§ 5. Естественное направление природных процессов

Как все люди используют общее психологическое понятие «энергии», так и наука постепенно образует общее понятие «энергии» в отношении к физическим процессам. Например, камень может проявлять свою активность в скорости движения и своей массе. Чем больше скорость и масса движущего тела, тем больше в нем проявленной, «кинетической» энергии. И точно так же как в состоянии покоя энергия не исчезает в человеке, но лишь переходит в свою «потенциальную» форму, так и для массивного и находящегося на большой высоте камня, падение которого может выразиться в большой кинетической энергии, ученые вводят понятие «потенциальной энергии», в форме которой сокрыта в камне энергия. Наконец, так же как в обычной жизни, наука обобщает разные формы активности и такие способы существования энергии как потенциальная и кинетическая энергии в одном универсальном понятии «энергия». Конечно, наука делает все это гораздо строже и глубже, чем это происходит в обычной жизни. Она пытается точно измерить количество энергии в разных формах активности и состояниях, найти закономерные отношения между этими выражениями энергии и создает для этого очень сложные математические теории. Итак, понятие «энергии» в современной науке возникло для выражения некоторого универсального начала активности в природе, способного проявляться в разных частных формах активности (механическое перемещение, нагревание и т.д.), способного переходить из непроявленного состояния («потенциальная энергия») в проявленное состояние («кинетическая энергия»), обладающее числовой мерой. Энергия может превращаться, переходя из одной частной формы своего проявления в другую, она может передаваться от одного тела к другому, она может увеличиваться и уменьшаться. Высшим достижением в научном описании начала активности в природе стал закон сохранения энергии. Мир в целом рассматривается учеными как такая система, общее количество энергии в которой всегда остается неизменным. Поэтому всё, что может происходить в таком мире, есть с точки зрения энергии, только превращения ее частных форм и состояний, перераспределения ее общего неизменного количества по этим формам и состояниям. Исходя из закона сохранения энергии, можно объяснить многие частные проявления активности в природе – точно так же как, зная характер человека, мы можем объяснить многие черты его поведения. Однако оказалось, что закон сохранения энергии не может объяснить всех частных проявлений жизни природы. Это не значит, что этот закон неверен, но только этот закон оказывается недостаточным, чтобы понять все природные процессы. Оказалось, что в природе существует множество процессов, для которых чисто энергетический подход не запрещает равновероятное протекание противоположных процессов, так как и прямые и обратные процессы не нарушают закона сохранения энергии. Однако из этих двух возможностей в природе почему-то естественно реализуется только одна и не реализуется другая. Например, капля чернил, попавшая в чистую воду, будет стремиться со временем однородно распределиться по всему объему воды, но никогда естественным образом не происходит обратного – никогда однородно распределенные в воде чернила не собираются сами собой в некоторый выделенный в воде комочек краски. Хотя с точки зрения чисто энергетических свойств оба процесса одинаково возможны. Отмечая эту асимметрию, ученые говорят, что тот процесс, который протекает самопроизвольно, называется «естественным» (противоположный процесс не называют «неестественным», но это как бы подразумевается). Выполняя свою задачу понимания мира, ученые ощущают в этом случае недостаточность понятия «энергии» для объяснения причины выбора в природе именно «естественных» процессов. Здесь ощущается какое-то еще начало, кроме энергии, которое и объясняет этот выбор. Чтобы осмыслить это дополнительное начало, необходимо найти нечто общее только для «естественных» процессов. Примеры естественных процессов – это однородное распределение в воде капли жидкости, переход тепла от горячего тела к холодному, протекание химических реакций, идущих с выделением тепла и т.д. Ученые предположили, что во всех подобного рода «естественных» процессах повышается степень однородности, например, с распределением краски в воде увеличивается однородность раствора, с переходом тепла от горячего тела к холодному разница температур этих тел уменьшается и т.д. Однородность – это такое свойство, которое предполагает множество каких-то элементов, определение каждого элемента в каком-то состоянии и оценку степени разнообразия всей совокупности элементов. Рассмотрим такой простой пример. Пусть даны две квадратные доски с клеточками, и каждая клеточка может быть белой или черной. Таким образом, элементы здесь – клеточки, состояния, в которых могут находиться элементы, - это цвет клеточки, белый или черный. Пусть даны две доски (см. рис.5) – одна с черными клеточками, другая с черными и белыми клеточками.

рис.5

Какая из этих двух досок представляет из себя более однородное состояние на клеточках? Наверное, ясно, что это левая доска, где все клеточки черные. Но наука не может остановиться на таком чисто наглядном представлении об однородности, она хочет научиться измерять однородность, ввести меру этого свойства. Для нашего примера с досками оценить меру однородности можно было бы следующим способом. Занумеруем клетки доски числами, например, верхняя левая клеточка – это 1, верхняя правая – 2, нижняя левая – 3 и нижняя правая – 4. Доска из четырех клеточек может быть теперь представлена как четыре числа – 1234. Начнем теперь всеми возможными способами переставлять эти четыре числа: 1324, 1432, 2314, 3412 и т.д. Всего таких перестановок возможно 4! = 24. Каждой перестановке abcdсопоставим теперь доску, где клеточка под номером 1 была перенесена, т.е. передала свой цвет, клеточке под номером а, клеточка под номером 2 была перенесена на клеточку под номеромb, клеточка под номером 3 – на клеточку под номеромc, клеточка под номером 4 – на клеточку под номеромd. Для исходной доски мы таким образом получим 24 переставленных доски. Теперь отберем из всех этих переставленных досок все те доски, которые одинаковы с исходной доской, т.е. у них в одни и те же цвета окрашены соответствующие клеточки. Пусть число таких досок будетn. Ясно, чтоnне может быть больше 24 и не может быть меньше 1, т.к. 1234 – одна из 24 перестановок, т.е. исходная доска тоже считается одной из переставленных досок (здесь мы как бы перенесли каждую клеточку на нее саму). Теперь определим меру однородности как число Н=(n-1)/23. Для левой доски все переставленные доски одинаковы с исходной доской, т.е.n=24 и Н=1. Этим мы выражаем максимальную однородность. Для правой доски с исходной доской совпадут только переставленные доски 1234, 1324, 4231 и 4321, т.е.n=4 и Н=3/23. Итак, для левой доски введенная нами мера однородности больше, чем для правой доски, что соответствует нашему исходному чувству (как говорят ученые, нашей интуиции).

Ученые так примерно и работают. Во-первых, они опираются на интуицию однородности, которая как бы непосредственно указывает, где однородность больше, а где – меньше, но интуиция никогда не говорит, почему это так. Опираясь на такого рода интуиции, ученые затем выдвигают гипотезы о способе определения меры однородности и смотрят, согласуется ли оценка степеней однородности, полученная на основе интуиции, с оценкой, которая вытекает из вычисления предложенной меры однородности. Если таких мер может быть несколько, выбирают самую удобную из них или самую простую. Возможен и такой случай, что в других ситуациях только некоторые из всех предложенных мер будут иметь свое приложение, и тогда оставят только эти меры. Как бы то ни было, но постепенно отбирается обычно одна мера, которая соответствует максимуму предъявляемых к ней требований: соответствие интуиции, приложимость к множеству различных частных форм выражения измеряемого общего понятия, удобство, выражение смысла этого понятия и т.д. Сегодня в науке уже принята такая универсальная мера однородности, и она называется «энтропия». Итак, энтропия – это такое же универсальное понятие, как и энергия, но, в отличие от энергии, энтропия выражает не меру активности, а меру однородности того или иного объекта или системы объектов. Например, стакан воды, в котором капля краски распределилась по всему объему жидкости, - это более однородное состояние, чем тот же стакан, в который капля воды только что попала. И ученые даже могут измерить степень однородности в этом случае в форме конкретного числа.

Теперь мы могли бы выразить идею «естественного» процесса через понятие энтропии следующим образом. Естественный процесс - это процесс, в котором повышается степень однородности, т.е. растет энтропия. Самопроизвольно в природе совершаются только процессы, в которых возрастает энтропия, все иные процессы требуют как бы вмешательства извне и приложения специальных усилий. Это похоже на утверждение о том, что сам по себе камень может только падать. Если мы видим, что камень движется против сил гравитации или покоится, значит существует некая внешняя сила по отношению к камню, которая извне или побуждает его к такому движению или сохраняет его в покое.

С понятием энтропии современная наука встретилась с необходимостью определения в природе только некоторых процессов как «естественных». Естественные процессы - это как бы процессы, не требующие специальных усилий, они совершаются «сами собой» в природе, и более того - они не могут не совершаться. Коль скоро течет время, протекают в природе естественные процессы. Для их протекания не нужно ничего, кроме времени. Пусть только идет время, и этого уже достаточно, чтобы осуществлялись естественные процессы. Именно поэтому они и «естественные», они - как бы сама природа, выраженная во времени. Представьте, что вам нужно перебраться с одной стороны реки на другую из точки А в точку В (см. рис.6). Ваше перемещение можно разложить на две составляющие - одна вдоль по течению реки, другая - перпердикулярная течению реки. Допустим, что направление течения в реке совпадает по направлению с первой составляющей. Тогда вам можно не заботиться об этой составляющей, она осуществится самой рекой. Эта часть движения будет как бы «естественным» движением в составе всего перемещения, она будет выполнена силами самой реки. И вам останется выполнить только перпендикулярную составляющую вашего движения, которая с точки зрения течения реки выступает как «искусственное» движение, не свойственное движению самой реки.

рис.6

А теперь представьте, что весь окружающий нас природный мир - это что-то подобное огромной реке со своим собственным течением. Таким образом, в этом мире фоном является не покой, но некоторое движение-течение. Тогда, точно так же, как в реке, если вы бросите бумажку, она не останется на месте, но начнет сноситься течением, так и в случае природы в целом, если «бросить» в этом мире какое-то состояние, то оно начнет «сноситься» движением-течением мира в целом. Но только течение в природе - это не геометрическое перемещение, а, как утверждают ученые, «энтропийное течение», т.е. «сдвигание» состояний в сторону повышения однородности. Конечно, сноситься по течению реки будет бумажка или палочка, а, например, моторная лодка может плыть и против течения. Но лодка делает это за счет внешней энергии по отношению к движению реки. Если же рекой становится весь мир, то движение против течения может совершаться только за счет использования самого течения. Например, мы могли бы построить на реке водяную мельницу и через вращение водяного колеса завести пружину, раскручивание которой можно было бы затем использовать для движения лодки против течения. Здесь сила течения обратилась бы против себя самой. Но ясно, что мы можем это делать лишь до тех пор, пока есть течение реки в целом, хотя отдельные части могут двигаться и вспять. Таким образом, если в мировой реке с «энтропийным течением» двигаться против течения можно только за счет самого этого течения, то условием такого движения вспять должно быть сохранения течения всего целого. Так ученые объясняют сегодня существование «неестественных» процессов, похожих на движение лодки против течения. Например, при прорастании растения из семечка происходит не увеличение однородности, но совершенно наоборот - в развивающемся растении увеличивается неоднородность: из вначале бесструктурной массы появляются контуры листочков, стебелька и корешков, на листочках затем появляются жилки и возникает более или менее сложная форма листа и т.д. Развиваясь, растение движется против «энтропийного течения», оно является как бы лодкой, плывущей вспять. Но, говорят ученые, растение делает это, не нарушая закона роста энтропии для всей природы в целом, так как растение-лодка для движения против течения использует силу самого течения, и если не будет течения целого, то не будет и возможности двигаться против этого течения. Таким образом, выделение в мире «естественных» процессов еще не запрещает возникновение в том же мире и процессов противоположных, «неестественных», но если эти «неестественные» процессы могут протекать только за счет «естественных», то на уровне природы в целом все же должен протекать именно «естественный» процесс, несущий на себе все другие процессы. Таким образом, «естественный» процесс - это движение мира в целом, направление течения всей мировой реки.

С введением понятия «энтропия» в науке появилось представление об асимметрии мира в целом и о существовании на уровне природы в целом выделенного направления движения - повышения энтропии. Понятие «энергии», наоборот, предполагает отсутствие какого-либо движения на уровне природы в целом, т. к. как бы ни менялись частные формы и состояния энергии, сама энергия всегда остается неизменной (закон сохранения энергии). Таким образом, с точки зрения энтропии мир движется, а с точки зрения энергии остается неподвижен.