3.5. Хаос, беспорядок и порядок в природе. Энтропия

Большинство процессов представляет собой два одновременно происходящих явления: передачу энергии и изменение в упорядоченности расположения частиц относительно друг друга. Частицам присуще стремление к беспорядочному движению, поэтому система стремится перейти из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное.

Количественной мерой беспорядка является энтропия S (термин предложил Р.Ю. Клаузиус).

Энтропия – функция состояния термодинамической системы, изменение которой dS в равновесном процессе равно отношению ко­личества теплоты dQ, сообщенного системе или отведенного от нее, к термодинамической температуре

Энтропия замкнутой системы, т.е. систе­мы, которая не обменивается с окружающей средой ни энергией, ни веществом, постоянно возрастает. Такие си­стемы эволюционируют в сторону увеличения беспоряд­ка, пока не наступит состояние равновесия – точка термодинамического равновесия, при которой энтропия максимальна, а производство работы уже невозможно.

Из этого следовало, что наиболее организованные, на­пример, живые организмы, должны быть высоко неупо­рядоченными. Шредингер показал, что живые системы, вопреки второму закону термодина­мики, способны поддерживать упорядоченность, то есть живые системы могут проявлять тенденцию как к разру­шению упорядоченности, так и к ее сохранению. Вся материя способна осуществлять работу против термодинамического равновесия, способна самоорганизо­вываться и самоусложняться.

В обыденной жизни мы, как правило, стремимся к по­рядку. Мы наблюдаем четкое, подчиняющееся определенному порядку движение планет, вращение Земли, смену дня и ночи, смену года, порядок в строении атома. Однако многие процессы в природе имеют непредсказуемый, случайный, хаотический харак­тер, например, броуновское движение частиц, катастрофы, социальные потрясения, радиосиг­налы.

Порядок в системах может быть равновесным и не­равновесным. Система всегда стремит­ся перейти из неравновесного в равновесное состояние; это касается не только физических, но и экологических, экономических и любых других систем. Так в термодина­мике это свойство систем выражается в принци­пе Ле Шателье: всякая система стремится только к такому изменению, которое сводит к минимуму внешнее воздействие.

Неравновесный порядок реализуется только в откры­тых системах за счет перераспределения потоков энергии (тепла и массы) системы и среды. Если подпитку системы прекратить, она перейдет в состояние термодинамического равновесия. Так, когда же жизненный цикл заканчивается, орга­низм переходит в состояние равновесия с окружающей средой, в результате чего устанавливается равновесный порядок.

Под хаосом всегда понималось неупорядоченное, случайное, непрогнозируемое поведение элементов си­стемы.

Литература: 1, 4–9.

Лекция 4. КВАНТОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

В физике микромира. На переднем плане микромира

4.1. Противоречия в классической теории излучения и проявления концепции квантов. Корпускулярно-волновой дуализм

В конце XVII в. почти одновременно возникли две, казалось, исключающие друг друга теории света: И. Ньютон представил корпускулярную теорию света: свет – поток световых частиц (корпускул), летящих от светящегося тела по прямоли­нейным траекториям, а Х. Гюйгенс сформулировал волновую тео­рию: свет – упругая волна, распространяющаяся в мировом эфире.

Первые сформировавшиеся волно­вые представления о свете были отражены в принципе Гюйгенса – Френеля: каждая точка, до которой дохо­дит световое возбуждение, становится центром вторич­ных волн и передает их во все стороны соседним точ­кам.

Г. Герц в 1887 г. обнаружил фотоэффект – явление испускания электронов веществом под действием элек­тромагнитного излучения. Так, металл пластины при облуче­нии светом дуговой лампы теряет свой заряд.

М. Планк в 1900 г. высказал гипотезу: излучение и поглощение света происходит не непрерывно, а дискрет­но, т.е. определенными порциями (фотонами или кванта­ми), причем энергия (Е) каждого кванта пропорциональ­на частоте волны (v):

Е = hv,

где h – постоянная Планка, равная 6,6 • 10^–34Дж • с.

В 1905 г. Эйнштейн создал квантовую теорию света, в которой показал, что свет распространяется в виде пото­ка световых квантов – фотонов, энергия которых описы­вается формулой Планка, а масса (т) формулой:

т = Е/с²,

т = hv/c² = h/lс,

где Е – энергия, т – масса, l – длина волны, h – постоянная Планка, с – скорость света.

Таким образом, свет имеет сложную природу: он представляет собой единство противоположных свойств – корпуску­лярных (квантовых) и волновых (электромагнитных). В результате возникло понятие корпускулярно-волнового дуализма (двойственности), согласно которому свет пред­ставляет собой единство дискретности и непрерывности.

Л. де Бройль в 1924 г. выдвинул гипотезу: корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальное значение – вол­новые свойства должны проявляться не только у фото­нов, но и у электрона, и других микрочастиц. Движение микрочастицы будет описываться как корпускулярными характеристиками – энергией, импуль­сом, так и волновыми – частотой и длиной волны. Формула де Бройля:

λ = h/p,

где λ – длина волны микрочастицы, например, электро­на, h – постоянная Планка, р – импульс частицы.

Микрочастицы проявляют двойственность свойств, т.е. корпускулярно-волновой дуализм, в зависимости от усло­вий они способны проявлять себя либо в виде волны, либо в виде частицы. Макроскопические тела проявляют только корпускулярные свойства.