Теоретические основания постановки задачи.

Динамика и термодинамика

– два различных мира.

/И.Пригожин (Порядок из Хаоса).

Зачем нужно и нужно ли ещё одно Начало термодинамики. Ответ на этот вопрос дал академик СССР В.Л.Гинзбург [1]. В своей Нобелевской лекции он привёл перечень 30-ти наиболее важных проблем физики начала 21-го века – так называемый «список Гинзбурга». Отдельно Гинзбург выделил три «великие» проблемы современной физики:

«Во-первых, «вопрос о возрастании энтропии, необратимости и «стрелы времени», далее упоминаемая как проблема необратимости.

Во-вторых, это проблема интерпретации нерелятивистской квантовой механики.

В-третьих, это вопрос о редукции живого к неживому, т.е. вопрос о возможности объяснить происхождение жизни и мышления на основе одной только физики».

Задачей данной работы, является первая из «трёх великих проблем», в которой речь идёт о «возрастании энтропии, необратимости и «стрелы времени»», далее проблема «необратимости».

Проблема необратимости состоит в противоречии между обратимостью основных уравнений механики и необратимостью тепловых процессов (механического движения молекул и частиц) по 2му Закону термодинамики. Проблемой необратимости вплотную занимались: С.Карно, Кельвин, Р. Клаузиус, Дж. Максвелл, Ф. Энгельс, М. Планк, Г. Гельмгольц, Л. Больцман, А. Пуанкаре, Дж. Гиббс, А. Эйнштейн, П. Эренфест, Дж. Фон Нейман, М. Борн, В. Паули, Л. Онсагер, Э. Хопф, Дж. Биркгоф, Н.Н. Боголюбов, Р. Кубо, Н.С. Крылов, Я.Г.Синай, Л.Д. Ландау, Р.Фейнман, Ф.Рейф, И.Пригожин и другие известные естествоиспытатели.

«Существуют три причины, вызывающие интерес к проблеме необратимости.

Во-первых, это задача, как и любая другая Великая Задача науки, бросает вызов человеческому разуму.

Во-вторых, проблема необратимости привлекательна в физическом плане. Если бы оказалось, что Гамильтонова (Ньютонова) механика не применима в области необратимых процессов, то эта область оказалась бы третьей по счету такой областью…

В-третьих, с решением проблемы необратимости в определенной степени связано выживание человечества на Земле» [2].

Положение о неуничтожимости движения, естествознание заимствовало у философии. Поэтому философы первыми отвергли второе начало. Критикуя выводы Клаузиуса, Ф.Энгельс пишет: «В каком бы виде ни выступало перед нами второе положение Клаузиуса... во всяком случае, согласно ему, энергия теряется если не количественно, то качественно. Энтропия не может уменьшаться естественным путем, но зато может создаваться. Мировые часы должны быть сначала заведены, затем они идут, пока не придут в состояние равновесия, и только чудо может вывести их из этого состояния и снова пустить в ход. Потраченная на завод часов энергия исчезла, по крайней мере в качественном отношении, и может быть восстановлена только путем толчка извне. Значит, толчок извне был необходим также и в начале; значит, количество имеющегося во вселенной движения, или энергии, не всегда одинаково; значит, энергия должна быть сотворена; значит, она сотворима; значит, она уничтожима... Ad absurdum!» [3].

М.Планк (1908): «Ньютоновский принцип равенства действия и противодействия, как известно, имеет подлинным своим содержанием утверждение о постоянстве количества движения или импульса; я хотел бы поэтому говорить об этом принципе только в смысле названного утверждения, а именно в связи с его значением для общей динамики, которая охватывает не только механику в более узком смысле, но также электродинамику и термодинамику» [4, с.494.].

Этим утверждением, Планк расширил область теплового «вечного движения» с микросистем на макросистемы. Естественно, что принципы невозможности ррm-1 и ррm-2, остаются в силе. 1-й и 3-й Законы Ньютона, создали предпосылки для осознания двух типов движения: вынужденного и автоколебательного. Но термодинамика признала только вынужденное движение.

Физика вступила в конфликт с термодинамикой, так как не могла и не хотела отказаться от механики, праматери современного естествознания, в пользу второго закона термодинамики. Но, физики наоборот, требуют термодинамику дополнить разделом обратимых процессов, согласующуюся с механикой.

В ХХ веке оказалось что, многие чисто физические процессы, открытые в ХХ веке – автоволновые и автоколебательные, противоречат второму началу. Первоначальная реакция термодинамиков одинакова: «такого быть не может». Отметим некоторые полученные наукой результаты, имеющие важное мировоззренческое значение, это: автоколебательные процессы в авиации, лазеры и реакция Белоусова–Жаботинского.

• Автоколебательной системой называется неконсервативная и нелинейная система, способная совершать незатухающие периодические колебания и преобразовывать потенциальную энергию в кинетическую. Целый ряд явлений природы имеет автоколебательный характер. Многие процессы в живом организме представляют собою автоколебания. Например, дыхание и работа сердца — автоколебания. Наиболее ярко автоколебания проявились в авиации. Весь перечень автоколебательных систем даёт представление о широком значении автоколебаний не только для техники, но и вообще для естествознания.

«Автоколебательный элемент работает подобно вечному двигателю. Он автономно совершает циклические переходы через некоторую группу состояний»[5]. В этом случае энтропия меняется циклически. Согласно второму закону этого не может быть никогда?!

• Увеличение интенсивности светового потока внутри усиливающего вещества можно сопоставить с цепными химическими реакциями или с размножением нейтронов в ядерном реакторе. В. А. Фабрикант стал первым, осознавшим возможность явления. В докторской диссертации (1939), он указал на принципиальную возможность создать среду, которая не ослабляет, а усиливает проходящее излучение (отрицательная абсорбция).

Работы группы В. А. Фабриканта находились в противоречии с принятыми взглядами, согласно которым излучение, проходя через среду, должно поглощаться. К авторам идеи «отрицательного поглощения света средой” отнеслись как к лжеученым, предложившим очередную модель вечного двигателя. Бывшего председателя Госкомизобретений СССР Ю. Максарев: «Знаете, как случилось сперва с открытием лазера? Эксперты посмеялись над этим «гиперболоидом инженера Гарина», но на всякий случай послали на заключение специалистам. Те не просто посмеялись — разбили идею в пух и прах».

Академик А. Д. Сахаров воспоминал о В. А. Фабриканте: «… он (со своей сотрудницей Бутаевой) предложил принцип лазера и мазера (использование эффекта индуцированного излучения, на существование которого в 1919 году впервые указал Эйнштейн). Но радость осуществления этой идеи – и известность – достались другим». В 1964 году другим трём учёным была присуждена Нобелевская премия по физике за «фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на основе принципа лазера-мазера» [6].

• Сообщение Белоусова (1951) об открытии колебательных реакций было встречено в отечественных научных кругах скептически - считалось, что автоколебания в химических системах невозможны. Статью Белоусова дважды отклоняли в редакциях отечественных журналов, и опубликовать результаты исследований колебательной реакции он смог только в сокращенном виде спустя 8 лет. Главным препятствием были догматы классической термодинамики: здесь энтропия не возрастала монотонно, а менялась циклически. «Не мог образованный человек представить себе в беспорядочном тепловом движении огромного числа молекул макроскопическую— все молекулы то в одном, то в другом состоянии! Будто признать существование вечного двигателя. Этого быть не может...».Позднее был установлен автокаталитический характер реакции. Б.П. Белоусов (1980, посмертно) был удостоен Ленинской премии [7].

«Научное сообщество» постепенно проникалось сознанием, что колебательные режимы не только возможны, но даже обязательны и достаточно распространены в химии и биохимии. К настоящему времени реакция Белоусова—Жаботинского заняла достойное место в мире и фактически стимулировала появление новой области науки.

Непрерывной критике подвергал второе начало Л.Д.Ландау. Климантович: «Парадоксально, однако, следующее. В Курсе Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица в томах, посвященных как Статистической физике, так и в первых изданиях тома «Электродинамика сплошных сред» приводятся - правда в неявной форме, то есть без необходимого анализа следствий - формулы, находящиеся в прямом противоречии со вторым законом термодинамики» [8, с. 113].

Второй закон термодинамики в ХХI веке формулируется как закон неубывания энтропии. Этот закон не поддается логическому обоснованию. «Вопрос о физических основаниях закона монотонного возрастания энтропии остается, таким образом, открытым»[9,§8]. Формулировка второго закона имеет очевидный конфликт между термодинамикой и классической механикой (физикой), где все процессы обратимы. Методом исследования выбран системно-термодинамический подход, и возникла необходимость дополнения термодинамики новым измерением - законом об обратимых процессах, включающим закон немонотонного роста энтропии.

Главным достоинством термодинамики является возможность получения огромного множества следствий, относящихся к различным явлениям, на основе небольшого числа первичных принципов; отсутствие необходимости в модельных представлениях о микроструктуре вещества и молекулярном механизме явлений, и, наконец, «непреложная справедливость её адекватных следствий». За эти свойства классическую термодинамику издавна называют «королевой наук». Как справедливо отмечал М. Планк, «это замечательная научная система, детали которой ни по красоте, ни по блестящей законченности не уступают всей системе в целом». А.Эйнштейн отзывался о термодинамике как «един­ственной физической теории общего содержания, относительно которой я убежден, что в рамках применимости её основных понятий она никогда не будет опровергнута».

Процессы формирования упорядоченных структур в течение ХХ века вызывают интерес и пристальное внимание физиков, химиков, биологов и политологов. А прежде чем ответить на вопрос, что такое самоорганизация, и определить меру ее применимости в жизни общества, необходимо исследовать причины и общие закономерности самоорганизации. Ясно, что ответ на этот вопрос может содержаться в термодинамике обратимых процессов, или, как ее часто называют, в синергетике. «Синергетика» и «термодинамика» - это лишь два разных физических подхода к одному и тому же, то есть явления самоорганизации [10].

«Возможно ли как-нибудь «спасти» второе начало и сохранить динамику, вместе с тем не нарушая величественное здание, воздвигнутое Ньютоном и его последователями? Какую роль играет энтропия в мире, описываемом динамикой? Какую роль играет синергетика в термодинамике?»[11,с.298]. Ответ на эти вопросы - цель данной работы.

Новым, четвертым законом термодинамики будет Синергетика! Почему Синергетика? Потому что «Термодинамика узнаёт себя в Синергетике». Точнее будет сказать, классическая термодинамика «беременна» синергетикой: «Информацию, перегруженную огромным количеством деталей, затемняющих существо дела, необходимо сжать, превратив в небольшое число законов, концепций или идей»[10], то есть пора применить «бритву Оккамы»:«Не нужно множить сущности без необходимости», или не надо прибегать к сложным объяснениям там, где вполне годятся простые. Так же все обстоит и с термодинамикой - устранению её принципиальных нелогичностей и посвящена настоящая работа.

Третий закон динамики Ньютона формирует необходимость взаимодействия двух движущих сил при движении: центробежной и центростремительной. Центростремительные сила и движение - это инновация Ньютона. Центробежное движение направлено наружу. В противоположность этому, центростремительное движение направлено внутрь. «Синтез осуществлён» - рассмотрение их совместного действия даёт ключ к Вечному движению природы. Научный метод исследования совместного действия называется Синергетика. Синергетика - учение о взаимодействии, использующее общие законы Природы, по которым происходит реструктуризация «от хаоса к порядку», т.е., собственно, обратимость. Синергетическим эффектом процесса является фазовый переход: «Фазовые переходы: от хаоса к порядку и обратно» [12]. Синергетика базируется на третьем законе Ньютона и композитном цикле Карно, речь о котором пойдёт ниже.

Ведущие физики мира давно вступили в конфликт со 2-м Законом, затрагивающим смысл реальности и обратимости. Нельзя отказаться от механики, праматери современного естествознания, в угоду второму закону термодинамики - наоборот, термодинамику следует дополнить разделом обратимых процессов, согласующимся с механикой. Удивительно, но все фундаментальные основания для этого уже существуют в трудах С.Карно, Дж.Гиббса, Л.Д.Ландау, Ф.Рейфа и Р.Фейнмана - им более 50-ти лет. Эти «артефакты» требуют только систематизации и углублённого анализа.