Понятие энтропии и ее виды

введение

Энтропия находится во всем. В природе, в человеке, в различных науках. Даже зарождение человека в утробе матери начинается с хаоса. Энтропию также можно связать с образованием планеты, так как до появления Бога на Земле все природные явления и все, что было на планете, находилось в высокой степени энтропии. Но по истечению семи дней, планета приобрела упорядоченный вид, то есть все встало на свои места.

понятие энтропии и ее виды

Энтропи́я (от др.-греч. ἐντροπία — поворот, превращение) — широко используемый в естественных и точных науках термин.

Сегодня в литературе встречается, по меньшей мере, четыре формы энтропии:

Во-первых, энтропия как мера неопределенности состояния любой вполне упорядоченной физической системы, или поведения любой системы, включая, живые и неживые объекты и их функции. Именно эта форма энтропии, связанная с неопределенностью состояния системы, находит в последнее время наибольшее распространение при исследовании, как живых, так и неживых объектов и процессов.

Во-вторых, термодинамическая энтропия микрочастиц, или молекулярного (микроскопического) множества.

В-третьих, информационная энтропия, или неопределенность информации, т.е. сведений о некоторой информационной системе. Известно, что совпадение по виду формул для энтропии и информации послужило основанием для утверждения, что энтропия есть недостающая информация о состоянии системы. Было предложено использовать термин негэнтропия как тождественной связанной информации о состоянии системы. Негэнтропия не является отрицательной энтропией, или антиэнтропией, как иногда ошибочно считают некоторые ученые.

Разница масштабов энтропии и информации связана с их принципиальным различием, а именно: энтропия - это мера множества тех состояний системы, о пребывании в которых система должна забыть, а информация - это мера множества тех состояний, о пребывании в которых система должна помнить.

В-четвертых, энтропия, или неопределенность поведения, любой не вполне упорядоченной системы вплоть до макроскопических множеств.

жизнь и энтропия

Биологический уровень материи содержит атомы, молекулы, клетки и их агрегаты.  Живые объекты существуют только благодаря взаимодействию между элементами. Кроме того, главными «действующими лицами» живого являются не молекулы, а несравненно более сложные образования – клетки.

В молекулярных системах взаимодействия осуществляются только с соседними атомами (молекулами), а в биологических – связи могут быть и очень «длинными». Клетки общаются через кровоток и лимфу. Мозг «достаёт» нервами любой отдалённый орган. Между живыми существами идёт обмен информацией: запахами, фитонцидами, звуками, электромагнитными полями и т.п. Люди общаются по телефону, по радио даже с другими планетами и космическими аппаратами. Связи в живом длинные, лабильные. Однако удлинение связи в неживом объекте означает ее разрушение. В живом связи могут удлиняться и укорачиваться без вреда для организма. В наше время в социуме людей появился новый тип организации – сетевой. Люди находятся в любой части нашей планеты, но организация функционирует благодаря сетям связи  [19].  

Мы уже знаем, что энтропия Больцмана не учитывает связей между элементами системы и предполагает, что каждый элемент системы имеет множество степеней свободы. Больцман изучал только простейшие подсистемы живого (газ, жидкость), а Мир намного более сложен. Каждая модель ограничена в своем применении. В качестве аналогии можно напомнить, что «правильная» квантовая механика работает предпочтительно в микромире, но почти не применима к макрообъектам. Так и энтропия работает в молекулярных системах и не может применяться в более сложных.

Каждый уровень организации Мира должен описываться (и описывается) своим языком. Больцман исследовал только один срез иерархической пирамиды. Но можно ли только по срезу на пеньке дерева судить об организации кроны, форме листьев, запахе цветков и т. п.?

Нельзя понять сложное явление, опираясь на очень простые модели. Попытайтесь описать  архитектуру здания, зная только структуру кирпича. Или представте себе, что из бутылок построили дом. Бутылки заполнены воздухом. Каждая бутылка, исполняя роль кирпича, «привязана» к своему месту и олицетворяет порядок. Но содержимое бутылок – воплощение хаоса. Законы термодинамики способны описать газ, но для характеристики дома их явно не достаточно.

На каждом этаже иерархической пирамиды Мира действуют свои законы, которые являются эволюционным продолжением законов низших уровней, но не сводимы к ним. Как показано в «Аналитическом обзоре» все законы - это всего лишь модели. Чем сложнее объект, тем большим количеством моделей его можно описать в соответствии с принципом дополнительности. Описание живого только одной моделью – энтропией явно недостаточно.

Совершенно очевидно, что энтропия в классическом понимании не может быть использована для характеристики биологических и социальных объектов, но разрыв между гуманитарным и физико-техническим образованием очень часто не позволяет  видеть исследователям ограниченность применения тех или иных моделей. Следует помнить, что для решения специфического класса проблем в теории связи Шеннон использовал видоизмененную энтропию Больцмана. Возвращаясь к образу дерева, можно сказать, что Больцман описал один корешок, а Шеннон - одну веточку. 

В научном мышлении существует мнение, что живое создает вокруг себя беспорядок (хаос), но повышает свою упорядоченность (Винер). В свете выше изложенного это следует понимать так. Живое потребляет высокоупорядоченные структуры, а сбрасывает в окружающую среду нечто мало организованное. Докажем что это стойкое заблуждение, как и использование понятия энтропии для биологических объектов.               

Растения потребляют газы (CO2), воду и некоторые химические элементы из почвы, а также солнечный свет. В окружающую среду они отдают газы (O2,CO2,H2O), некоторые метаболиты (например, фитонциды, запахи и.т.п.) и рассеивают тепло. В первом приближении энтропия  входных и выходных потоков отличается мало (на входе газ и на выходе газ). Но имеет место деградация энергии. “Высококачественная” световая энергия превращается в энергию химических связей тканей растений, которая затем после гибели растения деградирует в тепло (гниение). Несомненно, сложность живых структур существенно превышает сложность потребляемых ресурсов. Живое генерирует информационные пакеты более высокого уровня сложности, но деградации в окружающей среде не производит. 

Животные, потребляющие кроме газов и воды такую высокоорганизованную материю как белки, жиры, углеводы, строят свое сложное тело из веществ аналогичной сложности. Мясо как пища и мясо как ткани живого организма мало чем отличаются по упорядоченности.

Энергию химических связей пищи животные превращают в тепло, т. е. все же дезорганизуют энергию. Однако деградация света в тепло не является спецификой только живого. Этот процесс еще с большей интенсивностью осуществляется неживой материей. Поверхность земли поглощает весь свет Солнца и в виде тепла излучает энергию в Космос. Растения же не являются такими “деградаторами”. Энергию света они сначала переводят в другую качественную энергию химических связей. Поэтому в пустынях днем жарче, чем в степи (трава) и в лесу (деревья). Таким образом, живые организмы - своеобразные концентраторы сложности, средоточение информационных пакетов повышенной сложности.

Могут возразить, что после смерти живого объекта, энтропия торжествует. Живое разлагается. Но не следует забывать, что разложение - это процесс питания бактерий и других падальщиков (редуцентов), которые тоже живые и строят свои организмы из организмов умерших, разлагая их только до аминокислот. Поэтому в окружающую (неживую) среду редуценты возвращают опять только газы, воду и минералы.  Цикл замыкается без всякой деградации среды. В биосфере отходы одних организмов являются высококачественным сырьем для питания других, поэтому метаболиты организмов нельзя считать веществом с высокой энтропией.  Более того, живое вещество по Вернадскому не упрощает косную материю, а даже усложняет, множит разнообразие. Нефть, уголь, месторождения железа, бокситов, мела, известняка и многих других минералов созданы живым веществом. Поддержание состава кислородной атмосферы Земли, этого явно неравновесного состояния, также деятельность живого. Тогда о какой же деградации окружающей среды идет речь? И вообще, что следует считать окружающей средой для некоторого организма. В окружающую среду входит и косная, и живая материя. Деятельность живого организма множит разнообразие косной и тем более живой материи. Живое окружение невероятно разнообразно, так как нет двух одинаковых организмов.

Но человек уменьшает разнообразие биосферы, могут возразить оппоненты, и этим увеличивает ее энтропию. Да, человек уменьшает разнообразие “дикой” биосферы, но при этом увеличивает разнообразие “культурной” биосферы (домашние животные). Невероятно быстро растет разнообразие техносферы, которая естественно входит в понятие внешней среды для человека. Кроме того, разнообразие системы прямо никак не связано с величиной энтропии. Принято считать, что кристалл - это образец порядка с минимумом энтопии, но трудно придумать что- либо  более однообразное, чем кристалл.

Принято считать, что управление в человеческих социумах направлено на упорядочение процессов и уменьшение энтропии. Но любое управление ограничивает разнообразие системы (также как и «окружающей среды»). Согласно общепризнанному предрассудку, управление, т.е. уменьшение разнообразия внутри управляемой системы, должно сопровождается  ростом энтропии, но это абсурд.   

Все приведенные примеры доказывают, что манипулирование понятием энтропия в живых системах часто приводит к противоречиям, нелогизмам, абсурдам.       

Итак, деятельность живого усиливает и разнообразит не только свое внутреннее устройство, но также и внешнюю среду. Странно, что это не видят сторонники гипотезы перманентного нарастания энтропии. В Мире господствуют процессы самоорганизации. Процессы деструкции, распада являются лишь средством отбраковки неудачных конструкций и средством создания нового строительного материала для следующих попыток самоорганизации. Кроме того, деструкция, нарушение порядка, откат к хаосу носит ограниченный характер. Процессы деструкции более типичны для верхних, сложных уровней организации Мира. Камень распадается до уровня песчинок и групп молекул (которые не разрушаются). Лед деградирует до жидкости, но молекулы H2O остаются целыми. Живые клетки разлагаются до молекул и их блоков. Обычно уровень атомов и некоторых молекул в условиях Земли остается вне разрушения. Атомы, ядра атомов, электроны, возникшие на ранних этапах развития Вселенной, обладают более высокой “прочностью”. Теоретически срок жизни протона 1032 лет [66]. 

Так что же такое энтропия? Видимо, эта функция для каждого иерархического уровня Мира имеет свои особенности, но эволюционные корни ее уходят в фундаментальные структуры материи. Точно так, как информация изменяется вместе с агрегированием информационных пакетов (изменяется характер неоднородностей), но уходит в фундамент мира.  

Функциональная информация, используемая на верхнем уровне организации Мира (человеческие взаимоотношения), породила энтропию Шеннона. Информация о неоднородностях молекулярного уровня организации сопряжена с энтропией Клаузиуса и Больцмана.

Очевидно, есть потребность в осмыслении энтропии и для биологического уровня организации. Если термин энтропия занят классической термодинамикой, то для более высоких уровней организации лучше использовать другие термины, например, устойчивость.

роль энтропии для живых организмов

Э.Шрёдингер считал, что живые организмы "извлекают упорядоченность из окружающей среды", питаются структурированной упорядоченной пищей, а отдают природе мене структурированные "отходы производства" своей жизнедеятельности. Это общее положении биологи развивают как возникновение специфической упорядоченности для разных видов животных. Поступающая пища сначала расщепляется до низко молекулярных веществ, аминокислот, углеводов, сахаров и т.д., общих для всей живлй природы, а затем за счёт поглащения энергии извне из "элементарных кирпичиков" жизнь, организмы строят присущие лишь им белки. Поэтому каждый организм характерен неповторимой, именно ему присущей комбиныции белковых молекул,ю своей специфичной упорядоченностью. Таким образом живая природа избегает возрастания энтропии и повышает её в окружающей среде при общении живого организма с ней.