Морозов Александр Гавриилович (moralg) wrote,
Морозов Александр Гавриилович
moralg

Category:

Начала физики. 47. Энтропия, стрела времени, самоорганизация, программирование жизни.

      Взглянув на любой объект каждый из нас наверняка правильно определит – живой он или неживой. Жизненный опыт и интуиция подскажут. Но интуиция бессловесна. А мы хотим составить понятийно корректный образ живых и неживых явлений или процессов. Попытаемся сделать это.


      1. Обратимые процессы.
      Уравнения классической механики инвариантны относительно изменения направления течения времени, то есть замены t на t. Это следует из 2-го закона Ньютона: а = d2x/dt2 = F / m. Тем самым, классическая механика описывает обратимые по времени процессы. Казалось бы и движение коллективов частиц должно быть обратимым. Однако, в любых коллективах частиц имеют место процессы взаимодействия частиц как между собой, так и с внешним силовым окружением (стенками сосудов, силовым полем и т. д.). Такие взаимодействия могут быть абсолютно упругими. Но чаще всего бывают неупругими (с отводом или преобразованием части энергии частиц).
Так, при взаимодействии молекул в газе часть энергии их поступательного движения переходит в энергию колебательных движений атомов в молекулах или вращений самих молекул. Энергия от молекул может передаваться внешнему силовому окружению или излучаться в пространство. Ясно, что все такие процессы являются необратимыми.

2. Необратимые процессы, термодинамика, энтропия и стрела времени.
Для описания поведения систем, состоящих из большого коллектива частиц, в 19-м веке была разработана термодинамика. Основными фигурирующими в ней параметрами являются легко измеряемые величины: давление Р, плотность среды ρ (или обратная ей величина – объем V, занимаемый единичной массой) и температура T. Однако, корректная формулировка термодинамики потребовала введения еще одного, реально не измеряемого параметра, названного энтропией S. Интуитивно энтропию можно понимать как меру хаоса. А полный хаос – как отсутствие какой либо упорядоченности в системе. При этом по мере уменьшения упорядоченности (роста степени хаоса) энтропия увеличивается.
Так, расширение сжатого газа в область меньшего давления, растворение сахара в стакане чая или воды в спирте являются примерами уменьшения упорядоченности и, следовательно, роста энтропии. В этих процессах очевидна их неинвариантность относительно замены t на t. Тем самым, проявляется однозначное направление течения времени - стрелы времени. Заметим также, что описанные выше процессы характерны для замкнутых систем. То есть систем, не взаимодействующих с другими системами.
Если же стакан чая с сахаром поместить в холодильник, то этот стакан с его содержимым перестанет быть замкнутой системой. И сахар из охлажденного в холодильнике насыщенного раствора выпадет в осадок. Упорядоченность в стакане возрастет, энтропия уменьшится и ее излишек будет отведен в окружающее стакан пространство холодильника.

3. Пространственные структуры и неустойчивости.
В открытых системах, взаимодействующих с окружением, возможны и другие типы необратимых процессов. Например, хорошо известная из школьной физики конвекция воздуха над комнатной батареей. В этом примере очевидно возникновение пространственной структуры – упорядоченного движения воздуха. Нагретого от батареи – вверх и охлаждающегося у потолка комнаты – вниз. Гораздо более красивый пример конвективной неустойчивости – ячейки Бенара. Процессы их образования мы уже рассматривали ранее.
Роль неустойчивостей в образовании пространственных структур в неживой природе является, как правило, определяющей. Довольно часто мы сталкиваемся с проявлениями неустойчивости Рэлея-Тэйлора. Это неустойчивость статического равновесия сред разной плотности в поле тяжести. Если сверху находится менее плотная среда, чем снизу, то такое состояние устойчиво. Если наоборот, то менее плотная среда начнет всплывать в занятую более плотной средой область пространства, а более плотная – тонуть в занятую менее плотной средой область.
Еще более интересна неустойчивость Кельвина-Гельмгольца. Она является причиной возбуждения волн на воде, ряби на песке под водой вблизи берегов рек и моря, барханов в пустынях. Эта неустойчивость возникает не только в системах с разрывом скорости. В более общей формулировке она возбуждается при сдвиговых движениях сплошной среды, если в графике профиля ее скорости есть точка перегиба – при прохождении через которую выпуклая кривая графика скорости становится вогнутой. Этот случай мы и наблюдаем в небе в виде волнообразных облаков.

4. Диссипативные неустойчивости и структуры.
Роль диссипации (трения, вязкости и теплопроводности среды) сводится, как правило, к подавлению возбуждаемых неустойчивостями колебаний. Но так бывает не всегда. В обычной водопроводной трубе текущая по ней жидкость из-за вязкости "прилипает" к стенкам трубы (скорость потока на стенках зануляется). В итоге профиль скорости потока поперек трубы имеет вид параболы. То есть, везде выпуклой и без точки перегиба. Казалось бы, неустойчивость в этом случае не должна возбуждаться. Но из опыта известно, что при превышении скорости потока некоторого критического значения неустойчивость в потоке развивается и быстро турбулизует поток. Даже при идеально отшлифованных внутренних стенках трубы.
Разгадка этого эффекта заняла более полувека. Причина оказалась в том, что корректно вычисленная полная энергия возмущения в каждой "жидкой" частице в таком потоке при превышении скорости потока некоего порогового значения (зависящего от диаметра трубы и величины вязкости) оказывается отрицательной. В этих условиях диссипация энергии возмущения из-за вязкости, вносящая отрицательный вклад в эту энергию, увеличивает абсолютную величину энергии возмущения. И, тем самым, увеличивает амплитуду возмущения. Такие неустойчивости принято называть диссипативными. А возникающие в результате таких неустойчивостей структуры (в обсуждаемом примере – турбулентные вихри) называют диссипативными структурами.
Отметим, что во всех приведенных примерах развитие неустойчивостей и возникновение пространственных структур происходит только благодаря наличию проходящего через систему потока энергии от внешних источников. А поскольку упорядоченность структурированной системы выше, то ее энтропия меньше, чем у неструктурированной (вспомним, что энтропия – растущая функция хаоса). Такие процессы можно уже называть самоорганизацией относительно простых систем.
Более сложные примеры самоорганизации неорганических систем, как то: образование кристаллов, планетных систем, спиральных структур в плоских галактиках и многое другое мы обсуждать здесь не будем.

5. Возникновение органики и ее самоорганизация.
Органика может возникать даже в смесях простых неорганических молекул при разных физических воздействиях на них. Это было продемонстрировано довольно давно в опытах на запаянных в стеклянных колбах смесях воды (ее паров) и простейших газов (молекулярных кислорода, азота и углекислого газа) при облучении их интенсивным светом и пропускании сквозь них электрических разрядов. Через некоторое время спектральный анализ показывал наличие в этих колбах метана, аммиака, простейших спиртов и других довольно простых органических молекул.
Одной из простейших химических реакций, в которой возникает органика из неорганики, является и реакция фотосинтеза. В ней из молекул углекислого газа и воды под воздействием солнечного света образуются молекулярный кислород и нужная для жизнедеятельности растений простейшая органика. Ясно, что это необратимый процесс, протекающий под воздействием потока энергии фотонов солнечного света.
Но в основном в органической химии на биологическом уровне источником нужных для реакций потоков внешней энергии является катализ. Катализ – это химический процесс, протекающий с участием своеобразных посредников – молекул катализатора, которые в нужный момент и в нужном месте передают реагирующим молекулам часть своей внутренней энергии, восполняя ее потери в другой момент времени и в другом месте известным им способом. При этом "передача энергии" и "восполнение потерь энергии" могут иметь любой знак.
Однако, совокупность органических молекул, сколь бы сложными и многообразными они ни были, еще не проявляет жизни, как необратимых процессов организации, поддержания и воспроизводства пространственных структур. Для организации жизни в этом смысле необходима структура, в которую был бы запрограммирован алгоритм последовательности нужных реакций с нужными потоками энергии.

6. Программирование жизни.
Человечество придумало систему программирования для решения вычислительных задач и обработки потоков информации на основе двухбуквенного алфавита – "0" и "1". И затем из этих букв – систему "слов" из восьми букв, называемых байтами. Возможное число таких слов – 256. Но эффективно используются далеко не все из них. А уже из этих "слов" можно составлять любые, сколь угодно сложные произведения – работающие на компьютерах программы.
Природа пошла несколько иным путем. За основу она взяла четырехбуквенный алфавит азотистых оснований: аденин, гуанин, цитозин, тимин (в РНК иногда тимин заменяется близким ему урацилом). Из этих букв она строит трех-буквенные "слова" – кодоны. Возможное число таких "слов" – 64. Часть из которых в земных условиях получили одинаковый "смысл". Так что разных по смыслу "слов" используется всего 20. Они "звучат" в форме 20 разных аминокислот, из которых и строятся сколь угодно сложные произведения - белки. Строятся по программам, записанным в последовательностях команд – кодонов в ДНК живого организма.
В этом смысле ДНК – чип с "запаянной" в него программой последовательности биохимических реакций. В результате изобретения природой ДНК возник механизм самоорганизации жизни. Как и в случае самоорганизации простых систем энтропия в живой системе уменьшается (отводится вовне) за счет протекающего через систему потока энергии.

7. Потоки вещества, энергии, отходов, информации.
Из сказанного выше ясно, что жизнь – это процесс, в ходе которого сквозь живую систему проходит поток энергии таким образом, что в ней возникают и поддерживаются процессы самоорганизации. Но мы уже отмечали, что процессы самоорганизации являются одновременно процессами уменьшения (отвода вовне) энтропии. Каким образом? Думаю, ответ очевиден всем – энтропия уходит из нас отходами нашей жизнедеятельности.
Не лишним будет и упомянуть, что в системах из нескольких достаточно сложных биологических объектов существуют как входящие, так и исходящие потоки информации. Эти потоки тоже приводят к самоорганизации. К самоорганизации социальных систем – от простых стайных до весьма сложных систем организации человеческого сообщества. Причем выделить в информационных потоках какие либо аналоги входящей энергии и отводимой энтропии заведомо не просто.
Изучение этого вопроса в человеческом обществе идет в основном путем накопления опыта, выражающегося в общественных "табу", религиозных заповедях, пословицах, поговорках, афоризмах, анекдотах и т. п.. Например, один из отцов-основателей США как то выразился: "В реках и больших политиках одни и те же вещи плавают поверху". Ясно, что этот афоризм появился вследствие нажитого им политического опыта.

Tags: Начала физики
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Конец МКС?

    Объявлено о прекращении участия России в МКС. Аккуратно объявлено - после 2024 года. Как раз тогда, когда истечет второе продление ее эксплутации…

  • Птичка поет кольцами...

    Не только лишь особо тренированные курильшики способны выпускать дым кольцами. Делают это и птички. Разумеется, выпуская из клюва не дым, а…

  • Путин, скорее всего, согласится. И потому окончательно проиграет.

    Политика - это игра в мяч. И тот, кто отдает мяч-инициативу в руки противника, тот, как правило, проигрывает. Менее суток в руках Путина был…

promo moralg march 5, 2018 03:01 44
Buy for 30 tokens
Многие из нас вздрагивают, когда дорогу нам перебегает черная кошка. Но неприятных последствий обычно не возникает и мы быстро забываем о ней. Но два дня назад на северо-восток США обрушилась очередная буря и совершила совсем не очередное действо - сломала дерево, которое 227 лет назад посадил…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 3 comments