипативный порог снижены в миллионы раз в сравнении с ныне действующими. Подробно о термоэлектрическом преобразователе принципиально новой конструкции можно подробно прочесть на сайте SciTecLibrary.com в разделе “статьи и публикации”.

2) Вторая составляющая вызвана необходимостью производства работы по расширению атмосферы, работы против сил гравитации. Её доля определяется термическим КПД цикла, эталоном которого является КПД Карно. Это львиная доля потерь современных тепловых машин. В классической термодинамике под компенсацией за преобразование тепла в работу понимается именно вторая составляющая. К понятию компенсации в классической термодинамике пришли на основании анализа идеальных обратимых циклов, в первую очередь цикла Карно, в которых диссипация (трение) отсутствуют по определению. Подробно эта тема развита на на сайте SciTecLibrary.com в разделе “статьи и публикации”. В статье не только показана природа и причины этих потерь, но и показаны способы их резкого сокращения.

Коридор эволюции, становление и конечная предопределённость эволюции

Как следует из ранее изложенного эволюционное развитие неравновесных макросистем обеспечивает противоборство между основным законом динамики и эффектом вырождения результирующего импульса в многочастичной среде.

Согласно закона сохранения и превращения энергии всякое изменение (эволюция) в природе происходит под действием сил, совершающих работу. Если нет сил или они не совершают работу, то нет преобразования видов энергии, нет изменений, нет эволюции диссипативных систем. Учитывая что в реальности существует огромное количество разнообразных по величине и природе потенциалов (более 100 химических элементов, несколько миллионов химических соединений на их основе, многообразие физических и иных явлений и образований), то при соприкосновении в силу тех или иных причин этих разных по уровню потенциалов возникают неравновесности, градиенты потенциалов и силы. Появляется возможность в диссипативных системах к совершению работы, изменениям, эволюции. При отмеченном многообразии и изначальной неравновесности природы эволюция диссипативных систем предопределена. Вот почему мы говорим об эволюционном детерминизме, базирующимся на фундаментальных законах динамики в применении к диссипативным средам. Даже порождение хаоса - флуктуации в диссипативной системе или структуре могут способствовать увеличению неравновесности и стало быть преодолению потенциальных барьеров, т.е. способствовать образованию структуры или эволюции к другой диссипативной структуре. Мы здесь имеем в виду структуры вне области релятивистской и микро физики, а также макрокосмоса.

Когда под действием внешних или внутренних причин изменение управляющих параметров приводит к формированию новой диссипативной структуры, может появиться, особенно для сложной структуры, несколько разновидностей структуры (различные мутации в биологии) с различной степенью приближения к соотношениям стабильности для данной диссипативной структуры. Выживают те разновидности структуры, которые наиболее активны и устойчивы в рамках соотношения стабильности. В этом заключается закон естественного отбора Дарвина.

В рамках многообразия возможных неравновесностей отмеченных выше, возможно формирования и многообразия диссипативных структур. Это конечное многообразие. В области этого конечного многообразия и протекают различные линии эволюции от структуры к структуре, которые могут оказывать друг на друга влияние. Многообразие всевозможных диссипативных структур макромира конечно, если под различными структурами не понимать, например ламинарный поток в трубах различного диаметра. Ведь диаметров может быть бесконечное множество. Ламинарные потоки, возникающие в трубах различного диаметра за счёт перепада давления качественно не отличаются друг от друга. Под разными диссипативными структурами будем понимать структуры отличающиеся друг от друга по качественным признакам, например ламинарный и турбулентный потоки. Или ламинарный поток в канале за счёт перепада давления и ламинарный поток в ячейках Бенара за счёт перепада температур. При всём многообразии возможностей для прохождения линии эволюции, она протекает в рамках своего коридора эволюции. Коридор эволюции определяется величиной потенциальных барьеров статической подструктуры диссипативной структуры. Скажем в гидродинамическом потоке в качестве таких барьеров выступает прочность канала (трубы) и силы связи между частицами жидкости. Если прочность трубы не достаточна, она разрушается, что приведёт к разрушению диссипативной структуры гидродинамического потока. Величина связи частиц в жидкости влияет на момент начала бифуркации и перехода ламинарного течения в турбулентное. В биологии рамки определяются в числе прочего перепадами температур в которых возможно протекание биологических процессов. В биологии широк спектр возможных структур и вариантов развития, а значит и возможностей для отбора. Любая линия эволюции, протекающая в границах своего коридора, благодаря отбору стремится к наиболее устойчивой в данных условиях структуре. Этим и определяется конечная предопределённость эволюции в условиях конкретной действительности.

Зная природные условия на Земле, их изменения во времени, можно в принципиальных основах реконструировать все этапы становления эволюции, в том числе и биологической эволюции, из всего многообразия возможностей.

Заключение

Время – это просто скорость равномерного периодического процесса принятая в качестве эталона сравнения. Направление числовой оси времени связано с линией эволюции, причинно-следственная последовательность которой предопределена необратимостью процессов протекающих в диссипативных средах. Необратимость процессов вызвана необратимостью эффекта вырождения результирующего импульса. Сам же эффект вырождения результирующего импульса порождён корпускулярным характером строения материи. Корпускулярный характер материи приводит к формированию многочастичных систем, состоящих из не счётного числа частиц конечных размеров. Конечный размер корпускул становится причиной нецентрального соударения, что в совокупности с несчётным числом корпускул приводит к необратимому рассеянию кооперативной энергии.

Совместное действие в многочастичной среде основного закона динамики и эффекта вырождения результирующего импульса в условиях за диссипативным порогом системы приводит к формированию диссипативных структур. Главной сутью диссипативной структуры является производство кооперативной энергии (механической работы) из потенциальной энергии неравновесности. Произведённая кооперативная энергия позволяет совершать работу необходимую для эволюционного развития от простейших структур не живой природы до высоко организованных биоструктур сегодняшнего дня.

В заключение отметим основные этапы становления сегодняшнего дня:

- ПЕРВЫЙ ЭТАП: “В начале сотворил Бог небо и землю. Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною; и Дух Божий носился над водою”. Библия, первая книга Моисеева.

Здесь заложены законы детерминизма – закон сохранения и превращения энергии и закон сохранения результирующего импульса (момента импульса).

- ЭТАП ВТОРОЙ: “И сказал Бог: да будет свет. И стал свет”. Библия, первая книга Моисеева.

Совершена работа по созданию неравновесности, которая в процессе эволюционного развития на уровне микромира привела от события большого взрыва к таблице Менделеева, к корпускулярному характеру строения материи.

На этом этапе заработал эффект вырождения результирующего импульса.

- ТРЕТИЙ ЭТАП СТАНОВЛЕНИЯ: Этап макроэволюции. От таблицы Менделеева по коридору эволюции к сегодняшнему дню, к обществу человека разумного, как мы сами себя называем.

Но это ещё не полное становление. ЦЕЛЬ – быть подобными Тому по образу Которого мы сотворены и тогда радость, порождаемая Духом Божиим, поселится в душах наших. Тьма невежества рассеется и станет светло на душе.

Список литературы

Базаров И.П. Термодинамика. – г. Москва, из-во “Высшая школа”, 1991г.

Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики. – г. Москва, из-во “Высшая школа”, 1981г.

Косарев А.В. Динамика эволюции неравновесных диссипативных сред. – г. Оренбург, ИПК ”Оренбурггазпромпечать”, 2001г.

Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. – г. Москва, из-во “Мир”, 1979г.

Пригожин И., Стенгерс И. Время, хаос, квант. – г. Москва, из-во “Прогресс”, 1994г.

Пригожин И. От существующего к возникающему. – г. Москва, из-во “Наука”, 1985г.

Осипов А.И. Самоорганизация и хаос. – г. Москва, из-во “Знание”, 1986г.

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.sciteclibrary.ru