Не будем обсуждать эти теории, а займёмся немного термодинамикой. В термодинамике различают изолированные, закрытые и открытые системы (здесь система — рассматриваемая часть Вселенной, отделённая от окружающей среды замкнутой поверхностью — границей).
Изолированная система — не существующая в природе, но полезная для обсуждения абстракция.
Из этой системы через границу не проникает внутрь или наружу ни вещество, ни излучение, в том числе и тепловое.
Если в термос с чаем залить кипяток и закрыть пробку, то первые несколько минут содержимое термоса будет близко к изолированной системе.
Закрытая система отличается от изолированной тем, что через её границу может поступать теплота — как внутрь, так и наружу.
Наконец, в открытой системе возможен переход через её границы и вещества, и энергии (например, в виде света и других излучений).
Пример закрытой системы — горячий чай в стакане (если пренебречь небольшой потерей воды на испарение): со временем чай остывает, теплота уходит через стенки стакана в воздух. Через какое-то время температура чая и окружающего воздуха сравняются.
Одна из формулировок знаменитого второго закона термодинамики (первый — это закон сохранения энергии) гласит: теплота самопроизвольно, то есть без затраты работы от внешнего источника, может переходить только от нагретого тела к более холодному. Происходит это из-за теплового движения атомов и молекул, столкновения которых перераспределяют между ними энергию.
Постепенно такие столкновения приводят к равномерному распределению вещества и тепловой энергии по всему объёму системы: наступает термодинамическое равновесие.
Выйти из него своими силами система не может. Второй закон термодинамики впервые сформулировал Р. Клаузиус.
Мы уже знаем, что мерой беспорядочного движения атомов и молекул является энтропия. Другая формулировка второго закона термодинамики гласит: в изолированной системе энтропия стремится к максимуму и самопроизвольно уменьшаться не может.
Иногда этот закон иллюстрируют такой моделью.
Если не предпринимать никаких усилий для наведения порядка на письменном столе (или в комнате), то через некоторое время наступит настоящий хаос, и вещи будут беспорядочно перемешаны.
Конечно, ручки, книги, стулья и одежда сами не перемещаются беспорядочно, поскольку не испытывают, в отличие от молекул, теплового движения, поэтому говорить об увеличении среди этих вещей энтропии нельзя, но иллюстрация запоминающаяся. После достижения термодинамического равновесия все видимые процессы в системе прекращаются, остаются только беспорядочные, хаотичные движения атомов и молекул.
То есть тепловое движение. Своеобразие второго закона термодинамики, который не всегда легко согласуется со «здравым смыслом», можно проиллюстрировать таким мысленным экспериментом.
Разделим стеклянный сосуд перегородкой с отверстием на две части, заткнём отверстие пробкой и в одну половину поместим кислород, а в другую — азот. Пусть эта система будет изолированной.
Теперь откроем отверстие и будем следить (опыт-то мысленный) за отдельными молекулами O2 и N2. В результате хаотичных движений и непрерывных столкновений друг с другом эти молекулы равномерно перемешаются.
А так как система изолированная, температура в сосуде не изменилась. Тем не менее при таком процессе (он называется диффузией) энтропия системы увеличивается: до смешения в сосуде был некий порядок (азот и кислород были разделены), после перемешивания он исчез (газы перемешались).
Очевидно, этот процесс самопроизвольный и необратимый: сами собой газы никогда не разделятся! В принципе существуют способы их разделения, но они требуют очень больших затрат энергии.
И это приведёт к большому росту энтропии в системе, внешней по отношению к газам.
Если же температура двух газов была неодинаковой, то после смешения она выровняется до некоторой средней величины.
Нагреть часть газа за счёт охлаждения другой его части тоже можно (это делает любой холодильник). Но и для этого придётся затратить много энергии, а значит — увеличить энтропию системы в целом (холодильник работает на электричестве, а его производство сопровождается огромным увеличением энтропии, хотя и в другом месте земного шара).
Обмануть термодинамику не удаётся!
Законы термодинамики были открыты во второй половине XIX века. И примерно в то же время появилась эволюционная теория Дарвина, описывающая и объясняющая эволюцию в живой природе, идущую от простейших микроорганизмов к человеку с его мыслящим мозгом.
Биологическая эволюция является как бы «антиэнтропийной», она развивается по направлению ко всё большей упорядоченности.
Иначе говоря, термодинамика и биология очевидным образом противоречили друг другу. Казалось, что живые существа нарушают законы термодинамики.
Снять это противоречие сумел Илья Романович Пригожий (1917-2003), бельгийский учёный, выходец из России.
Суть его исследований буквально в двух словах поясняет название одной из его книг, написанной совместно с Изабеллой Стенгерс: «Порядок из хаоса»!
Когда система в целом далека от термодинамического равновесия, то в её отдельных частях могут самопроизвольно происходить процессы самоорганизации, сопровождающиеся понижением энтропии. Если не учитывать того, что эти процессы идут только в «отдельных частях», то возникает видимость нарушения второго начала термодинамики.
Но всё становится на свои места, если принять во внимание то обстоятельство, что процессы самоорганизации, происходящие в локальных областях, сопровождаются неуклонным ростом энтропии всей системы в целом. Что принципиально важно: в открытых системах скорость «производства» энтропии минимизируется!
То есть открытые системы, используя подводимую энергию, стремятся как можно меньше производить энтропию.
Оказывается, такое поведение становится возможным, если в системе возникает некоторый порядок. Иными словами, происходит самоорганизация открытых систем, их самопроизвольное усложнение.
Значит, в открытых системах могут идти процессы, невозможные в изолированных системах.
За свои исследования термодинамики неравновесных систем И. Р. Пригожий в 1977 году был удостоен Нобелевской премии по химии. Какие же условия необходимы, чтобы из хаоса возник порядок, а энтропия уменьшилась?
Прежде всего, это может происходить только в открытых системах, которые непрерывно снабжаются «высококачественной» энергией (световой, ядерной и др.), а отдают в окружающее пространство «низкокачественную» энергию (попросту — теплоту).