Читать книгу Наука складности - Дмитрий Леонидович Черняк - Страница 10

Любая замкнутая система стремится к тепловой смерти. А если выразиться по-научному, то:

В изолированной системе энтропия либо остаётся неизменной, либо возрастает, достигая максимума при установлении термодинамического равновесия (закон возрастания энтропии).

Это утверждение до сих пор является основой конструирования и анализа всех систем. Оно записано в учебнике физики, оно же является основой для отказа в патентах на «вечные двигатели» и оно же достаточно убедительно объясняет причину, по которой вечных двигателей, пусть и не запатентованных, публично представлено не было.

Тем не менее, Побиск Георгиевич Кузнецов, выдающийся советский учёный, автор фотоники, соавтор LT-системы физических величин Бартини-Кузнецова, заметил и указал на то, что жизнь ведёт себя как-то по другому. Вместо того, чтобы приходить в равновесие с окружающей средой, она черпает из неё ресурс и использует его для внутреннего усложнения и эволюции.

Этот парадокс дал начало мощному направлению современной русской философской мысли, разделяющему системы на неживые, подчиняющиеся второму закону термодинамики и живые, каким-то образом действующие вопреки этому закону и, соответственно, подчиняющиеся другим законам развития.

С точки зрения развития философии это – большой шаг, позволяющий, действительно, обнаружить саму природу живого, отличить её от неживого.

Но где проходит эта граница живого и неживого? По каким законам развивается жизнь? Существует ли общий закон для явлений живой и неживой природы?

Для чистоты рассмотрения вопроса здесь необходимо обозначить, что, формально, второе начало термодинамики адресуется к системам замкнутым, расширяя своё действие на разомкнутые системы на правах некого общего принципа. Нас, однако, в любом случае будут более интересовать реально существующие, открытые системы, которые рождаются вне каких-либо мысленных ограничений и активно включены во все процессы мироздания.

Наблюдая за небесной сферой, мы можем видеть, что не только объекты непосредственно окружающей нас живой природы не следуют второму закону термодинамики, но и с галактиками, звёздными и планетными системами – тоже что-то не так. На их примере мы видим, что неживая материя тоже имеет свойство структурироваться и порождать сложные формы движения. И если мы будем оценивать это движение методом измерения «средней температуры по больнице», т.е. через энтропию, то от нас ускользнёт всё самое интересное.

Коль скоро мы обнаружили макро объекты неживой природы, развитие которых ведёт к усложнению материи и локальному накоплению энергии, т.е., к уменьшению энтропии, давайте рассмотрим, как это может происходить с точки зрения современных знаний о физических законах Природы.

Современная физическая наука открыла нам четыре фундаментальных взаимодействия, которые пронизывают всю Природу:

Гравитационное – взаимодействие между материальными телами, обладающими массой. Это сила притяжения тел, которая имеет наибольший радиус действия.

Электромагнитное – существует между частицами, обладающими электрическим зарядом. По закону Кулона, одноимённо заряженные частицы отталкиваются, а разноимённо заряженные притягиваются. Оно гораздо сильнее (в 10³⁶ раз) гравитационного. Формально, оно также имеет большой радиус действия, но, вследствие кулоновской природы, одноимённые частицы стремятся распределиться равномерно, а разноимённые стремятся скомпенсировать заряд друг друга, поэтому концентрация электрического заряда в значимых для дальнодействия количествах невозможна.

Более того, за счёт этой своей кулоновской природы, значительные концентрации свободных электрических зарядов, т.е., плазмоиды автоматически окружают себя полностью компенсирующей заряд оболочкой другого знака.

Сильное ядерное взаимодействие – благодаря которому нейтроны и протоны могут образовывать стабильные системы – атомные ядра. Оно в 100 раз сильнее электромагнитного, но действует только на расстояниях, сравнимых с радиусом ядра. Поэтому, пока протоны находятся в пределах радиуса ядра, их кулоновская сила отталкивания будет слабее, чем сильное взаимодействие и они не разлетаются. Сильное взаимодействие действует не только на протоны, но и на электрически нейтральные нейтроны.

Слабое взаимодействие – оно в 10¹¹ раз слабее электромагнитного, а радиус его действия ещё меньше, чем у сильного, т.е., оно действует внутри ядра. И занимается оно натуральным хулиганством: превращает одни элементарные частицы в другие. В этом процессе, к примеру, из нейтрона может образоваться протон, который, возможно, застрянет в ядре, образовав новый химический элемент. Высвобождающаяся при этом энергия разбрасывает по округе лишние детали, в т.ч., в виде альфа и бета излучения.

Более того, пока все остальные взаимодействия честно тянут свою лямку, слабое взаимодействие развлекается на всю катушку: его действие непредсказуемо и при одних и тех же начальных условиях, результирующие частицы могут выйти совершенно различными.

«… в отличие от других (трёх – прим.) видов фундаментальных взаимодействий, слабое взаимодействие не подчиняется некоторым запретам, позволяя заряженным лептонам превращаться в нейтрино, а кваркам одного аромата в кварки другого аромата»

– Л. Б. Окунь. Физическая энциклопедия: Под ред. А. М. Прохорова. – : Большая российская энциклопедия, 1994. – Т. 4.

Современная теория указывает также на наличие электрослабого взаимодействия, объединяющего слабое и электромагнитное. К электрослабому эффекту мы вернёмся в одной из следующих глав.

А пока посмотрим на то, как эти четыре взаимодействия формируют реальность.