И в физике, и в химии, и в биологии встречаются статистические закономерности.
Их основное отличие, например, от законов механики состоит в том, что статистические закономерности управляют системами, состоящими из огромного числа объектов, подверженных случайным событиям. Случайными называют события, которые зависят от множества причин, связи между которыми не представляется возможным установить. При многократном повторении случайных событий проявляются определённые закономерности. Например, поведение газа при определённых условиях может быть объяснено только на основании статистических законов. Бессмысленно их применять к объяснению поведения нескольких молекул. Да ведь и газом их нельзя назвать. Слово «газ» происходит от греческого «хаос» — полный беспорядок, неразбериха. Если же в сосуде движется несколько молекул, то можно проследить за их движением и предсказать, как они будут двигаться. По отношению к этим молекулам нельзя говорить, например, о давлении газа на стенки сосуда. Ведь в таком «газе» в единице объёма может не оказаться ни одной молекулы! При переходе к небольшому числу частиц действие статистических закономерностей ослабевает, в то время как законы механики применимы к объяснению поведения как системы частиц, так и нескольких частиц или одной частицы.
Статистические закономерности, изучаемые в молекулярной физике, управляют по- ведением макросистем; «судьбой» микрообъектов, их составляющих, эти закономерности не управляют. Чтобы узнать, как будет вести себя та или иная частица, следует использовать другие закономерности, например законы Ньютона.
Может возникнуть вопрос: если статистические закономерности не определяют поведение частицы, входящей в систему, в каждый момент времени, то какое отношение они вообще имеют к отдельным частицам, составляющим систему? Самое прямое. В каждый момент времени частица может иметь скорость, как угодно отличающуюся от средней квадратической скорости, определяемой температурой газа. Но если мы будем следить за ней на протяжении многих промежутков времени, определяя в каждый из них скорость, а затем найдём среднюю квадратическую скорость по всем промежуткам времени, то она будет совпадать со средней квадратической скоростью. Статистические закономерности утрачивают свою силу при переходе к небольшим промежуткам времени наблюдения за отдельными частицами системы или к небольшому числу частиц. Для систем, состоящих из огромного числа частиц, они так же точны, как и законы механики.
Законы механики — исторически первые законы, которые были применены для объяснения явлений окружающего мира. Это было время господства механической картины мира. Согласно научному мировоззрению того времени в мире правили строгие однозначные законы, не допускающие никаких случайностей. Течение всех процессов определялось начальными условиями, мир представлялся состоящим из вечных, неделимых частиц, движение которых всегда можно описать с помощью законов механики.
Согласно представлениям того времени чья-то смерть или рождение, хорошая погода сегодня или война в будущем были предопределены миллионы лет назад и обусловлены расположением и скоростью частиц, составляющих Вселенную. Однотипность законов при объяснении всех явлений природы — один из основных принципов механической картины мира. «Природа проста и не роскошествует излишними причинами»,— утверждал один из создателей механической картины мира — Исаак Ньютон. С открытием статистических закономерностей, которые вошли в науку с работами Дарвина, Максвелла, Больцмана, начали формироваться новые представления о мире, которые более адекватно, чем прежние, отражали существующие в нём взаимосвязи.
На уроках биологии вы знакомились с учением Ламарка. Являясь по своей сути механистическим, оно для своего времени было прогрессивным, так как утверждало идею эволюции в живой природе. Постараемся понять, в чём проявлялся механицизм этого учения. Движущую силу эволюции Ламарк видел в изменяющихся условиях окружающей среды. По Ламарку, их изменение вело к изменению деятельности животных, которое выражалось в изменении использования тех или иных органов, вследствие чего изменялись их форма и функции. Усиленное упражнение органов укрепляло их, а те органы, которые мало использовались, ослаблялись. Ламарк считал эти изменения наследственными. Поэтому неупражняемые органы у данного вида должны были постепенно исчезнуть, вместо них могли появиться новые, более полезные виду в данных условиях. Например, у уток перепонки на ногах появились потому, что каждая из них при плавании растягивала пальцы, чтобы сильнее отталкиваться от воды. У змей постепенно исчезли ноги, так как они мешали им при ползании, и т. д. Мы видим, что Ламарк объясняет усовершенствование каждого индивидуума и вида в целом одними и теми же причинами, аналогично тому как законами механики объяснялись и движение системы частиц, и движение отдельной частицы, входящей в состав этой системы.
Объяснить же, как животные совершенствовали те или иные органы, например как мотылёк мог «упражнять» расцветку крыльев или пятнистый олень окраску шерсти, как могли появиться у птиц перья или у животных шерсть, учение Ламарка не могло.
На эти вопросы смог ответить Дарвин. Его закон естественного отбора учитывает проявление случайностей в окружающем мире (как и законы молекулярной физики). В своём учении Дарвин исходил из того, что живые организмы претерпевают не только полезные, но также безразличные и вредные изменения. Полезные изменения дают особям преимущество в выживании, вероятность проявления этих изменений в дальнейших поколениях значительно больше, чем безразличных или тем более вредных. Например, случайно появившиеся пятнистые олени имели больше шансов выжить и дать потомство, чем однотонные, так как они были менее заметны под сенью деревьев на фоне солнечных зайчиков; аналогично случайно появившихся ярко раскрашенных мотыльков птицы чаще принимали за цветы и поэтому не обращали на них внимания.
Таким образом, закон естественного отбора объясняет эволюцию вида в целом, «судьбой» же каждой особи в нём он не управляет: не обязательно каждый детёныш должен быть приспособлен к окружающей среде лучше, чем его родители.
Наши рассуждения, очевидно, утомили вас. Давайте отдохнём, пройдём вдоль берега реки.
Утреннее солнце ещё не успело разогнать над водой туман, но он становится всё реже и реже. Интересно, какая сейчас температура воздуха, если туман прямо на глазах тает? Поскольку температура воздуха и капель тумана одинакова, то определим ту температуру воды в каплях, при которой происходит её испарение. Для этого нам надо знать энергию, которую должна иметь молекула воды, чтобы оторваться от поверхности капельки тумана. Зная постоянную Авогадро и взяв из таблицы значение теплоты парообразования одного моля воды, найдём, что энергия переходящих в газовую фазу молекул воды должна быть не менее 6,79∙10-20Дж. Если подставить это значение в формулу Е = 3/2 · kT и вычислить температуру, то получится… 3000 K! А ведь мы знаем, что вода испаряется при температурах, значительно меньших, даже при 273 К, да и на морозе прекрасно сохнет бельё. При 3000 K воды вообще не может быть при нормальном давлении. Почему же мы получили такой бессмысленный ответ? Потому что мы, не думая, применили формулу, а она определяет только среднюю кинетическую энергию молекул воды — капелек тумана, которая значительно меньше энергии особо быстрых молекул, способных оторваться от поверхности капли. В каждый момент времени в капле имеются молекулы, с энергией большей или меньшей, чем средняя кинетическая энергия, определяемая этой формулой. Отклонения энергии молекул от средней кинетической энергии называются флуктуациями энергии теплового движения. Испарение и происходит благодаря флуктуациям. В воде при любой температуре имеются молекулы, энергия которых сравнима с энергией, необходимой молекуле воды для отрыва от поверхности жидкости. При низких температурах процент таких молекул небольшой, при повышении температуры воды он увеличивается. От поверхности жидкости отрываются именно те молекулы, которые в данный момент обладают необходимой для этого энергией. Кроме того, направление скорости их движения также должно быть благоприятным. В последующие моменты времени вследствие случайных столкновений молекул энергия теплового движения перераспределится, и новые молекулы смогут оторваться от поверхности жидкости и уйти в газовую фазу. На интенсивность испарения действует также насыщенность окружающего воздуха паром, ветер. Но не будь флуктуаций энергии теплового движения, не было бы испарения жидкости при любых температурах. Не было бы вечерних и утренних туманов, облаков, дождей…
Туман рассеялся, и оказалось, что мы стоим почти рядом с аистом. Наверное, он здесь охотился всё утро, готовя завтрак своим детям, которые ещё не умеют летать. Мне вспомнилась история о том, как один «шутник» подбросил в гнездо аистов куриное яйцо. Когда вывелись птенцы, аист заклевал свою подругу, а птенцов выбросил из гнезда. Аист «знает», что у него должны рождаться только аистята, хотя ему, конечно, неизвестно, что все признаки данного вида запрограммированы в молекулах ДНК и передаются из поколения в поколение матричным путём. Физик молекулу ДНК представляет в виде полинуклеотидных цепочек, завитых в двойную спираль. Если в молекулах ДНК половых клеток данного поколения произойдёт случайное изменение структуры какого-то её участка, то наследственная программа для последующих поколений будет изменена, в них можно будет наблюдать изменение какого-то наследственного признака — мутацию. Чтобы вызвать единичную мутацию, необходимо каким-то образом подвести к молекуле ДНК энергию, соизмеримую с энергией связи её атомов — около 5∙10-19 Дж. Но ведь молекулы половой клетки постоянно находятся среди частиц, обладающих энергией теплового движения, почему же, сталкиваясь с молекулами ДНК, эти частицы не изменяют их структуру?
Подсчитаем энергию теплового движения частиц при температуре тела живого организма, например при 37℃:
Е = 3/2·kT = 3/2 ∙ 1,38∙10-23 Дж/K ∙ 310 К ≈ 6∙10-21 Дж. Как видим, эта энергия почти в 100 раз меньше, чем энергия, необходимая для изменения структуры одного из участков ДНК. Но можем ли мы категорически утверждать, что тепловые мутации невозможны? Энергия теплового движения большинства частиц половой клетки близка к средней кинетической энергии частиц при температуре тела организма. Однако среди частиц есть и такие, которые обладают большей энергией. Но таких частиц при температуре тела организма очень мало, поэтому и вероятность их столкновения с молекулой ДНК исчезающе мала. Используя открытый Максвеллом закон распределения молекул газа по скоростям, мы могли бы приблизительно вычислить, какой процент молекул при температуре тела организма обладает энергией, близкой к 10−19 Дж, т. е. такой, при которой возможна мутация. Но указать, какая именно молекула способна вызвать мутацию, мы не можем. Энергию и скорость определённой молекулы в данный момент времени статистические законы найти не позволяют.
В биохимических реакциях, которые происходят в живом организме, принимает участие огромное число частиц; их системы подчиняются статистическим законам и характеризуются макропараметрами — давлением, температурой, внутренней энергией. Эти законы позволяют определить среднюю квадратическую скорость частиц системы, среднюю кинетическую энергию. Но этого недостаточно для понимания механизма протекания химической реакции.
Одно из основных условий протекания химической реакции — непосредственный контакт между молекулами реагирующих веществ. Достаточное число взаимных столкновений частиц реагирующих веществ можно обеспечить, смешивая их и поддерживая необходимую концентрацию частиц в реагирующей смеси. Чем больше концентрация частиц, тем чаще они сталкиваются. Но не каждое из столкновений приводит к реакции. Реакционно-способными являются только активные молекулы, обладающие в момент столкновения некоторым избытком энергии над средней кинетической энергией частиц. Эту энергию называют энергией активации. Энергия активации имеет значение около 10 кДж/моль. Если считать, что средняя кинетическая энергия определяет энергию всех частиц (молекул или атомов) вещества, то при помощи формулы Е = 3/2·kT можно определить, что типичные химические реакции должны происходить при температуре около 800 К. А ведь множество реакций — реакции окисления, восстановления, гидролиза — происходит при комнатной температуре. Они возможны благодаря флуктуациям энергии теплового движения. Эти химические реакции происходят и в нашем организме. Представляете, какой должна была бы быть температура нашего тела, если бы они были возможны только при 800 К. В летний день в нашей одежде мы бы чувствовали себя как в лютый мороз… Так что если кто-то скажет, что отдельные соударения молекул для нас не имеют никакого значения, не спешите с ним соглашаться. Наши органы чувств не способны реагировать на движение отдельных молекул, но их соударения, флуктуации их энергий и скоростей очень важны для нас и для всего мира живой природы.
О направлении самопроизвольных процессов
Если вдуматься в микромеханизм явлений, которые происходят вокруг нас, то можно сказать, что мир — это непрерывно хаотически движущиеся атомы и молекулы. Но это как-то не согласуется с тем, что мы привыкли видеть. Действительно, беспорядочное движение частиц и веками бегущая в одном и том же направлении река, берёзки на её берегу, кусты шиповника, цветы… Река бежит к морю, берёзки растут и стареют, на смену им приходят новые… Солнечные дни сменяются ненастьем, а затем снова светит солнце… Всё гармонично в окружающем мире природы и всё так или иначе связано с хаотическим тепловым движением частиц. Как же возникает вся эта красота? Не только мы задумывались над этим. Почти такой же вопрос задавал Джон Холл, живший в XVII в.: «Если то, что мы называем Вселенной, случайно зародилось из атомов, которые неутомимы в своём вихревом движении, то как случилось, что ты так прекрасна, а я влюблён?» Можем ли мы на вопрос, чем объясняется направленность процессов в окружающем мире, дать хотя бы самый общий ответ?
Закон, при помощи которого можно предсказать направление эволюции какой-либо физической системы, называется вторым началом термодинамики. Одна из его формулировок гласит: замкнутая система сама по себе, т. е. самопроизвольно, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное.
Чтобы были понятны дальнейшие рассуждения, поговорим немного о теории вероятности.
Теория вероятности — это математическая наука о закономерностях, относящихся к случайным событиям. Вероятностью (обозначают буквой W) называют отношение числа интересующих нас событий к общему числу событий. Числовое значение вероятности всегда находится между единицей и нулём. Если вероятность равна единице, то это означает полную определённость события. Так, например, при бросании игрального кубика мы можем утверждать, что одна из его граней окажется сверху, т. е. вероятность этого события равна 1. А какова вероятность выпадения отдельных чисел, написанных на каждой из граней, например числа 2? Поскольку любая из граней кубика может оказаться сверху, то имеется шесть возможных случаев и один из них благоприятный, так что искомая вероятность равна W = 1⁄6. Вероятность двукратного выпадения числа 2 при двух бросаниях кубика, следующих друг за другом, равна W = W1W2 = 1⁄36. На основе предыдущих рассуждений можно прийти к выводу, что -кратное повторение какого-то события, вероятность однократного появления которого равна W, имеет вероятность Wn.
Применим теперь эти знания к объяснению поведения газа. Пусть два сосуда соединены трубкой с краном, один из сосудов заполнен газом, в другом создан вакуум. Если открыть кран, то газ заполнит оба сосуда. На языке теории вероятности этот результат можно сформулировать так: газ переходит из менее вероятного состояния в более вероятное — молекулы газа находились в одном сосуде (были в большем порядке), после расширения газа молекулы распределились по обоим сосудам (беспорядок в их расположении возрос). Снова собраться в первом сосуде молекулы сами по себе не могут — нет возврата к прежнему порядку. Процесс расширения газа необратим. Однако если кто-нибудь попросит вас подождать, пока все молекулы расширившегося газа «не соберутся» снова в одном из сосудов, не спешите говорить: «Это невозможно!».
Подумаем над тем, какова же вероятность того, что элемент объёма, выделенный в газе, находящемся при нормальных условиях, опустеет. Мы знаем, что в каждом кубическом сантиметре воздуха находится 2,7∙1019 молекул. Выделим в нём для «наблюдения» 1 мм3. Для какой-то определённой молекулы вероятность не попасть в выделенный объём равна 999/1000. Вероятность того, что в этот объём одновременно не попадут 5 молекул, — (0,999)5 . Вероятность того, что в этот объём одновременно не попадут все молекулы, которые помещаются там при нормальных условиях, — (0,999)2,7∙10^19. Для записи десятичной дроби со столькими нулями понадобилось бы время, равное времени существования человечества. Вот какова вероятность ожидаемого события. Событие это не невозможно, но вероятность его так исчезающе мала, что практически необратимые процессы сами по себе в обратном направлении не происходят. К необратимым процессам относится, например, передача энергии телом с более высокой температурой телу с более низкой температурой, выравнивание концентраций веществ в растворах или газовых смесях, превращение энергии механического движения во внутреннюю энергию, расширение газов. Во всех необратимых процессах беспорядок в расположении частиц, из которых состоят рассматриваемые системы, увеличивается.
Мерой неупорядоченности элементов какой-либо системы служит энтропия. Физическое истолкование этой величины было дано австрийским физиком Людвигом Больцманом. Он показал, что энтропия увеличивается по мере возрастания хаотичности движения молекул физического тела. Вместе с ней увеличивается и вероятность состояния системы. Например, если в сосуде расширяется идеальный газ, то молекулы его равномерно распределяются по всему объёму, наступает состояние равновесия; все процессы на макроуровне в такой системе прекращаются. Вероятность именно такого распределения молекул в системе, беспорядок в их расположении (а значит, и энтропия) максимальны. Больцман установил однозначную связь между энтропией и термодинамической вероятностью состояния системы: S = k · lnW , где S — энтропия, k — постоянная Больцмана, W — термодинамическая вероятность системы (число способов, которыми осуществляется данное состояние), ln — натуральный логарифм. Читается эта формула так: энтропия замкнутой системы прямо пропорциональна натуральному логарифму термодинамической вероятности состояния системы. Эта формула вместо эпитафии написана на надгробной плите могилы Больцмана.
Из формулы S = k · lnW следует, что случайные соударения молекул приводят к направленному течению самопроизвольных процессов в природе: все самопроизвольные процессы в природе происходят так, что состояние менее вероятное переходит в состояние более вероятное (здесь можно усмотреть сходство с теорией Дарвина, в которой показано, как случайные наследственные изменения могут складываться в природе в неодолимый механизм естественного отбора).
При самопроизвольных процессах энтропия в замкнутой системе увеличивается. Например, при падении капель дождя или камня с горы, при притяжении двух разноимённых зарядов, при расширении газа уменьшается та часть энергии, за счёт которой в системе могла бы быть выполнена работа, но она не исчезает, а «обесценивается», переходит во внутреннюю энергию (энергию хаотического теплового движения частиц системы), мера неупорядоченности элементов системы при этом возрастает – увеличивается и энтропия как функция состояния системы. Она увеличивается всегда, когда система получает какое- то количество теплоты. Реальные процессы, происходящие в окружающем нас мире, всегда сопровождаются более или менее заметными тепловыми эффектами. При любом механическом движении выделяется какое-то количество теплоты, так как невозможно устранить сухое и жидкое трение; тепловыми явлениями сопровождаются магнитные, электрические и оптические явления. Тепловые излучения присущи и живым организмам. Энтропия замкнутых систем при самопроизвольных процессах возрастает, системы самопроизвольно переходят в состояние равновесия: ведь когда энтропия в системе достигает максимума, то никакие процессы в ней невозможны.
Не возникло ли у вас сомнение, когда вы прочитали предыдущую фразу? Поверили ли вы в то, что в системе прекращаются все процессы?
Представим себе простейшую систему — в термостате находится жидкость и её пар. Между паром и жидкостью со временем установится динамическое равновесие, но прекратятся ли там все процессы? Вот мы и пришли к выводу: когда мы говорим о необратимости процессов в природе, то следует различать микропроцессы и макропроцессы, микроскопическое состояние системы и макроскопическое её состояние. Макроскопическое состояние системы характеризуется несколькими величинами (давлением, температурой, объёмом, положением центра масс, скоростью центра масс и др.). С помощью этих величин описывается состояние системы в целом, они имеют практическое значение, их изменение мы наблюдаем при переходе системы из одного макросостояния в другое. Все макроскопические процессы в природе необратимы, самопроизвольно в замкнутой системе они протекают в направлении возрастания энтропии. Необратимым является такой процесс, который в обратном направлении может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Например, камень, скатившийся с горы, можно снова поднять на гору, но для этого нужна специальная установка, которая бы затратила энергию; притягивающиеся разноимённые электрические заряды можно удалить друг от друга, но для этого надо затратить энергию и т. д.
А теперь обратимся к микросостояниям системы. Они зависят от скоростей и положений молекул в каждый момент времени. Если одна молекула поменяется местами с другой или изменит свою скорость в результате случайных соударений, то микросостояние системы будет изменено. Одному и тому же макросостоянию может соответствовать множество микросостояний. С течением времени микросостояния непрерывно сменяют друг друга, хотя на макроуровне может не наблюдаться никаких изменений. Для иллюстрации этого положения вернёмся к примеру с термостатом, в котором находится жидкость, полностью не заполняющая его. Со временем над поверхностью жидкости образуется насыщенный пар; его давление, концентрация не будут изменяться со временем, на макро- уровне все процессы в системе прекратятся, она достигнет состояния термодинамического равновесия. Но микропроцессы происходят непрерывно: молекулы жидкости всё время отрываются от её поверхности и уходят в газовую фазу, а молекулы пара возвращаются в жидкость — на микроуровне нет необратимых процессов, для микрочастиц все состояния равновероятны, законы, управляющие движением отдельных частиц, обратимы. Действие закона возрастания энтропии при протекании процессов в замкнутых системах проявляется только на макроуровне.
Понятие энтропии в школьных учебниках не встречается, поэтому у читателя может возникнуть желание связать его с теми понятиями, которыми он привык пользоваться при решении физических задач. Начнем с того, что энтропия, как и энергия,— функция состояния системы. Энергия проявляется в работе, изменение энергии изолированной системы определяет максимальную работу, которую система могла бы совершить, переходя из одного состояния в другое. Но в макропроцессах изменение энергии системы не равно выполненной работе, потому что часть энергии при этом превращается во внутреннюю. Вот изменение энтропии системы и связано с той энергией системы, которая в реальных условиях перехода из одного состояния в другое при температуре данной окружающей среды превращается во внутреннюю энергию и рассеивается, уменьшая значение максимальной работы, которую могла бы выполнить система, до действительного. Изменение энтропии системы характеризует степень рассеивания, обесценивания энергии при взаимопревращении её видов.
А можем ли мы количественно подсчитать изменение энтропии? Найти для этого ка- кую-то формулу? Вспомним известные нам формулы работы. Например, при изобарном расширении газа мы вычисляли работу по формуле A = p(V2 – V1), где p — давление газа, V2 – V1 — изменение его объёма; при деформации пружины использовали формулу A = ½ · F(x2 − x1) , где F — модуль силы упругости, x2 − x1 — модуль перемещения конца пружины; работу силы тяжести вычисляли по формуле A = −mg · (h2 − h1). Если мы посмотрим на все эти формулы, то поймём, почему часто говорят, что для вычисления работы необходимо умножить обобщённую силу на разность обобщённых координат. Энергия как функция состояния системы характеризуется определёнными координатами, а работа равна разности энергий системы при переходе её из одного состояния в другое. Если ни объём, ни координаты системы не меняются, то совершение работы системой или над системой изменить её энергию не может. Но состояние системы можно изменить, если сообщить ей некоторое количество теплоты, которое можно выразить следующим образом: Q = T(S2 − S1), где T — абсолютная температура системы, S1 — начальное значение энтропии системы, S2 — её конечное значение. Можно опытным путём убедиться в том, что изменение энтропии характеризует степень обесценивания энергии при её взаимопревращениях. Для этого возьмём два сосуда с водой при температуре 0 ℃, в первом пусть будет 500 г воды, во втором — 1000 г. Нагреем первый сосуд до 100℃, второй — до 50 ℃ . Если подсчитать количество теплоты, сообщённое обоим сосудам (использовав формулу Q = c · m · ∆t , где c — удельная теплоёмкость воды, m — масса воды, ∆t — разность температур), то оно получится одинаковым. Но вода во втором сосуде нагревается до более низкой температуры, чем в первом, поэтому изменение её энтропии больше, обесценивание энергии, сообщённой второму сосуду, также больше, а значит, меньше возможность использования этой энергии для выполнения работы. Чтобы убедиться в этом, возьмём пробирку с эфиром, закроем её пробкой и опустим во второй сосуд. С пробиркой ничего не произойдёт. Если опустить такую же пробирку в первый сосуд, то из неё вылетит пробка под действием паров эфира: энергия, запасённая в первом сосуде, будет использована для выполнения работы. Таким образом, возрастание энтропии системы характеризует рассеивание энергии в окружающем мире. Всякое сообщение системе количества теплоты увеличивает её энтропию. Подумаем над тем, какова же вероятность того, что элемент объёма, выделенный в газе, находящемся при нормальных условиях, опустеет. Мы знаем, что в каждом кубическом сантиметре воздуха находится 2,7∙1019 молекул. Выделим в нём для «наблюдения» 1 мм3. Для какой-то определённой молекулы вероятность не попасть в выделенный объём равна 999.
В соответствии с законом сохранения энергии все формы движения материи могут переходить одна в другую, такие взаимопревращения энергии в принципе могут происходить вечно. Но если в систему, в которой происходят превращения механической энергии, энергии электрического или магнитного поля, добавить звено, связанное с трением, электрическим сопротивлением или теплопроводностью, картина изменится. Каждое из этих звеньев окажется «ловушкой», в которой различные виды движения материи превращаются в тепловое движение. А это превращение от остальных отличается тем, что оно необратимо. Увеличение количества теплоты, сообщаемого системе, увеличивает и её энтропию — степень обесценивания энергии. Если в цепи взаимопревращений энергии действует трение, то оно приводит к тому, что в конце концов любое движение в ней прекращается, соответствующая энергия превращается в энергию теплового движения и рассеивается в окружающем пространстве. А поскольку все реальные процессы сопровождаются превращением того или иного вида движения материи в тепловое движение, то энтропия в них растёт, увеличивая долю обесцененной энергии.
Энергия и энтропия всегда рядом. Энергия даёт жизнь каждому листику, травинке, движение облакам, рекам, ветрам. А энтропия? Что было бы без неё? Каким будет мир, если все процессы станут обратимыми? Мгновенно соскользнёт на пол эта книга и расползётся на отдельные волокна, раскрутятся гайки и винты, шурупы «повыскакивают» из своих мест, вам негде будет укрыться от чудовищной какофонии звуков, которую создадут все происшедшие на Земле удары грома, выстрелы, взрывы, музыка, речь людей… В таком мире все виды движения материи будут долго превращаться друг в друга без всяких потерь, но как бы мы прожили в этом мире? Задумайтесь, куда девается энергия, вырабатываемая электростанциями всего мира. Ведь все изготовленные на заводах и фабриках предметы люди получили ценой превращения энергии в теплоту.
Наверное, вы немного устали от рассуждений. Посмотрите, как ветер колеблет косы берёзок, осыпает лепестки цветков шиповника, как прекрасен окружающий мир… А ведь развитие, жизнь организмов возможны благодаря необратимости процессов. В каждом живом организме постоянно происходят изменения. Устойчивы они только потому, что благодаря необратимости сопровождаются выделением энергии, возрастание энтропии как бы фиксирует в клетках изменения.
Живой организм питается, дышит, основа его жизнедеятельности — обмен с окружающей средой. Каждый процесс в нашем организме увеличивает его энтропию, если он сопровождается выделением энергии. Чтобы не достичь состояния термодинамического равновесия, т. е. смерти, мы должны постоянно компенсировать возрастание энтропии в организме, поглощая из окружающей среды вещества с более низкой энтропией. Чем ниже энтропия, тем больше мера упорядоченности системы. Живые организмы для поддержания своей жизнедеятельности превращают более упорядоченные системы в менее упорядоченные. Например, высшие животные питаются сложными органическими веществами, мера упорядоченности которых значительно выше, чем тех веществ, которые возвращаются в окружающую среду. Как возникают эти упорядоченные структуры?
Мы снова начали рассуждать, при этом энергия наших нервных импульсов стала превращаться во внутреннюю энергию. А чтобы нам затратить как можно меньше энергии, сделаем наше рассуждение приятным — начнём его с игры. Возьмём ящик с неровным дном — с выпуклостями и впадинами — и будем в него горстями бросать горох, наблюдая, сколько горошин после каждого бросания оказалось на выпуклостях. И каждый раз мы видим, что, покатавшись по дну, горошины в конце концов останавливаются в лунках. Почему горошины не могут «успокоиться» на вершинах выпуклостей, а «успокаиваются» только в лунках? На вершине выпуклости горошина может оказаться в состоянии равновесия, но вероятность такого события очень мала. При малейшем отклонении от положения равновесия горошина будет скатываться по стенке лунки. В отклонённом положении на неё действуют две силы: сила тяжести и сила реакции опоры. Равнодействующая этих сил направлена так, что горошина ещё больше удаляется от положения равновесия. На дне лунки горошина находится в устойчивом равновесии, её потенциальная энергия в этом состоянии минимальна. Этот опыт приводит нас к выводу, что при попадании частиц в силовое поле они в конце концов устанавливаются в таком положении равновесия, при котором их энергия взаимодействия с другими частицами достигает возможного при данных условиях минимума.
Направление течения процессов в мире определяется переходом систем или отдельных взаимодействующих частиц от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным. При этом на макроуровне эти процессы необратимы.
