Достижения современного естествознания: информационные технологии

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.  
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, татак 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.

 Постнеоклассическая наука позволяет внести ряд новых моментов в анализ проблем термодинамики Вселенной как целого. Но этот вопрос обсуждался пока лишь в самых общих чертах. Постнеоклассическая 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 постноеклассической 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.

4. Строение и свойства  атома углерода, определившие  его роль в природе

Примерно  из ста химических элементов, встречающихся  в земной коре, для жизни необходимы только шестнадцать, причем четыре из них — водород (Н), углерод (С), кислород (О) и азот (N) наиболее распространены в живых организмах и составляют 99 % массы живого. Биологическое значение этих элементов связано с их валентностью (1, 2, 3, 4) и способностью образовывать прочные ковалентные связи, которые  оказываются прочнее связей, образуемых другими элементами той же валентности. Следующими по важности являются фосфор (Р), сера (S), ионы натрия, магния, хлора, калия и кальция (Na, Mg, Cl, К, Са). В качестве микроэлементов в живых организмах присутствуют также железо (Fe), кобальт (Со), медь (Си), цинк (Zn), бор (В), алюминий (А1), кремний (Si), ванадий (V), молибден (Мо), иод (I), марганец (Мn).

С точки  зрения химии жизнь — это всевозможные превращения разнообразных крупных  и сложных молекул, главным элементом  которых является углерод. Он важен  не с точки зрения распространенности на Земле, в земной коре углерода всего 0,055 %, в то время как кислорода 60,50, кремния 20,45 и даже титана 0,27 %. В  атмосфере двуокиси углерода содержится 0,03 %, т. е. углерода всего 0,008 %. Все биологически функциональные вещества (белки, жиры, углеводы, гормоны, витамины), кроме  нескольких солей и воды, содержат углерод. Число соединений углерода огромно. Они называются органическими  соединениями, поскольку когда-то считалось, что такие молекулы могут образовываться только в живых организмах.

Соединениями  углерода занимается органическая химия  — одна из важнейших областей химии. Органика разлагается, горит при  не очень высокой температуре, при  сгорании в воздухе углерод окисляется до СO2. Большинство органических соединений содержат водород, который окисляется до воды. Чистый углерод встречается  в природе в виде графита и  алмаза. До 1829 г. сторонники витализма  считали, что без участия живого нельзя получить органические соединения, только «жизненная сила» способна изготовить уксусную кислоту или спирт. Немецкий химик Ф. Велер доказал ложность этого учения. Он получил мочевину выпариванием раствора цианово-кислого  аммония NH4NCO — соли, которую можно  изготовить из простых веществ, не связанных  с жизнедеятельностью организмов. Этот синтез был первым примером искусственного получения органики.

Сегодня синтезированы сложнейшие вещества, которых нет в природе. Углерод  занимает все большее место в  технике: природные и синтетические  волокна, природный и синтетический  каучук, пластмассы, нефтепродукты, бумага, красители, чугун, медикаменты.

Идею  о четырехатомности углерода высказал Купер (1858), его поддержал Кекуле в статье «О строении и превращениях химических соединений и химической природе углерода». У Кекуле формула  С6Н6 превратилась в структурную  формулу бензола, знаменитое «бензольное  кольцо», наглядно отражающее четырехва-лентность  углерода. Без этого невозможно было понять строение сложных углеводородов, их соединений и производных. Правда, структурные формулы Кекуле были двухмерными и не могли отразить такое свойство молекул, как изомерия. Бутлеров сформулировал определение  понятия химического строения как  способа связей в молекуле. С помощью  структурной теории развивалась систематика органических соединений. Структурные формулы наглядно отражали связь формулы со свойствами вещества, объяснили изомерию и предсказали свойства неизвестных еще соединений.

Атомный номер углерода — 6, ядро содержит 6 протонов и 6 нейтронов, вокруг ядра вращаются 6 электронов, масса атома равна 12. При химических реакциях углерод  способен присоединить 4 электрона  и образовать устойчивую оболочку из 8 электронов, т. е. имеет валентность, равную четырем, и способен к прочной  ковалентной (присоединением электронов) связи. Например, эмпирическая формула  одного из таких прочных соединений, метана, — СН4, а в структурном  изображении — это тетраэдр (четыре симметричные связи углерода).

Зная  валентность углерода, можно достаточно просто изобразить положение всех недостающих  водородных атомов, что позволяет  сосредоточить внимание на наиболее важных связях и химических группах. Такие прочные ковалентные связи  углерод может образовывать и  с атомами других элементов (Н, О, Р, N, S), и с углеродными (С—С-связь). Внутреннее отличие органики от большинства  неорганических соединений выражается в том, что химические связи, как  правило, в органических соединениях  валентные, а ионные связи — очень  редки.