Тепловая смерть Вселенной

Постнеклассическая  наука, прежде всего, теория самоорганизации, проблему направленности термодинамических  процессов в природе решает существенно  иначе, чем наука классическая или  неклассическая; это находит выражение  в современной научной картине  мира (НКМ). Как же на самом деле появился термодинамический парадокс в космологии? Нетрудно убедиться, что он был фактически сформулирован оппонентами Томсона  и Клаузиуса, которые увидели  противоречие между идеей тепловой смерти Вселенной и коренными  положениями материализма о бесконечности  мира в пространстве и времени. Формулировки термодинамического парадокса, которые  мы встречаем у различных авторов, на редкость схожи, практически полностью  совпадают. "Если бы учение об энтропии, было правильным, то предполагаемому  им "концу" мира должно было бы соответствовать  и "начало", минимум энтропии", когда температурное различие между  обособленными частями Вселенной  было бы наибольшим.

В чем же состоит  эпистемологическая природа рассматриваемого парадокса? Все цитированные авторы, по сути, приписывают ему философско-мировоззренческий  характер. Но фактически здесь смешиваются  два уровня знания, которые с нашей  современной точки зрения следует  различать. Исходным было все-таки возникновение  термодинамического парадокса на уровне НКМ, на котором Клаузиус и осуществлял  свою экстраполяцию возрастания принципа энтропии на Вселенную. Парадокс выступал как противоречие между выводом Клаузиуса и принципом бесконечности мира во времени, согласно космологии Ньютона. На том же уровне знания возникли и другие космологические парадоксы - фотометрический и гравитационный, причем их эпистемологическая природа была очень сходной. В самом деле, тепловая смерть Вселенной, даже если бы она произошла в каком-то отдаленном будущем, пусть даже через миллиарды или десятки миллиардов лет, все равно ограничивает "шкалу времени" человеческого прогресса. 

3.2 Термодинамический парадокс в релятивистских космологических моделях 

Новый этап анализа  термодинамического парадокса в  космологии связан уже с неклассической наукой. Он охватывает 30 - 60-е годы ХХ века. Наиболее специфическая его  черта - переход к разработке термодинамики  Вселенной в концептуальных рамках теории А.А. Фридмана.

Обсуждались как  модернизированные варианты принципа Клаузиуса, так и новая модель Толмена, в которой возможна необратимая  эволюция Вселенной без достижения максимума энтропии. Модель Толмена  в конечном счете получила перевес  в признании научного сообщества, хотя и не дает ответа на некоторые "трудные" вопросы. Но параллельно  развивался также квазиклассический "антиэнтропийный подход", единственная цель которого состояла в том, чтобы  любой ценой опровергнуть принцип  Клаузиуса, а исходной абстракцией  был образ бесконечной и "вечно  юной", как выражался Циолковский, Вселенной. На основе этого подхода  был разработан ряд, так сказать, "гибридных" схем и моделей, для  которых было характерно довольно искусственное  сочетание не только старых и новых  идей в области термодинамики  Вселенной, но также оснований классической и неклассической науки.

В 30 - 40-е годы наибольшим влиянием среди сторонников  релятивистской космологии продолжала пользоваться идея тепловой смерти Вселенной. Энергичными сторонниками принципа Клаузиуса выступали, например, А. Эддингтон  и Дж. Джинс, неоднократно высказывавшиеся  по поводу как физического смысла этой проблемы, так и ее "человеческого  измерения". Вывод Клаузиуса был ими транслирован в неклассическую картину мира и в некоторых отношениях адаптирован к ней.

Изменился прежде всего объект экстраполяции - Вселенная  как целое. Большой резонанс (и  многократное цитирование) вызвала  в 50-е годы сейчас почти забытая  дискуссия по проблемам термодинамики  Вселенной между К.П. Станюковичем и И.Р. Плоткиным. Обе они рассматривают  статистико-термодинамические свойства модели Вселенной, сходной с Вселенной  Больцмана, т.е. совпадают в отношении  исследуемого объекта. Кроме того, оба  считали, что проблемы термодинамики  Вселенной могут анализироваться  и независимо от ОТО, которая не вложила  в закон возрастания энтропии нового содержания. Но наряду с изложенными  попытками „преодоления” гипотезы Больцмана разрабатывались и  модернизированные варианты самой  этой гипотезы. Наиболее известный  из них принадлежит Я.П. Терлецкому. "Гибридные схемы" и модели решения термодинамического парадокса  в космологии вызвали в 50-е - 60-е  годы довольно значительный интерес - преимущественно в нашей стране. Они обсуждались на одном из совещаний  по вопросам космогонии (Москва, 1957 г.), на симпозиумах по философских проблемам теории относительности Эйнштейна и релятивистской космологии (Киев, 1964, 1966 гг.) и др., но в дальнейшем ссылки на них становились все более редкими. Это произошло в немалой степени благодаря сдвигам в решении этого круга проблем, достигнутым релятивистской космологией и нелинейной термодинамикой. 

3.3 Термодинамический парадокс в космологии и постнеклассическая картина мира 

Качественно новые  черты начала приобретать разработка проблемы термодинамики Вселенной  на протяжении 80-х годов. Наряду с  исследованием Вселенной в рамках неклассических оснований в этой области сейчас развивается и  подход, который соответствует признакам "постнеклассической" науки. Например, синергетика, в частности, теория диссипативных  структур позволяет глубже, чем было возможно в неклассической науке, понять специфику нашей Вселенной как  самоорганизующейся, саморазвивающейся  системы. Постнеклассическая наука  позволяет внести ряд новых моментов в анализ проблем термодинамики Вселенной как целого. Но этот вопрос обсуждался пока лишь в самых общих чертах. Постнеклассическая наука позволяет внести ряд новых моментов в анализ проблем термодинамики Вселенной как целого. Но этот вопрос обсуждался пока лишь в самых общих чертах. Основную цель подхода, основанного на статистической теории неравновесных процессов, И. Пригожин выразил так:". мы отходим от замкнутой Вселенной, в которой все задано, к новой Вселенной, открытой флуктуациям, способной рождать новое". Попытаемся понять это высказывание в контексте анализа тех космологических альтернатив, которые были выдвинуты М.П. Бронштейном.

1. Теория И.  Пригожина в сочетании с современным  развитием космологии, по-видимому, совместима скорее с пониманием  Вселенной, как термодинамически  открытой неравновесной системы,  возникшей в результате гигантской  флуктуации физического вакуума.  Таким образом, в этом отношении  постнеклассическая наука отходит  от традиционной точки зрения, разделявшейся и М.П. Бронштейном.  Кроме того, при анализе поведения  Вселенной как целого в современной  науке следует, по-видимому, отбросить  то, что Пригожин назвал "путеводным  мифом классической науки" - принцип  "неограниченной предсказуемости"  будущего. Для нелинейных диссипативных  структур это связано с необходимостью  учета "ограничений", обусловленных  нашим действием на природу".

Наши знания о термодинамике Вселенной как  целого, основанные на экстраполяции  статистической теории неравновесных  систем, также не могут игнорировать прямой или косвенный учет роли наблюдателя.

2. Теория И.  Пригожина совершенно по-новому  ставит проблему законов и  начальных условий в космологии, снимает противоречия между динамикой  и термодинамикой. С точки зрения  этой теории оказывается, что  Вселенная, как считал и М.П.  Бронштейн, может подчиняться  законам, асимметричным по отношению  к прошлому и будущему - что  нисколько не противоречит фундаментальности  принципа возрастания энтропии, его космологической экстраполируемости.

3. Теория Пригожина  - в хорошем соответствии с  современной космологией - по-новому  оценивает роль и вероятность  макроскопических флуктуаций во  Вселенной, хотя прежний механизм  этих флуктуаций с современной  точки зрения иной, чем у Больцмана.  Флуктуации перестают быть чем-то  исключительным, становятся вполне  объективным проявлением спонтанного  возникновения нового во Вселенной. Таким образом, теория Пригожина позволяет довольно непринужденно ответить на вопрос, который вот уже почти полтора века раскалывает научное сообщество и так занимал в свое время К.Э. Циолковского: почему - вопреки принципу Клаузиуса - повсюду во Вселенной мы наблюдаем не процессы монотонной деградации, а напротив, процессы становления, возникновения новых структур. Переход от "физики существующего" к "физике возникающего" произошел во многом за счет синтеза представлений, казавшихся взаимоисключающими в прежних концептуальных рамках. Идеи Пригожина, ведущие к пересмотру ряда фундаментальных представлений, как и все принципиально новое в науке, встречают неоднозначное отношение к себе - в первую очередь среди физиков. С одной стороны, растет число их сторонников, с другой - говорится о недостаточной корректности и обоснованности выводов Пригожина с точки зрения идеала развитой физической теории. Сами эти идеи интерпретируются иногда не вполне однозначно; в частности, некоторые авторы подчеркивают, что в процессе самоорганизации энтропия системы может уменьшаться. Если такая точка зрения правильна - она означает, что удалось, наконец, сформулировать те крайне специфические условия, о которых писал К.Э. Циолковский, обсуждая возможности существования в природе антиэнтропийных процессов. Но идеи русского космизма, в том числе и космической философии К.Э. Циолковского, посвященные этим проблемам, находят и более непосредственную разработку в постнеклассической науке. Например, Н.Н. Моисеев отмечает, что в ходе эволюции Вселенной происходит непрерывное усложнение организации структурных уровней природы, причем этот процесс носит явно направленный характер. Природой как бы запасен определенный набор потенциально возможных (то есть допустимых в рамках ее законов) типов организации и по мере развертывания единого мирового процесса в нем оказывается "задействованным" все большее количество этих структур. Разум и разумная деятельность должны быть включены в общий синтетический анализ процессов эволюции Вселенной.

Разработка идей самоорганизации, в частности, пригожинской теории диссипативных структур, связанная  с пересмотром концептуальных оснований  термодинамики стимулировала дальнейшее исследование этого уровня знания. Статистическая термодинамика, развитая еще в классической физике, содержит ряд незавершенностей и неясностей, отдельных странностей и парадоксов - несмотря на то, что с фактами  у нее как будто "все в порядке". Но, согласно исследованиям Ф.А. Цицина, даже в такой установившейся и явно прошедшей "проверку временем" сфере научного поиска кроется немало неожиданностей. Сопоставление характерных параметров флуктуаций, введенных еще Л. Больцманом и М. Смолуховским, доказывает существенную неполноту "общепринятой" статистической интерпретации термодинамики. Как ни странно, эта теория построена в пренебрежении флуктуациями! Отсюда следует, что необходимо ее уточнение, т.е. построение теории "следующего приближения".

Более последовательный учет флуктуационных эффектов заставляет признать физически нетождественными понятия "статистического" и "термодинамического" равновесия. Оказывается, далее, справедливым вывод, находящийся в полном противоречии с "общепринятым": функциональная связь между ростом энтропии и  стремлением системы к более  вероятному состоянию отсутствует. Не исключены и такие процессы, в которых переход систем в  более вероятное состояние может  сопровождаться уменьшением энтропии! Учет флуктуаций в проблемах термодинамики  Вселенной может привести, тем  самым, к обнаружению физических границ принципа возрастания энтропии. Но Ф.А. Цицин не ограничивается в  своих выводах основаниями классической и неклассической науки. Он высказывает  предположение, что принцип возрастания  энтропии неприменим к некоторым  типам существенно нелинейных систем. Не исключена заметная "концентрация флуктуаций" в биоструктурах. Возможно даже, что подобные эффекты уже  давно фиксируются в биофизике, но их не осознают или неправильно  интерпретируют, именно потому, что  считают "принципиально невозможными". Подобные явления могут быть известны другим космическим цивилизациям и  эффективно использоваться ими, в частности, в процессах космической экспансии.

Заключение 

Итак, мы можем  отметить, что в постнеклассической науке были сформулированы принципиально  новые подходы к анализу принципа Клаузиуса и устранению термодинамического парадокса в космологии. Наиболее значительны перспективы, которых  можно ожидать от космологической  экстраполяции теории самоорганизации, развитой на основе идей русского космизма.

Необратимые процессы в резко неравновесных, нелинейных системах позволяют, по-видимому, избежать тепловой смерти Вселенной, поскольку  она оказывается открытой системой. Продолжаются и поиски теоретических  схем "антиэнтропийных" процессов, непосредственно предсказываемых  научной картиной мира, основанной на космической философии К.Э. Циолковского; правда, такой подход разделяется  лишь немногими естествоиспытателями. Сквозь всю новизну постнеклассических подходов к анализу проблем термодинамики  Вселенной "просвечивают", однако, те же самые "темы", которые сформировались еще во второй половине Х1Х века и  порождены парадоксом Клаузиуса  и дискуссиями вокруг него.

Мы видим таким  образом, что принцип Клаузиуса  до сих пор является почти неиссякаемым источником новых идей в комплексе  физических наук. Тем не менее, несмотря на появление все новых моделей  и схем, в которых тепловая смерть отсутствует, никакого "окончательного" разрешения термодинамического парадокса  до сих пор не достигнуто. Все  попытки разрубить "гордиев узел" проблем, связанных с принципом  Клаузиуса, неизменно приводили  лишь к частичным, отнюдь не строгим  и не окончательным выводам, как  правило, достаточно абстрактным. Содержавшиеся  в них неясности порождали  все новые проблемы и пока нет  особой надежды, что успеха удастся  достигнуть в обозримом будущем.

Вообще говоря, это - вполне обычный механизм развития научного познания, тем более, что  речь идет об одной из наиболее фундаментальных  проблем. Но ведь далеко не всякий принцип  науки, как и вообще не любой фрагмент НКМ, является столь эвристичным, каким  выступает принцип Клаузиуса. Можно  назвать несколько причин, объясняющих, с одной стороны, эвристичность  этого принципа, который до сих  пор не вызывает ничего, кроме раздражения, у догматиков - безразлично, естествоиспытателей или философов, с другой - неудачи его критиков.

Первое - сложности  любых противостоящих этому принципу "игр с бесконечностью", каковы бы ни были их концептуальные основания.

Вторая причина - использование неадекватного смысла термина "Вселенная как целое" - все еще обычно понимаемого в  значении "всего существующего" или "тотальности всех вещей". Неопределенность этого термина, вполне соответствующая неясностям употребления неэксплицируемых смыслов бесконечности, резко противостоит четкости формулировки самого принципа Клаузиуса. Понятие  „Вселенная” в этом принципе не конкретизировано, но именно потому и  возможно рассматривать проблему его  применимости к различным вселенным, конструируемым средствами теоретической  физики и интерпретируемым как „все существующее” лишь с точки зрения данной теории (модели).