Бесплатный фрагмент - Эволюция с позиций теоретической физики

ЭВОЛЮЦИЯ С ПОЗИЦИЙ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ

Виленчик Лев Залманович

Энтропийный порядок правит Миром, своеобразно организовав

распределение материи во Вселенной, её эволюцию и присущие ей

законы. Он ответственен за наше здоровье, бессмертный код ДНК

в нашем бренном теле, нравственный кодекс, который мы

исповедуем, и законы нашего общества.

Преамбула.

В книге изложен фундаментально новый подход к пониманию явлений Природы с позиций классической, релятивистской, квантовой физики и космологии. Описаны закономерности живого и неодушевленного миров, также как и взаимодействие между ними и внутри каждого из них.

О каких закономерностях идет речь? Прежде всего-это закономерности, связанные с явлениями, хорошо известными нам из различных областей физики. Среди них: Происхождение и развитие Вселенной, Большой взрыв, гравитация, бифуркация, дефект массы, фазовые переходы, термоядерная реакция, теплопроводность, диффузия, квантовая запутанность (Quantum entanglement) и многие другие. Эти закономерности рассматриваются в книге под новым углом зрения, который не отрицает известные нам законы Природы, а объясняет их существование, исходя из их более глубокого понимания. Четыре фундаментальных взаимодействия (гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое) трактуются в книге, как дочерние от энтропийного взаимодействия, концепция которого, в принципе, не является новой, но обычно используется в сослагательном наклонении («макромолекулярные звенья как бы энтропийно отталкиваются друг от друга на близком расстоянии и энтропийно притягиваются на дальнем расстоянии»). Вместо этого, энтропийное взаимодействие рассматривается в книге, как квинтэссенция Природы. В книге описано, как энтропийный порядок правит миром, своеобразно организовав распределение материи во Вселенной, присущие ей законы, бессмертный код ДНК в нашем бренном теле, нравственный кодекс, который мы исповедуем и законы общества, в котором мы живем. Введение реального (а не условного) энтропийного взаимодействия предлагает научно-обоснованное объяснение этих закономерностей, устанавливает корреляцию между изменением энтропии и ритмом времени, позволяет распространить законы физики на общественную жизнь, искусство, литературу, религию и человеческий организм. Такой подход является также специфическим мостом между физикой, медициной и ее альтернативными вариантами. Он дает рекомендации для лечения болезней и продления наших жизней. Будучи применен к человеческой истории, этот подход (в качестве примера его возможного использования) пытается объяснить мистическое исчезновение цивилизации Майя в Центральной Америке (высоко развитой для своего времени) и возможность связать это с загадкой Острова Пасхи. В книге обсуждается как создались условия для появления и развития органической жизни на Земле, почему была выбрана и подарена нам Природой совокупность приблизительно 100 мировых констант, которые регулируют нашу жизнь, существуют ли во Вселенной другие планеты, где есть интеллектуальная жизнь и, если есть, то как установить с ней контакт. Книга предлагает рекомендации как достичь желаемых результатов в повседневной жизни, включая решение проблем, связанных со здоровьем, долголетием и просто с улучшением качества жизни.

Особое внимание уделяется проблемам здоровья, эффекту плацебо, гипнозу, восточной медицине, альтернативной медицине, контактной и бесконтактной терапии. Показано, что для каждого из упомянутых явлений и для многочисленных, кажущихся сверхъестественными явлений таких, как телепатия, телекинез, миражи, ясновидение, предсказание событий, влияние нашего сознания на происходящее, достижение долголетия, эффекты йоги, рейки и emotional freedom technique, контакт с внеземными цивилизациями, НЛО проблемы и т. д. можно найти возможное научное объяснение. Альберт Эйнштейн по этому поводу говорил, что «научный поиск есть постоянное бегство от магии».

Следует упомянуть, что книга написана в научно-популярном формате, чтобы быть доступной для широкой публики. Ее чтение не требует специального математического или физического образования. Однако, она может оказаться интересной для читателей с различным академическим образованием, включая физиков, химиков, биологов, психологов, медиков, педагогов, религиозных деятелей и лиц, специализирующихся в альтернативной медицине.

Хотя книга не ставит своей задачей фокусироваться на математическом обосновании изложенных в ней идей, для тех читателей, которые в таком обосновании заинтересованы, детальное математическое описание ряда явлений вынесено в Приложения.

Содержание

Предисловие 6

Введение 8

Часть 1.

Объяснение физических закономерностей Природы. 11

I. Теоретические предпосылки применения

термодинамического подхода к явлениям Природы 11

1. Стохастичность 11

2. Общая тенденция в эволюции термодинамических

систем 13

3. Диалектика эволюции 15

4. Энтропийные взаимодействия 16

a. Теплопроводность и диффузия. 16

b. Термоядерная реакция. 16

c. Стабилизация температуры помещений 17

d. Консервация энергии 17

e. Прогноз погоды 18

5. Гибкоцепные макромолекулы. 19

6. Квантовая запутанность 21

7. Хроматография макромолекул. 23

II. Коррелированные изменения энтропии и энтальпии, как

движущий фактор природных процессов 26

1.Соударение тел 26

2. Прямой пьезоэлектрический эффект 26

3. Обратный пьезоэлектрический эффект 26

4. Отсутствие коллапса атомов и нейтронных звезд 26

5. Химический процесс растворения веществ 26

6. Явление осмоса 26

7. Газовые законы термодинамики. 26

8. Фазовые переходы 26

9. Определение энтропийных взаимодействий 27

Ill. Энтропия и время: 29

Взаимосвязь изменения энтропии и времени в природных

процессах 29

IV. Энтропийное взаимодействие, как возможное объяснение

происхождения Вселенной 34

V. Мировое пространство до «Большого взрыва» 38

VI. Эволюция термодинамических систем. 39

VII. Эволюция Мирового пространства и нашей Вселенной

после

Большого взрыва 42

VIII. Зарождение органической жизни на земле. 45

1. Предпосылки эволюции живых организмов. 46

2. Влияние циркадного ритма на биологическое время. 49

3. Влияние смены сезона года на биологическое время.

4. Влияние зоопарка на биологическое время его

обитателей. 49

5.Использование изменения энтропии для развития

альтернативы теории Дарвина. 49

6. Влияние на биологическое время жизни в городе. 50

7. Экспериментальные исследования биологического

времени. 50

8. Оптические изомеры. 51

9. Корреляция энтропийных изменений и ритма времени

в мире живой природы. 52

10. Возможное использование изменения внутреннего

времени живой системы для замедления процесса старения. 55

11. Зависимость энергетических характеристик живого организма

от температуры. 56

Часть 2.

Применение термодинамического подхода к процессам,

происходящим в организме человека. 58

I. Детские истоки 58

II. Эксперименты с «Великолепной семеркой». 59 1. Вольф

Мессинг-гипнотизер, провидец, человек-легенда. 59

2. Михаил Куни-феномен счета, телепат, гипнотизер 60

3. Нинель Кулагина-женщина-загадка, телепат и телекинетик. 61

4. Вадим Поляков-экстрасенс, «поддерживавший» космонавтов

на орбите 68

5. Владимир Шпунт — ученый-физик и альтернативный доктор. 70

III. Термодинамический подход как связующее звено между

физикой, медициной и ее альтернативными вариантами 72

1. Эффект плацебо в медицине. 72

2. Эффект плацебо в спорте 74

3. Варианты альтернативной медицины. 77

a. Мануальная (контактная) терапия 77

b. Лечение структурированной водой. 79 Татьяна Трофимова

(номер 6 из «Великолепной Семерки») 79

c. Гомеопа́тия 83

d. Иглоукалывание 83

e. Горчичники 83

f. «Банки» 84 g. Палминг 84

h. Рейки 85

i. Бесконтактная терапия 86

IV. Энтропийная сигнальная система в биологическом мире. 86

V. Объяснение паранормальных явлений с позиций энтропийного

подхода 88

1. Гипноз 88

2. Телепатия 89

3. Ясновидение 90

4. Предсказание будущего 92

5. Телекинез 92

VI. Влияние энтропийных взаимодействий нa события 93

1.Наблюдение влияния коллективного сознания на работу

генераторов случайного шума. (Global Consciousness Project) 94

2. Примеры влияния мыслительных процессов на события. 96

3. Entity — John of God (номер 7 из «Великолепной Семерки») 100

VI. Энтропийный порядок правит миром. 109

VII. Немного фантастики, связанной с применением

термодинамического подхода к явлениям природы. 111

1. Научный поиск. 111

2. Цивилизация Майя 112

3. Остров Пасхи 119

VIII. Noetic Science и термодинамический подход к явлениям

природы. 127

IX. Биоцентризм и термодинамический подход к явлениям

природы. 127

X. Вместо эпилога 128 Приложение 1

Основные характеристики термодинамической системы. 133

Приложение 2

Принцип наименьшего действия. 135

Приложение 3.

Вероятность нахождения макромолекулы в пространстве между двумя непроницаемыми для нее мембранами. 138

Приложение 4. 139 Доказательство корреляции изменения

энтропии и ритмa времени.

Приложение 5 140

Энергетика процесса образования молекулы, состоящей из двух атомов.

Литература 141

Предисловие

«Две вещи наполняют мой ум вечно новым и всё большим благоговением:

звездное небо надо мной, нравственный закон во мне».

Иммануил Кант, «Критика практического разума» (1788).

Симбиоз с Миром, в котором мы живем, является основополагающим для нашего существования. Мы представляем собой часть окружающей нас Природы и, в меру своих возможностей, стремимся понять её суть и действующие в ней закономерности. Природа поражает нас своей многогранностью. В ней много удивительных явлений, остающихся за пределами сегодняшних естественнонаучных знаний. Мы пытаемся понять эти явления, открыть для себя законы, лежащие в их основе, и использовать полученные знания в нашей повседневной жизни. Природа предстает перед нами на трех уровнях. На одном из них она демонстрирует нам все, что мы видим невооруженным глазом и ощущаем с помощью остальных 4-х органов чувств. На другом она раскрывает свой микромир, в который мы проникаем с помощью созданных нами приборов и теоретических разработок. А на третьем поражает воображение закономерностями, проявляющимися на больших расстояниях, больших скоростях или больших интервалах времени. Дополнительно к этим уровням, она порой удивляет нас потрясающим сходством, а порой кардинальным различием двух тесно переплетающихся миров: живого (органического) и неживого (неорганического)

Обычно мы находимся в плену наших устоявшихся представлений о природе вещей. Нам бывает трудно их менять, как одежду, уже вышедшую из моды, к которой мы успели привыкнуть. Даже такой гений, как Альберт Эйнштейн, давший своей теорией фотоэффекта /1/ первый толчок к развитию квантовой физики, до конца своей жизни не мог отказаться от детерминированности ньютоновой классической физики. Он говорил, что не верит, «что Бог играет в кости», имея при этом в виду вероятностную трактовку законов Природы, предлагаемую квантовой механикой, и игнорируя почти аналогичную ситуацию в статистической физике и термодинамике. А ведь именно Эйнштейн разрушил многие веками устоявшиеся представления классической физики.

Созданная им Теория Относительности /2, 3/ заменила хорошо знакомый всем 3-х мерный мир на 4-х мерный. Расстояние и время, согласно ей, стали зависеть от скорости относительного движения, а пространство из плоского (с евклидовой геометрией) превратилось в искривленное. Гравитация трактовалась как следствие этого искривления пространства. «Я подобен жуку, который понял, что ползет по искривленному суку», — объяснял он сыну суть своего открытия.

Рисунок 1. Предложенная Эйнштейном аналогия неевклидовости пространства, в котором мы живем.

Научный мир принял открытие Эйнштейна. А спустя почти столетие принял объяснение рождения нашей Вселенной, предложенное Аланом Гутом (Alan Guth), предположившим отрицательную гравитацию /4/, т.е. вместо притяжения — гравитационное отталкивание масс в момент Большого Взрыва (Big Bang /5/). Никто никогда не наблюдал отрицательной гравитации, но в нее поверили, впрочем, как и в происхождение материальных объектов из ничего. Будучи физиком-теоретиком, специализирующимся в квантовой теории поля и хроматографии макромолекул (см. например, публикации /6,7/) автор сумел ограничиться в данной книге хорошо известными положениями классической, релятивистской, квантовой физики и космологии для объяснения различных явлений Природы, включая те из них, которые относятся ныне к разряду загадочных. Эти положения рассматриваются в книге под новым углом зрения, не отрицающим их существования, а объясняющим их, исходя из более глубокого понимания закономерностей Природы.

Автор стремился избегать математических выкладок, хотя считает, что физика без математики подобна армии без оружия. Чтобы не оставлять эту армию совершенно безоружной, неспособной убедительно подтвердить свою силу и аргументацию, пришлось всё-таки включить в текст несколько математических формул. Однако читатель, по своему образованию далекий от математики, может опустить их, перейдя сразу к следующим из них выводам. Более детальные математические выкладки вынесены в приложения.

Предлагаемый в книге подход к явлениям природы основан на экспериментальных фактах, а там, где их недостаточно, использует ряд общепринятых аксиом, т.е. истин, которые кажутся очевидными, но не могут быть строго доказаны. В подходе предлагается возможное объяснение возникновения и эволюции Вселенной, кратковременного появления в ней отрицательной гравитации после Большого взрыва, затем появление обычной гравитации, а спустя определенное время — возникновения отрицательного давления. Обсуждается природа времени и исследуется связь между его ритмом и эволюцией. Объясняется существование биологического времени и его зависимость от внешних условий и образа жизни. Рассмотрены взаимодействия между объектами в мире живой и неживой природы, включая психологические эффекты, связанные с сознанием человека. Много внимания уделяется медицинским аспектам состояния живого организма. Думается, эти разделы заинтересуют медиков и фармакологов и дадут толчок к развитию новых методов лечения различных заболеваний.

Если в психоанализе Зигмунда Фрейда /8/ многое в поведении человека уходит своими корнями в его раннее детство, то в данном подходе определяющим фактором выступает «энтропийный порядок», существующий в организме человека, в нашем обществе, его истории и в окружающей нас Природе. Данный подход выглядит предельно просто, но претендует на многое. Автор не стремился перегрузить его основополагающими примерами. Высказывание Антуана де Сент Экзюпери: «Совершенство достигается не тогда, когда нечего прибавить, а когда нечего отнять», — как нельзя лучше отражает его суть. Хочется верить, что этот подход найдет надлежащее понимание и у научной общественности, и у широкого круга читателей этой книги.

Введение

В естественных науках для описания закономерностей Природы широко используется асимптотический подход. Например, хорошо знакомая всем Евклидова геометрия построена (согласно Д. Гильберту /9/) на 20 аксиомах, самая известная из которых — аксиома о параллельных прямых, утверждающая, что они никогда не пересекаются.

В число аксиоматических принципов, которые будут использоваться в этой книге, входят Принцип причинности /10, 11/, Принцип Маха /12/, Принцип Ле Шателье /13/, Принцип наименьшего действия /14, 15/, Принцип суперпозиции /16/, Принцип относительности /17/, Корпускулярно-полевой формализм /18/ и три Начала термодинамики /19/.

Принцип причинности утверждает, что каждому явлению предшествует вызвавшая его причина. Все явления — следствия определенных причин и для двух событий, разделенных во времени, более раннее может оказать влияние на более позднее, но не наоборот.

Принцип Маха в его наиболее общей формулировке /5, 12/ постулирует, что локальные физические законы определяются крупномасштабной структурой Вселенной. Это означает, что процессы, происходящие в любой локальной области пространства, существенным образом зависят от процессов в более широкой области, а также от характеристик всей Вселенной, происходящих в ней процессов и связанных с ними изменений. Верно и обратное, т.е. процессы, происходящие в локальных системах, оказывают определенное влияние на состояние систем, частью которых они являются. Согласно Э. Маху /12/, любые изменения в какой-либо части Вселенной изменяют состояние всей Вселенной и оказывают соответствующее влияние на все ее части.

Любопытно, что ещё в 17м веке выдающийся математик и физик, Лейбниц, высказал созвучную с принципом Маха мысль: «Вселенная — это взаимосвязанное целое».

Альберт Эйнштейн неоднократно подчеркивал /20/, что принцип Маха сыграл немаловажную роль при создании общей теории относительности, в рамках которой все существующие материальные тела (от небольших объектов до галактик) постоянно взаимодействуют посредством своих гравитационных полей, заполняющих всю Вселенную.

Принцип Ле Шателье декларирует, что все системы в природе противятся каким-либо изменениям, к которым их вынуждают внешние воздействия. Т.е. при внешнем воздействии, выводящим систему из некоторого стационарного состояния, в системе возникают процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия.

Принцип наименьшего действия занимает в физике особое положение. Ему подчиняются все известные на сегодняшний день фундаментальные взаимодействия: электромагнитные, сильные, слабые и гравитационные. Из него следуют основные уравнения классической и квантовой механики, электродинамики, физики сплошных сред, квантовой теории поля, термодинамики и общей теории относительности (гравитации) /15, 21/. Согласно этому Принципу, все изменения в Природе должны быть такими, чтобы некоторая ее количественная характеристика (обычно связанная с энергией) оставалась (или, по крайней мере, стремилась остаться) минимальной. Принцип наименьшего действия, как бы говорит нам, что в Природе нет ничего лишнего, происходящие в ней процессы не дублируют друг друга, она экономна и для любой ее эволюции достаточно минимальных расходов энергии.

Принцип суперпозиции в общем случае утверждает, что при действии нескольких сил результат определяется их векторной суммой. В квантовой механике он отражает также тот факт, что объект может с определенной вероятностью находиться в различных состояниях, но только одно из них проявляется при соответствующем измерении. В принципе, также можно интерпретировать вероятность события в статистической механике и термодинамике.

Принцип относительности декларирует, что во всех системах материальных объектов, если они неподвижны или находятся в состоянии равномерного и прямолинейного движения, законы Природы одни и те же и физические процессы протекают одинаково, независимо от места расположения этих систем и времени их тестирования.

Все три Начала термодинамики являются аксиоматическими. Они не доказываются и основываются исключительно на экспериментальных фактах /16, 19/.

Первым Началом является Закон сохранения энергии, гласящий, что энергия не создается, не исчезает, а лишь переходит из одного вида в другой.

Второе Начало термодинамики утверждает, что называемая энтропией функция состояния изолированной термодинамической системы, выведенной из состояния равновесия под воздействием какого-либо необратимого процесса, всегда возрастает и определяет таким образом эволюцию системы

Третье Начало термодинамики (теорема Нернста) говорит, что при приближении температуры к абсолютному нулю (-273оС) энтропия равновесной системы не изменяется.

Следует отметить, что после введения Фарадеем и Максвеллом концепции электромагнитного поля в физику, а затем введения Эйнштейном гравитационного поля считается, что все электрически, магнитно, «гравитационно» или иным образом «заряженные» тела взаимодействуют посредством своих полей, каждое из которых представляет собой некую непрерывную среду, передающую «от точки к точке» силовое воздействие соответствующих зарядов друг на друга. Появление квантовой механики, а затем и ядерной физики внесло в концепцию поля существенное дополнение. Оказалось, что все физические поля состоят из квантов (фотонов, мезонов, еще не обнаруженных гравитонов, глюонов и других элементарных частиц), которые передают энергию поля между взаимодействующими объектами. Таким образом, появился «Корпускулярно-полевой дуализм»: с одной стороны, поле является сплошной средой, а с другой — средой, состоящей из дискретных квантов энергии. Этот дуализм, в отличие от хорошо известного Корпускулярно-волнового дуализма (суть которого в том, что луч света, как и пучок элементарных частиц, скажем электронов, демонстрирует волновые свойства в опытах по интерференции и дифракции, а в опытах по рассеянию ведет себя, как поток частиц, т.е. фотонов или электронов), практически не обсуждается в научной литературе, хотя он присутствует там самым непосредственным образом.

Оба названных дуализма являются реализацией двух основополагающих принципов: Принципа дополнительности /22/ и Принципа эквивалентности /23/, которые можно попытаться обобщить на широкий круг явлений следующим образом:

В определенных экспериментах одно и то же качество материальных объектов, может проявляться принципиально различными способами, которые не могут реализовываться и наблюдаться одновременно.

В квантовой механике и теории поля это проявляет себя в явлениях интерференции и рассеяния, а в теории относительности — в существовании гравитационной и инертной масс. В классической механике близкий к этому принцип работает во Втором законе Ньютона, где одно и то же качество проявляет себя либо как сила, либо как ускорение, а в Третьем законе Ньютона как действие и противодействие.

Для термодинамической системы таким качеством обладает изменение её свободной энергии, которое ответственно за эволюцию системы и может происходить либо путем энтропийных изменений, либо энтальпийных, либо и тех и других одновременно.

Корпускулярно-полевой формализм и перечисленные выше аксиоматические принципы будут применяться ко всем рассматриваемым в книге явлениям органического и неорганического мира. Такой подход основан на уверенности, что законы Природы являются общими для обоих миров, а органический мир лишь более организован, происходящие в нем процессы отличаются большей скоростью и поэтому он более изменчив и эволюционирует значительно быстрее мира неорганического.

Часть 1

Объяснение физических закономерностей Природы

I. Теоретические предпосылки применения термодинамического подхода к явлениям природы

1. Стохастичность и эволюция

«Необходимость прокладывает себе путь через множество случайностей».

Философская истина.

Объектом исследований в физике являются физические системы. Они состоят из материальных объектов. Когда физическая система (имеющая большое число степеней свободы), рассматривается как единое целое без привлечения характеристик составляющих ее объектов, ее называют термодинамической. К таким системам можно отнести твердые, жидкие и газообразные тела, отдельные макромолекулы, галактики, Вселенную. Любой объект живой природы, включая человека, также подходит под это определение.

Согласно Принципу Маха, все объекты Природы взаимосвязаны. Они оказывают друг на друга определенное влияние, независимо от разделяющего их расстояния. Т.е. они взаимодействуют. Удаленные объекты взаимодействуют слабее, соседние сильнее. Основной научной дисциплиной, описывающей взаимодействие материальных объектов является физика. В классической механике объекты взаимодействуют при непосредственном контакте. В электродинамике и общей теории относительности они воздействуют друг на друга посредством полей (электрического, магнитного, электромагнитного, гравитационного). В ядерной физике, квантовой механике и квантовой теории поля объекты взаимодействуют посредством квантов энергии, излучаемых в виде фотонов, глюонов, мезонов. Здесь работают сильные, слабые и электромагнитные взаимодействия. В термодинамике, статистической физике и квантовой механике, по сравнению с классической физикой, появляются дополнительные характеристики взаимодействия: термодинамические потенциалы, температура, свободная и внутренняя энергии, энтропия, волновая функция, а физические законы приобретают вероятностную (стохастическую) природу. Мы будем рассматривать, главным образом, термодинамические системы. Поэтому имеет смысл сразу дать определение их основных характеристик, упомянутых выше.

Под внутренней энергией Н термодинамической системы (часто называемой энтальпией) в контексте данной книги следует понимать энергию, включающую энергию массы покоя m0 системы, её кинетическую энергию mv2/2, количество тепла Q и энергию взаимодействия с силовым полем F, действующим в системе.

Свободная энергия G это — часть внутренней энергии системы, которая может быть использована для совершения работы. Она равна разности внутренней энергии H и произведения температуры системы T в абсолютной шкале на характеристику системы, называемую энтропией s и отражающею её состояние и тенденцию к эволюции.

G=H-sT (1)

В равновесном процессе энтропия равна количеству теплоты, полученному системой или отведенному от нее, деленному на температуру в абсолютной шкале, где ноль градусов достигается при -273 градусах Цельсия.

Энтропия устанавливает связь между макро и микро состояниями системы. Это единственная функция в физике, которая показывает направленность процессов. Поскольку энтропия является функцией состояния, то она не зависит от того, как осуществлен переход из одного состояния системы в другое, а определяется только начальным и конечным состояниями системы.

С другой стороны, что особенно важно для нас, энтропия характеризует, степень упорядоченности системы, степень ее однородности по всем параметрам. Чем больше система упорядочена (структурирована) и неоднородна, тем меньше ее энтропия. С точки зрения статистической физики, энтропия есть взятый с обратным знаком логарифм вероятности данного состояния системы (H-теорема Больцмана). Она является положительной счетно-аддитивной функцией, т. е. является суммой энтропий отдельных частей системы. Если изолированная система не находится в состоянии статистического равновесия, то с течением времени она переходит во все более равновесные, т.е. более вероятные состояния, характеризующиеся меньшей упорядоченностью, большей однородностью и более высоким значением энтропии. Этот закон возрастания энтропии является Вторым началом термодинамики. Однако, при этом стоит оговориться, что энтропия возрастает только в результате необратимых процессов, т.е. таких, которые нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния. Все реальные процессы необратимы из-за взаимодействия участвующих в них объектов /24/. Примерами могут служить диффузия, теплопроводность, радиоактивный распад и многие другие.

В общем случае, все системы, находящиеся в неравновесном состоянии, начинают эволюционировать. В ходе эволюции энтропия увеличивается, что приводит системы к более хаотическому состоянию. Однако, в неравновесных условиях, когда свободная энергия уменьшается за счет связанного с взаимодействием уменьшения внутренней энергии, возрастание энтропии может привести не только к деградации и хаосу, но и к порядку, организации и, в конечном итоге, к жизни. То есть неравновесное состояние может быть источником порядка, который порождается как «порядок из хаоса» /18/. В случае же, когда уменьшение свободной энергии обязано росту энтропии, а не уменьшению внутренней энергии, развитие идет по принципу «хаос из порядка». При этом энергии взаимодействия систем (или их подсистем) оказывается недостаточно для компенсации роста энтропии. Именно по этому принципу, идет общая эволюция нашей Вселенной, хотя в отдельных ее частях реализуется принцип «порядок из хаоса», приведший, в частности, к возникновению жизни на Земле.

Под состоянием термодинамической системы понимается набор всех ее параметров. Изменение хотя бы одного из них означает изменение состояния всей системы. Эволюция термодинамических систем изменяет эти параметры. Основным из них является величина свободной энергии системы. В равновесном состоянии она минимальна. Если же система каким-либо способом выведена из равновесного состояния, она стремится вернуться в него, понижая свою свободную энергию до присущего ей минимального значения. При этом, о термодинамической системе нельзя сказать, что она находится в том или ином состоянии. Вместо этого следует говорить о вероятности ее пребывания в данном состоянии и о вероятности перехода в другое состояние. Величина этой вероятности определяется соответствующим изменением свободной энергии, то есть изменением термодинамических характеристик системы, ее энтальпийной и энтропийной составляющих. Таким образом, эволюция любой термодинамической системы и Природы в целом имеет стохастический характер.

Это хорошо видно, на примере прогнозов погоды. Они не говорят нам, что будет дождь или снег, а сообщают лишь вероятность этих событий. И это происходит не из-за недостатка соответствующих данных или компьютерных возможностей, а из-за вероятностной реализации того или иного состояния Природы, связанного с энтальпийными и энтропийными изменениями в данной конкретной местности.

2. Общая тенденция в эволюции термодинамических систем

Как происходит эволюция изолированной термодинамической системы? Она стремится перейти в более вероятное состояние, уменьшая свободную энергию. Согласно Первому Началу термодинамики (Закону сохранения энергии), ее энергия должна оставаться постоянной и для изменения состояния у системы существует только одна возможность — увеличить свою энтропию (как требуется Вторым Началом термодинамики). А как это можно сделать? «Включить» физические, химические или какие-либо другие процессы, которые изменят ее состояние, увеличат значение энтропии всей системы и выравняют значение энтропии для каждой части системы. Но в основе всех процессов лежат взаимодействия между объектами, составляющими систему. Это — (так называемые) фундаментальные взаимодействия: гравитационные, электромагнитные, слабые и сильные (ядерные). Их следует рассматривать как вторичные, реализующие тенденцию к возрастанию энтропии и являющиеся дочерними от энтропийного взаимодействия между отдельными микро и макро частями системы.

Понятие энтропийного взаимодействия использовалось ранее в сослагательном наклонении. Например, макромолекулярные звенья как бы энтропийно отталкиваются друг от друга на близких расстояниях и энтропийно притягиваются на больших расстояниях /25, 26/. В современных научных подходах энтропийное взаимодействие рассматривается как реально существующее /18, 27—31/.

Под ним понимается взаимное влияние открытых термодинамических систем друг на друга путем передачи информации об их состояниях, согласованных изменениях энтропии и взаимного стремления к переходу в более вероятные состояния.

Энтропийное взаимодействие не является следствием существования какого-либо энтропийного заряда и сопутствующего поля. О нем нельзя сказать, что оно распространяется в пространстве «из точки в точку» и переносит энергию. Оно просто отражает определенный «порядок» в пространстве, его «структуру», «состояние» пространства и находящихся в нем физических систем, определяет энергию, поведение и эволюцию этих систем и всего пространства в целом. Энтропийное взаимодействие приводит к нарушению симметрии, изменению свободной энергии, энтропии и других характеристик физической системы. Под его влиянием изменение энтропии в любой части термодинамической системы становится одновременно изменением энтропии всей системы, т.е энтропийное взаимодействие является дальнодействующим /29/.

Полезно напомнить, что подход с дальнодействием использовался в теории Ландау для описания фазового перехода второго рода с использованием самосогласованного поля. Согласно этой теории, изменение симметрии в любой части системы приводит к изменению, мгновенно известному всем частям системы.

Подобный подход был использован методом Хартри-Фока в квантовой механике для решения уравнения Шредингера путем сведения многочастичной задачи к одночастичной задаче в предположении, что каждая частица движется в некотором однородном самосогласованном поле, созданном всеми другие частицы системы. При этом любое изменение состояния только одной частицы немедленно коррелирует с соответствующими изменениями состояний всех частиц системы. Другими словами, дальнодействие использовалось здесь для передачи соответствующей физической информации.

Другим примером дальнодействия в квантовой механике является квантовая запутанность. Обычно она рассматривается как следствие квантовой суперпозиции и является физическим явлением, которое возникает, когда пары или группы частиц генерируются или взаимодействуют таким образом, что квантовое состояние каждой частицы не может быть описано независимо от других, даже когда частицы разделены большим расстоянием. Вместо этого квантовое состояние должно быть описано для системы в целом и на изменение состояния любой части системы мгновенно реагирует вся система.

Эти примеры представляют собой реализацию энтропийного взаимодействия между различными частями соответствующей термодинамической системы.

Все системы, находящиеся в неравновесном состоянии, начинают эволюционировать. В ходе эволюции энтропия увеличивается, что приводит системы к более хаотическому состоянию. Однако, в неравновесных условиях, когда свободная энергия уменьшается за счет уменьшения внутренней энергии, возрастание энтропии может привести не только к деградации и хаосу, но и к порядку, организации и, в конечном итоге, к жизни. То есть неравновесное состояние может быть источником порядка, который порождается как «порядок из хаоса» /24, 32/.

В качестве примеров таких процессов можно привести явления интерференции и дифракции. В обоих случаях хаотичное распределение фотонов в луче света или каких-либо элементарных частиц в пучке, падающих на две близко расположенные щели или на одну из них, но достаточно узкую (независимо от ее формы), становится упорядоченным по другую сторону щелей (щели), формируясь в интерференционную (или дифракционную) картину, в которой строго чередуются максимумы и минимумы. Энтропия светового луча или пучка частиц при этом, естественно, уменьшается, как и их внутренняя энергия (уменьшение которой достаточно просто объясняется тем, что в результате специфического взаимодействия фотонов в луче или частиц в пучке в области минимумов соответствующие волны приходят в противофазах, т.е. гасят друг друга, а в области максимумов приходят в одинаковых фазах, где они складываются, усиливая друг друга). Причем, уменьшение внутренней энергии должно перекрывать уменьшение энтропии, чтобы в соответствии с уравнением (1) реализовывалась вероятность образования интерференционной или дифракционной картин.

Явление интерференции часто пытаются использовать для проверки одного из основополагающих принципов квантовой механики — Принципа Суперпозиции, понимая под ним возможность для квантово-механических объектов одновременного пребывания в различных состояниях. Луч света рассматривают при этом, как пучок частиц (фотонов), что, вообще говоря, некорректно. В соответствии с Корпускулярно-волновым дуализмом, в явлениях интерференции и дифракции свет проявляет только свои волновые свойства. Как пучок частиц, он ведет себя лишь в опытах по рассеянию. Волновые и корпускулярные свойства света, как и пучка частиц, никогда не проявляются одновременно, что декларируется Принципом Дополнительности Бора. Поэтому часто используемые рассуждения с одним фотоном, проходящим одновременно через две интерференционные щели и взаимодействующим при этом с самим собой, не допустимы с позиций этого Принципа и Корпускулярно-волнового дуализма.

В интерференционном опыте фотоны нельзя рассматривать как частицы, локализованные в определенных точках пространства. Они проявляют себя как волны, распространяющиеся в пространстве и распределенные в нем таким образом, что могут одновременно проходить через обе щели и взаимодействовать между собой.

Не следует забывать и о явлении дифракции, при котором свет или пучок частиц, проходя только через одну щель, дает упорядоченную картину, подобную интерференционной.

В связи со сказанным, Принцип суперпозиции в квантовой механике предпочтительней трактовать как возможность для объекта находиться в каждом наблюдаемом состоянии с определенной вероятностью, а не во всех состояниях одновременно, что устраняет парадокс, связанный с описанным выше истолкованием явления интерференции. Возможный переход объекта из одного состояния в другое следует квалифицировать, как проявление бифуркации /32/ в квантовой механике.

Используя энтропийное взаимодействие, все материальные объекты в Природе (включая человека и другие объекты органического мира) оказывают определенное влияние друг на друга, независимо от расстояния между ними, что можно рассматривать как расширенную интерпретацию принципа Маха /5,12,27/, а энтропийное взаимодействие как квинтэссенцию Вселенной, определяющую ее эволюцию. (Кстати, согласно Пригожину /32/, в переводе с греческого языка, «энтропия» (ἐντροπία) означает «эволюция».

Простейшими примером энтропийного взаимодействия является хорошо известный процесс теплопроводности. Нагревание какой-нибудь части теплопроводящего объекта (например металлического стержня) приводит к неравномерному распределению температуры и энтропии в различных частях объекта. Энтропийное взаимодействие между ними мгновенно передает им эту информацию и «включает» процесс теплопроводности, который приводит (через определенное время) к равномерному распределению температуры и увеличению энтропии объекта.

Любое внешнее воздействие вызывает возмущение термодинамической системы и связанное с ним структурирование. При этом, состояние системы, ее внутренняя энергия, энтропия и свободная энергия изменяются. Инерциальность природы, в соответствии с Принципом Ле Шателье, стимулирует в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты внешнего воздействия. Например, если в результате этого воздействия энтропийная составляющая свободной энергии системы уменьшилась, а величина свободной энергии (как явствует из уравнения (1)) соответственно увеличилась, то в системе, или какой-либо ее части, возникают процессы, стремящиеся уменьшить свободную энергию и вернуть ее начальную величину. Эти процессы приводят либо к увеличению энтропийной составляющей свободной энергии (т.е. произведения энтропии и температуры), либо к расходу внутренней энергии системы. Эта тенденция хорошо известна в термодинамике и без углубления в ее закономерности легко может быть получена из Принципа наименьшего действия, который является, как уже отмечалось, одним из ключевых положений современной физики. В Приложении 2 с его позиций детально рассмотрено поведение термодинамической системы, подвергающейся внешнему воздействию.

3. Диалектика эволюции

Эволюция термодинамических систем, являющаяся следствием изменения их свободной энергии, находится в полном согласии с тремя основными законами диалектики, сформулированными Гегелем.

Рассмотрим Закон единства и борьбы противоположностей, занимающий центральное место в диалектике и утверждающий, что каждое явление имеет два противоположных начала, которые по своей природе едины, но находятся в конфликте, являющимся источником развития. Для термодинамической системы явлением, о котором идет речь в этом законе, является изменение свободной энергии, а два противоположных начала — это изменения энтропии и внутренней энергии. Действительно, структурирование системы, связанное с уменьшением ее энтропии, приводит к увеличению свободной энергии. А связанное с (имеющим при этом место) взаимодействием уменьшение внутренней энергии системы уменьшает ее свободную энергию. То есть мы имеем здесь два конкурирующих начала, определяющих эволюцию системы.

Закон отрицания отрицания в диалектике показывает направление эволюции. Для термодинамической системы он диктует изменение ее состояния, то есть говоря языком диалектики, предыдущее состояние отрицается последующим с определенной вероятностью.

Закон перехода количественных изменений в качественные показывает как происходит эволюция. Известно, что состояния термодинамических систем подвергаются локальным квантовым флуктуациям, приводящим к бифуркациям /32/, в результате которых количественные изменения их энтропии и энергии могут привести к коренным качественным изменениям этих состояний.

Резюмируя, можно сказать, что эволюция происходит либо по принципу «хаос из порядка», либо по принципу «порядок их хаоса», в зависимости от того, как реализуются бифуркации, возникающие при коррелированных изменениях энтропии и внутренней энергии. То есть, эти два принципа «ведут себя диалектически»: они конкурируют между собой, отрицают друг друга и диктуют качественные изменения, при переходе термодинамических систем из одного состояния в другое.

4. Энтропийные взаимодействия

а. Теплопроводность и диффузия.

Теплопроводность и диффузия уже упоминались, как инструменты эволюции термодинамической системы. Они могут рассматриваться, как примеры реализации энтропийного взаимодействия между различными частями системы, когда равновесие между ними нарушено. Энтропия является разной в частях систем с разной температурой и составом, что делает состояние таких систем нестабильным. Энтропия каждой из них понижена по сравнению с их однородным состоянием. Стремление к стабильному состоянию реализуется посредством энтропийного взаимодействия различных частей этих систем и выражается в тенденции к увеличению энтропии и однородности систем согласно распределению тепла в одном случае и вещества в другом. Это взаимодействие «включает» в системах процессы теплопроводности и диффузии соответственно.

b. Термоядерная реакция.

Другим важным примером этой тенденции является термоядерная реакция. В ходе реакции два атома разных веществ объединяются, образуя более сложный атом другого вещества. Так происходит, например, образование атома гелия He из двух атомов водорода. Это происходит внутри нашего Солнца и является источником солнечной энергии. Энтропия системы, состоящей из двух атомов водорода, существенно уменьшается при образовании атома гелия. В результате свободная энергия G системы увеличивается, согласно уравнению (1). Но вероятность этого состояния очень мала. Чтобы увеличить ее и иметь стабильное состояние, система должна потерять часть приобретенной свободной энергии. Она делает это, испуская электромагнитное излучение (тепло и свет), часть которого приходит от Солнца на нашу планету. В принципе, процесс образования гелия аналогичен замораживанию любой жидкости. Энтропия жидкости уменьшается во время замерзания, а образующийся лед излучает соответствующее тепло в окружающее пространство.

c. Стабилизация температуры помещений

Одним из примеров использования энтропийного взаимодействия между различными частями одной термодинамической системы может служить стабилизация температуры помещений.

Пусть в комнате находится сосуд с жидкостью, который вместе с окружающим его воздухом можно рассматривать, как одну термодинамическую систему. И пусть по какой-то причине температура воздуха в комнате понизилась ниже температуры замерзания этой жидкости. Что при этом произойдет? Прежде всего, с понижением температуры воздуха понизятся его энтропия и энтропия системы: воздух-жидкость. Поскольку энтропия жидкости при этом не изменилась, система будет выведена из состояния равновесия. В соответствии с Принципом Ле Шателье, в ней должны стартовать процессы (или хотя бы один процесс), стремящиеся вернуть ее в равновесное состояние. В данном случае одним из таких процессов будет замерзание жидкости. При образовании льда энтропия жидкости уменьшится. Однако при этом нарушится баланс энтропии и внутренней энергии жидкости. Для восстановления этого баланса, замерзая, жидкость отдаст часть своей внутренней энергии, т.е. тепло, окружающему ее воздуху. Температура последнего и его энтропия повысятся и вся система: жидкость-воздух, вернется в первоначальное стабильное состояние.

При повышении температуры воздуха в комнате выше точки таяния жидкости, работает противоположный процесс. Энтропия воздуха повышается. Лед ранее замерзшей жидкости тает, повышая свою энтропию, забирает у окружающего воздуха избыточное тепло и понижает его температуру. В результате, первоначальное стабильное состояние восстанавливается.

Замерзание жидкости и таяние льда рассматриваются в классической термодинамике, как результат теплообмена жидкости с окружающей средой. Происходящие при этом энтропийные изменения считаются вторичными и трактуются как следствия этого теплообмена. На самом же деле, энтропийные изменения предшествуют упомянутому теплообмену. Как только энтропия воздуха, окружающего жидкость, изменилась, одновременно изменяется и энтропия всей системы: жидкость-воздух. Это значит, что информация об изменении энтропии воздуха становится мгновенно известной данной жидкости, благодаря энтропийной сигнальной системе. которую следует ввести в употребление для всех аналогичных случаев. И уже, как результат полученной таким образом информации и связанного с ней энтропийного взаимодействия между жидкостью и воздухом, система эволюционирует. В ней начинается теплообмен, приводящий к замерзанию или таянию жидкости и соответствующему изменению энтропии.

c. Консервация энергии

Рассмотренный теплообмен используется при охлаждении и отоплении помещений без затрат энергии. Наиболее доступными и дешевыми для этих целей являются растворы гидратов солей. Их температура замерзания/таяния существенно зависит от концентрации раствора. С ростом концентрации она растет, и диапазон ее изменения лежит между 0oС и 40oС. В то же время, соответствующее изменение энтальпии, т.е. излучение или поглощение тепла, для этих растворов является очень высоким. Например, для фосфата натрия, содержащего 12 молекул воды Na2HPO412H2O, энтальпия таяния при температуре 35o С равна 280 кДж/кГ. Тепла, выделяющегося при замерзании 1 кГ этого раствора, достаточно, чтобы нагреть, а поглощаемого при таянии, охладить воздух на 1 градус Цельсия в помещении площадью 100 квадратных метров и высотой 3 метра.

Подбирая концентрацию раствора, можно понизить температуру таяния/замерзания до комфортной, скажем 23oС. Тогда понижение температуры в холодное время суток (или сезона) можно компенсировать присутствием в помещении нескольких «батарей», содержащих, скажем, по 10 кГ раствора фосфата натрия. Соответственно, в теплое время, когда температура будет повышаться выше 23oС, раствор начнет таять и забирать тепло, т.е. охлаждать помещение.

Рассмотренное явление используется в тропических странах (например, в Индии) для охлаждения и обогрева жилых помещений. Его было бы неплохо использовать для поддержания постоянной температуры на промышленных предприятиях, например в помещениях атомных электростанций, что снизило бы возможность возникновения аварийных ситуаций, связанных с повышением температуры. При этом нет необходимости в использовании каких-либо датчиков температуры, которые при определенных условиях могут выйти из строя.

d. Прогноз погоды

Стохастический характер изменения состояний термодинамических систем отнюдь не связан с неполнотой наших знаний о них. Его суть — в вероятностной природе реализующихся здесь физических законов. Это наглядно иллюстрируется, например, в прогнозах погоды, которые мы получаем ежедневно. Когда нам обещают дождь с вероятностью 70%, это не значит, что метеорологи имеют недостаточно информации о состоянии атмосферы. Последняя является термодинамической системой и изменение ее состояния, ее эволюция, в принципе, являются следствием вероятностной природы состояния атмосферы, хотя и рассчитываются на практике из других соображений.

То же самое можно сказать и о поведении любого индивидуума и о событиях, сопровождающих его жизненный путь. Например, несмотря на четкий план, которым он руководствуется, он может опоздать к намеченному сроку из-за дорожных происшествий на его пути, неожиданного изменения расписания поездов или каких-либо иных случайностей. Однако при определенной настойчивости, его намерение все-таки оказаться в запланированном месте может осуществиться. Помните вынесенную в эпиграф фразу, что необходимость прокладывает себе путь через толпу случайностей? Так вот, это происходит сплошь и рядом в повседневной жизни.

Наблюдаемое поведение таких термодинамических систем, как идеальный газ или разбавленные растворы низкомолекулярных веществ и гибкоцепных макромолекул, является прекрасной иллюстрацией энтропийных взаимодействий на молекулярном уровне. Случайные процессы, происходящие в этих системах, реализуют энтропийные взаимодействия и направляют эволюцию систем в таком направлении, чтобы они переходили в более вероятные (и более равновесные) состояния.

5. Гибкоцепные макромолекулы

Рисунок 2. Иллюстрация полипептидной макромолекулы

Макромолекулы состоят из большого числа молекул малой молекулярной массы, которые можно рассматривать, как многократно повторяющиеся звенья одной макромолекулярной цепочки. Число этих звеньев может достигать десятки и сотни тысяч, а то и миллионы единиц.

В случае гибкоцепных макромолекул в идеальных разбавленных растворах энтропийное взаимодействие звеньев макромолекулы проявляется как энтропийное отталкивание для соседних звеньев и как притяжение для удаленных. Реализуется это взаимодействие посредством случайного блуждания звеньев. Этот факт используется при расчетах энтропии макромолекул в, так называемых, решетчатых моделях /25,33,34/, где растворитель моделируется правильной решеткой, каждая клетка которой вмещает одну его молекулу или одно звено макромолекулярной цепочки, как показано на следующем рисунке.

Рисунок 3. Схематическое изображение

макромолекулярной цепи в решетке растворителя /25/.

Случайное блуждание звеньев макромолекулы, реализующее их энтропийное взаимодействие, происходит под воздействием импульсов, получаемых макромолекулярными звеньями от столкновения с молекулами растворителя, которые, в свою очередь, также находятся в непрерывном случайном блуждании, вызванным их электромагнитным излучением в инфракрасном диапазоне. При этом, фотоны излучаются молекулами растворитель хаотично во всех направлениях. Реактивная отдача (эффект Мёссбауэра /35/) заставляет эти молекулы двигаться в обратном направлении. Помимо излучения, происходит и поглощение фотонов, излученных соседними молекулами растворителя и обладающих, так называемой, резонансной энергией (близкой по величине энергии, излученных фотонов). Поглощая эти фотоны, молекулы растворителя получают соответствующий импульс, векторно складывающийся с импульсом, который они имеют в момент поглощения.

Молекулы растворителя распределены в макромолекулярном растворе неравномерно. В области между звеньями макромолекул, оказавшихся достаточно близко друг к другу, плотность молекул растворителя выше, чем между удаленными звеньями (за счет молекул растворителя, сольватированных на макромолекулярных звеньях) и поэтому суммарный импульс, получаемый соседними звеньями при поглощении фотонов, направлен вне этой области. Для удаленных звеньев — ситуация противоположная. В результате, в то время, как под действием импульсов от излученных и поглощенных фотонов близлежащие звенья удаляются друг от друга (будем говорить: «энтропийно отталкиваются»), удаленные сближаются, и энтропия макромолекул и всего раствора повышается. В результате, звенья распределяются в пространстве таким образом, что их плотность максимальна в геометрическом центре макромолекулы и экспоненциально убывает по мере удаления от него. Так что, гибкоцепной макромолекуле можно сопоставить некую среднюю конформацию, средний размер и среднюю форму, которые в значительной мере определяются энтропийными эффектами /25, 26/. При этом, изменение положения любого звена означает одновременное (мгновенное) изменение конформации, энтропии и вместе с ней свободной энергии всей макромолекулы.

То есть, изменение термодинамического состояния на каком-либо участке системы является одновременно и изменением состояния всей системы, в то время как дочерние процессы, вызванные этим изменением (в данном случае: электромагнитное излучение, случайное блуждание молекул растворителя, передача импульсов макромолекулярным звеньям), требуют некоторого промежутка времени для их старта и реализации.

Многие закономерности, проявляющиеся в идеальных газах и разбавленных растворах низкомолекулярных веществ также могут быть объяснены, как результат энтропийного взаимодействия молекул. Оно проявляется как взаимное отталкивание или притяжение молекул, осуществляемое за счет сил Ван дер Ваальса /36/, «включаемых» энтропийным взаимодействием молекул.

Следует отметить, что как и в случае с макромолекулами, на хаотичное движение этих молекул накладывается влияние их распределения в пространстве. Если это распределение неоднородно, то в результате излучения и поглощения фотонов молекулы, продолжая «блуждать», будут предпочтительно двигаться в направлении областей, где их плотность меньше, и где свободных мест в пространстве больше. Следствием этого является их более однородное распределение в пространстве и рост энтропии для всей их совокупности. Т.е. можно сказать. что молекулы газа или раствора, (как и любые другие материальные объекты) энтропийно отталкиваются от областей с высокой плотностью их распределения, стремясь попасть в области с меньшей плотностью.

Если принять во внимание гравитационное (или любое другое) взаимодействие между молекулами, приводящее к их взаимному притяжению, принципиально ничего не изменится. Энергия притяжения-отрицательна. Она уменьшает величину энтальпии, а следовательно, и свободной энергии, переводя совокупность рассматриваемых молекул в более вероятное состояние. Если сила этого притяжения больше силы энтропийного отталкивания, материальные частицы (при отсутствии других сил) сближаются. В противном случае они отталкиваются и удаляются друг от друга.

Из ядерной физики известно, что нейтроны в атомных ядрах на малых расстояниях (значительно меньших 10—13см) отталкиваются друг от друга в то время, как на более дальних расстояниях (порядка 10—13см) характерное для них сильное взаимодействие приводит к их взаимному притяжению.

Общая тенденция к возрастанию энтропии диктует стремление к равномерному распределению молекул в термодинамической системе. Отсюда для ограниченных объемов и следует отталкивание молекул (и любых других материальных объектов) друг от друга на близких расстояниях и их притяжение на дальних. Если объекты распределены в неограниченном пространстве, их энтропийное отталкивание превалирует над гравитационным притяжением, что приводит к непрерывному расширению любого газового облака и всей нашей Вселенной в целом.

6. Квантовая запутанность

Энтропийное взаимодействие и связанный с ним энтропийный способ передачи информации, как мы уже упоминали, могут быть использованы для объяснения явления квантового сцепления (запутанности, quantum entanglement) /37—44/. Это явление наблюдается, когда квантовые состояния пространственно разделенных частиц, являющихся сцепленными (запутанными) частицами (entangled particles), мгновенно изменяются (строго определенным образом) при изменении состояния одной из них. Измеряемой характеристикой состояния могут быть пространственные координаты частиц, их импульсы, моменты, поляризация и т. п. При этом, когда в эксперименте изменяется характеристика одной из сцепленных (запутанных) частиц, например, собственный механический момент (спин) ориентируется в направлении часовой стрелки и одновременно измеряется спин другой сцепленной (запутанной) частицы, то последний всегда оказывается ориентированным против часовой стрелки. Эта корреляция наблюдается происходящей мгновенно вслед за первым изменением, т.е. одновременно с ним и независимо от расстояния, разделяющего эти запутанные частицы. Такое поведение естественно следует из формализма квантовой механики, но невозможно с точки зрения классической физики, что вызвало в своё время (1935 год) резкую дискуссию между Эйнштейном и Бором /38/.

Рисунок 4. Альберт Эйнштейн и Нильс Бор,

обсуждающие проблему квантовой запутанности.

В квантовой механике это считается следствием квантовой суперпозиции и является физическим явлением, которое возникает, когда пары или группы частиц образуются или взаимодействуют таким образом, что квантовое состояние каждой частицы не может быть описано независимо от других, даже когда частицы разделены большим расстоянием. Вместо этого квантовое состояние должно быть описано для системы в целом.

Многочисленные эксперименты, проведенные с тех пор /40,44/, с большой достоверностью подтвердили выводы квантовой механики. Одно из последних подтверждений было сделано в недавних экспериментах, проведенных в Нидерландах международной группой ученых во главе с доктором Б. Хенсеном (B. Hensen /43/). Результаты экспериментов были опубликованы online 21 Октября 2015 года в письме в редакцию под названием «Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometers». Более того, ранее было показано, что информация об изменении состояния одного из запутанных объектов становится мгновенно известной другому объекту (или группе других объектов), не только в случае, когда этими объектами являются элементарные частицы (фотоны, электроны и т.п.), но и молекулы размера фуллеренов (buckyballs), состоящих из 64 атомов углерода, /42,44/ и даже небольших алмазов.

С позиций термодинамического подхода, излагаемого в данной книге, запутанные частицы образуют одну термодинамическую систему. Каждая из этих частиц является частью этой системы. При изменении состояния частицы, меняется ее энтропия. Одновременно это является и изменением состояния (энтропии) всей системы, т.е. всех остальных входящих в систему запутанных частиц или объектов, которые мгновенно реагируют на это изменение соответствующим образом.

В принципе, все объекты природы, являющиеся открытыми термодинамическими системами, могут рассматриваться как запутанные. Необратимое изменение состояния любого из них изменяет энтропию данного объекта и в то же время и энтропию, а следовательно и состояние, всей совокупности рассматриваемых объектов. Т.е. можно сказать, что необратимые изменения любой открытой термодинамической системы одновременно приводят, согласно принципу Маха, к соответствующим изменениям всей Вселенной. Именно такая трактовка принципа Маха представляется нам предпочтительной.

Некоторой модельной аналогией запутанных объектов в классической физике могут послужить обычные рычажные весы. Опускание одной из их чаш под действием гирьки «мгновенно» приводит к подъему другой чаши.

7. Хроматография макромолекул

Обращаясь еще раз к примеру с макромолекулами, следует отметить не только взаимное отталкивание или притяжение их звеньев, но и энтропийное взаимодействие, в котором макромолекула участвует, как единый объект. Если в раствор поместить непроницаемую для макромолекулярных звеньев мембрану, то вероятность нахождения макромолекул вблизи мембраны оказывается меньше, чем на значительном расстоянии от нее. В пространстве между двух таких мембран, помещенных параллельно друг другу на некотором расстоянии, вероятность нахождения там макромолекул будет значительно меньше, чем в свободном от мембран растворе (где она равна единице) /45/.

В Приложении 3 показано, чем уже пространство между мембранами, тем меньше вероятность нахождения там макромолекулы. Вероятность обнаружения звеньев макромолекулы вблизи стенок всегда меньше, чем на удалении от них. Таким образом, можно сказать, что макромолекула как бы энтропийно отталкивается от стенок (непроницаемых мембран).

Многие из нас ощущают дискомфортность, находясь в закрытом помещении небольшого размера. У некоторых эта дискомфортность доходит даже до патологической боязни, рассматриваемой в медицине, как заболевание клаустрофобией (из-за чего эти люди не могут, например, служить на подводных лодках). К той же категории ощущений относится и инстинктивное желание, находясь за рулем, держаться подальше от машин, движущихся по соседней полосе на дороге, или от ограждения, идущего вдоль нее. Это следует классифицировать как проявление энтропийного отталкивания.

Напрашивается сказать, что гибкоцепная макромолекула, попадая в ограниченное пространство, соизмеримое с ее размерами, как и мы, испытывает дискомфорт. Это очень наглядно проявляется в процессе жидкостной хроматографии. Здесь происходит разделение веществ по размерам их молекул, молекулярной массе и взаимодействию с поверхностью пористых частиц сорбента, вдоль которых происходит движение вместе с потоком растворителя. Когда макромолекула попадает в доступную для нее по размерам пору, она задерживается там на некоторое время и отстает от потока. В порах энтропия молекулы понижена, как и в пространстве между мембранами (из-за меньшего числа возможных там комформаций). Это уменьшение энтропии тем больше, чем больше размеры молекулы и меньше размеры пор, что приводит к соответствующему уменьшению вероятности попадания в поры (т.е. макромолекула «стремится избежать попадания в поры»).

С другой стороны, возможность адсорбционного взаимодействия с поверхностью пор, проявляющегося в притяжении и образовании временных контактов, уменьшает внутреннюю энергию молекул, так как энергия притяжения отрицательна. Величина адсорбционного взаимодействия тем больше, чем больше молекулярная масса макромолекул. Уменьшение внутренней энергии увеличивает вероятность попадания в поры, а уменьшение энтропии увеличивает ее. Складываясь, эти изменения дают результирующее увеличение или уменьшение свободной энергии, что и определяет, в конечном счете, вероятность (а следовательно, и частоту) попадания в поры. Чем чаще молекула попадает в поры и дольше там задерживается, тем медленнее она движется вдоль сорбента с потоком растворителя.

В соответствии с этим, если при попадании молекулы в пору энтропийное взаимодействие превалирует над энтальпийным (т.е. уменьшение энтропии больше, чем уменьшение внутренней энергии), то молекулы больших размеров реже попадают в поры и движутся вдоль сорбента быстрее, чем молекулы меньших размеров. В противном случае картина меняется на обратную. Это хорошо видно на рисунке, который демонстрирует результат тонкослойной хроматографии полистиролов на силикагеле в трехкомпонентном растворителе: циклогексан-бензол-ацетон. Варьируя состав растворителя, можно изменять величину адсорбционного взаимодействия полистирольных макромолекул с внутренней поверхностью силикагеля. На рисунке мы видим пять пластинок с силикагелем. На каждую из них были нанесены (на одной линии в нижней части) небольшие количества образцов полистирола в порядке увеличения их молекулярного веса слева направо. Пластинки были помещены вертикально в сосуды с разным составом растворителя так, чтобы смачивался только их нижний край. Растворитель двигался вдоль пластинок по капиллярам между частицами силикагеля снизу вверх, увлекая за собой полистирольные макромолекулы.

Рисунок 5. Тонкослойная хроматография полистирольных макромолекул с варьируемым составом растворителя /46/.

На крайней левой пластинке адсорбционное взаимодействие превалировало над энтропийным, большие макромолекулы задерживались в порах дольше, и маленькие молекулы двигались вдоль пластинки значительно быстрее больших.

На следующей пластинке адсорбционное взаимодействие было уменьшено изменением состава растворителя, но все еще играло более значительную роль, чем энтропийное. Скорость движения больших молекул увеличилась, хотя она оставалась меньшей, чем для маленьких.

На третьей (центральной) пластинке энтальпийные и энтропийные взаимодействия полностью компенсировали друг друга и все молекулы независимо от их молекулярной массы двигались с одной скоростью. «Энтропийный дискомфорт» макромолекул при их попадании в поры нивелировался адсорбционным взаимодействием, приводящим к потере внутренней энергии.

На четвертой и пятой пластинках уже энтропийное взаимодействие стало превалирующим и большие молекулы стали опережать малые при движении вдоль пластинок.

Эффект, показанный на этом рисунке, был открыт одним из авторов с коллегами в 1974 году /46/ и затем лег в основу, так называемой, критической хроматографии макромолекул.

II. Коррелированные изменения энтропии и внутренней энергии, как движущий фактор природных процессов

1. Соударение тел

Рассмотрим в качестве системы какое-либо произвольное тело. И пусть внешним воздействием будет удар по этому телу. Допустим, что в результате удара рассматриваемое тело деформировалось и стало неоднородным по плотности. Это значит, что на его первоначальную структуру наложилась дополнительная структура, и за счет этого энтропия тела уменьшилась. Но в результате удара тело получило определенную энергию. Если это тело обладает теплопроводностью, то его температура и энтропия при этом должны были увеличиться так, что произведение энтропии на температуру, если и изменилось, то не столь значительно, как если бы произошло лишь уменьшение энтропии. Тело при этом получило некоторое количество тепла, т.е. его энтальпия возросла. При этом, увеличилась свободная энергия тела. Для возвращения в состояние, близкое к исходному, приобретенное таким образом тепло должно излучиться в окружающее пространство, а деформация (при наличии упругости) ликвидироваться (по крайней мере частично).

Рассмотренный процесс является простейшим примером взаимно коррелированных изменений энтропийной и энергетической составляющих свободной энергии системы под действием внешних сил. Аналогичным образом могут быть рассмотрены прямой пьезоэлектри́ческий эффе́кт, т.е. эффект возникновения поляризации анизотропного кристаллического диэлектрика под действием механических напряжений, и обратный пьезоэлектрический эффект — возникновение механических деформаций под действием электрического поля /47/. В обоих случаях изначальная симметрия кристаллов нарушается в результате деформации электронных оболочек и смещения соответствующих атомов. Т.е. в структуре кристаллов появляется возмущение, уменьшающее их энтропию и повышающее энтальпию. Кристаллы выходят из состояния термодинамического равновесия. В соответствии с Принципом Ле Шателье, в них стартуют процессы, направленные против происходящих изменений. Что это за процессы?

2. Прямой пьезоэлектрический эффект

При прямом пьезоэлектри́ческом эффе́кте в кристаллах (как результат деформации электронных оболочек и смещения соответствующих атомов) появляется разность потенциалов и связанное с ней электрическое поле, продуцирующее электрический ток. Внутренняя энергия кристаллов (т.е. их энтальпия) при этом увеличивается, а энтропия уменьшается. В соответствии с уравнением (1), свободная энергия возрастает и кристаллы оказываются в неравновесном состоянии. Их стремление вернуться в равновесное состояние приводит к продуцированию электрического тока, с прохождением которого механические деформации исчезают, энтропия повышается, энтальпия понижается и кристалл возвращается в равновесное состояние.

3. Обратный пьезоэлектрический эффект

При обратном пьезоэлектри́ческом эффе́кте возмущение, вызванное электрическом полем, гасится соответствующими механическими деформациями.

Пьезоэлектрический эффект с недавнего времени стал использоваться, как способ получения дешевой электроэнергии. Для этого под асфальтовым покрытием дороги устанавливают кристаллические элементы, деформирующиеся под весом проезжающих автомобилей. Возникающая в кристаллах этих элементов разность электрических потенциалов используется для получения электроэнергии.

4. Отсутствие коллапса атомов и нейтронных звезд

Одним из впечатляющих проявлений энтропийного отталкивания может служить отсутствие коллапса атомных ядер (в микромире) и нейтронных звезд (в макромире). Возможно, без энтропийного отталкивания материальных частиц на близких расстояниях вся материя в результате коллапса превратилась бы в черные дыры.

5. Химический процесс растворения веществ

В качестве движущей силы химического процесса растворения веществ опять же выступает энтропийное взаимодействие и вытекающая из него тенденция к возрастанию энтропии при одновременной минимизации внутренней энергии. Процесс растворения веществ сводится к взаимодействию их молекул с молекулами растворителя. При этом энтропия раствора и его внутренняя энергия (часть которой, связанная с этим взаимодействием, является отрицательной) понижаются таким образом, что свободная энергия также становится меньше. Т.е. процесс растворения является энергетически выгодным. Детальное изложение этого дано в Приложении 5.

6. Явление осмоса

Явление осмоса и связанного с ним осмотического давления также можно рассматривать как следствие энтропийного взаимодействия, в результате которого распределение молекул раствора по обе стороны полупроницаемой мембраны стремится выравняться и тем самым повысить величину энтропии раствора и понизить его свободную энергию.

7. Газовые законы термодинамики.

Энтропийное взаимодействие лежит в основе газовых законов термодинамики, переходов вещества из одного агрегатного состояния в другое, фазовых переходов, объясняет многие закономерности статистической физики, рассматривается как причина гравитации.

8. Фазовые переходы

Фазовые переходы, или, менее обще, переход веществ из одного агрегатного состояние в другое, используются для получения тепла, его поглощения и консервации, создания теплоизоляционных материалов. Как мы видели, эта возможность обусловлена изменением энтропии при фазовых переходах и стремлением свободной энергии оставаться неизменной за счет соответствующего изменения внутренней энергии.

9. Определение энтропийных взаимодействий.

Перечисление примеров, в которых участвует энтропийное взаимодействие практически неограничено. Введение этого понятия выглядит естественным для всех явлений Природы. Его следует рассматривать как квинтэссенцию Мироздания и понимать как взаимное влияние открытых термодинамических систем на состояние друг друга посредством изменения своей суммарной энтропии при изменении энтропии одной из них. Следствием энтропийного взаимодействия является последующий переход всей совокупности этих систем в более вероятное состояние, который совершается через посредство фундаментальных физических взаимодействий: гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого, являющихся дочерними от энтропийного взаимодействия и реализующих его.

Для лучшего понимания сути энтропийного взаимодействия можно воспользоваться следующим примером. Вы находитесь в одной термодинамической системе со всем, что вас окружает. Представьте, что у вас появилось желание совершить некоторое действие, например, передвинуть какой-нибудь предмет, разжечь огонь в камине или посадить дерево во дворе. И вы делаете это. А первопричиной этих действий является ваше желание совершить их. Без желания не было бы и действий. Появление любого желания приводит к определенному структурированию на соответствующих участках вашего мозга. Энтропия этих участков (как и всего мозга, вашего организма и вашего окружения) понижается. Вся эта система выходит из равновесного состояния, но стремится вернуться в него. Это происходит либо при выполнении желания, либо при отмене его. То есть, все происходит, как и в общем случае: изменение энтропии в какой-либо части термодинамической системы является первопричиной «включения» в системе процессов, стремящихся сохранить ее status quo, восстановить прежнее значение энтропии в этой части системы, или, по крайней мере, изменить энтропию на другом участке системы так, чтобы ее суммарная величина для всей системы приблизилась к первоначальной.

Позже с позиций энтропийного взаимодействия будут рассмотрены образование Вселенной и развитие органической жизни на нашей планете. А сейчас, проведем краткий экскурс в хорошо знакомый нам процесс в живой природе. Рассмотрим, что происходит при тривиальном ударе по живой ткани, например при ударе по телу человека (которое, как мы уже говорили, в принципе, можно рассматривать как термодинамическую систему). В месте удара однородность ткани на теле нарушается, ткань «дополнительно структурируется», на ней дополнительно к старой (как бы «поверх нее») возникает новая структура — «структура ушиба». Энтропия травмированного таким образом участка тела уменьшается, как и энтропия всего тела, как целого (вследствие счетно-аддитивного характера энтропии). В соответствии с принципом Ле Шателье, в теле начинают происходить процессы, противоборствующие уменьшению его энтропии, связанному со структурированием, вызванным ударом. В результате этих процессов организм направляет к месту травмы дополнительное количество крови, лимфы и определенных веществ. В области травмы появляется опухоль, повышается температура и постепенно «структура ушиба» начинает «таять». Организм тратит часть своей внутренней энергии (энтальпию) на эти процессы, цель которых привести к ликвидации последствий травмы, связанной с ударом, привести к заживлению травмы. В конечном счете, «структура ушиба» исчезает, энтропия и температура восстанавливаются, как и энергия (за счет подпитывания извне).

С точки зрения энтропийных возмущений можно рассмотреть любое заболевание человека. Пусть это будет простуда, например ангина. В горле возникает дополнительная структурируемость, неоднородность. Энтропия уменьшается, и организм тратит энергию, т.е. энтальпию, на стимулирование биохимических процессов, ведущих к ликвидации этого дополнительного структурирования: появляется нарыв, повышается температура и так далее. Больной выздоравливает, но при этом слабеет (тратит энергию), и для полного восстановления исходного состояния требуется некоторая энергетическая «подпитка» извне.

Более обще можно сказать, что все заболевания связаны с определенным уменьшением энтропии, вызванным появлением некоторых неоднородностей тканей, их дополнительной структурированностью. В процессе излечения эти неоднородности и структурированность ликвидируются и энтропия повышается.

Исходя из этого, можно ожидать излечения любого заболевания, если в организме больного удается с помощью внешнего воздействия включить механизм, повышающий энтропию больного органа. Суть этого механизма — в активизации защитной реакции иммунной системы. Думается, что, именно, так работают все иммунотропные лекарства, хотя их создатели даже не задумывались об энтропийном эффекте, лежащем в их основе.

В заключение следует еще раз сказать, что энтропийные взаимодействия лежат в основе всех природных процессов, происходящих как в живой, так и в неживой Природе. Примерам их проявления посвящены последующие разделы.

III. Энтропия и время

Взаимосвязь изменения энтропии и времени

в природных процессах.

«Ускорение темпа роста энтропии приводит к более интенсивному жизненному процессу.»

Эрвин Шредингер

Поскольку величина энтропии, наряду с другими характеристиками, определяет состояние выбранной термодинамической системы, а изменение энтропии задает вероятность перехода этой системы со временем из одного состояния в другое, естественным выглядит вопрос о существовании возможной корреляции между ходом времени и изменением энтропии. Вопрос о возможности такой корреляции возник сразу после введения в термодинамику и статистическую физику понятия энтропии. Предпосылкой для этого послужили однонаправленность времени, расширение Вселенной и наблюдаемое возрастание энтропии со временем для всех изолированных термодинамических систем. Одновременно вновь всплыл вопрос об определении сути времени, волновавший еще древнегреческих философов.

Мне нравится определение времени, данное физиком и философом Эрнстом Махом /12/: «Время является абстракцией, к которой мы приходим, наблюдая изменение объектов Природы». В этом коротком и предельно емком определении времени, содержится глубокий смысл. Во первых, утверждается, что время является абстрактным понятием и не представляет собой некой сущности. Во вторых, оно характеризует лишь изменение состояния объектов природы.

Для определения времени в повседневной практике используется так называемое «астрономическое время» (ephemeris time), которое измеряется числом оборотов Земли вокруг Солнца. Более короткий интервал времени отмеряют обороты Земли вокруг своей оси. А число, равное 9 192 631 770 периодам электромагнитного излучения, возникающего при переходе между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 определяет интервал времени, равный 1 секунде. (Один год содержит, примерно, 3.14x107sec.)

Т.е. время представляет собой способ оценки и сопоставления скоростей происходящих в природе процессов. Когда мы говорим о длительности этих процессов, мы имеем в виду какую часть оборота вокруг Солнца (или вокруг своей оси) успела завершить Земля в течение этих процессов. А поскольку любой процесс, происходящий в той или иной системе (объекте или Вселенной в целом), по определению, изменяет состояние этой системы, время является параметром, с возрастанием которого происходит это изменение. При этом, под состоянием, как мы уже говорили, следует понимать набор всех возможных характеристик, присущих системе. Отсутствие каких-либо изменений означает отсутствие течения времени.

Рассмотрим как ведет себя энтропия в термодинамических системах. Выберем в качестве одной из таких систем сферически симметричное расширяющееся газовое облако. И пусть оно начинает двигаться, как целое, в некотором избранном направлении, продолжая расширяться, т.е. увеличивая свою энтропию. Если мы будем двигаться вместе с облаком в том же направлении и с той же скоростью (т.е находиться в одной системе отсчета вместе с облаком), мы будем наблюдать симметричное расширение облака. Т.е. это будет сфера, увеличивающаяся в размерах. Однако, если мы остановимся (займем положение в покоящейся системе отсчета), a облако будет продолжать двигаться, мы будем наблюдать его, как деформированную сферу, сплюснутую сзади и вытянутую спереди. Причем, эта деформация будет все время увеличиваться, поскольку обращенная к нам (т. е. задняя) поверхность сферы движется в направлении от нас со скоростью движения центра сферы, уменьшенной на величину скорости расширения сферы. Передняя же поверхность сферы движется, соответственно, с большей скоростью. Наблюдаемая в нашей системе отсчета деформация облака приводит к уменьшению его энтропии. В то же время, продолжающееся расширение облака приводит к возрастанию его энтропии. Алгебраически складываясь, эти энтропийные изменения приводят к меньшему, т.е. более медленному возрастанию суммарной энтропии облака.

Заметим, что аналогичным образом ведет себя время в Частной Теории Относительности, в соответствии с которой ритм времени в тестируемой системе замедляется с ростом ее скорости.

Если газовое облако из нашего примера поместить в гравитационное поле, облако будет расширяться асимметрично, вытягиваясь в направлении к источнику поля. Расширение облака приведет к увеличению его энтропии, а асимметрия к некоторому, ее уменьшению. Складываясь, эти два эффекта, дают менее быстрое увеличение энтропии облака. Кроме того, при расширении облака должна быть совершена работа против сил гравитационного притяжения между молекулами облака. Этот эффект, дополнительно к двум предыдущим, также замедлит расширение облака, а следовательно и рост его энтропии.

Опять же заметим, что аналогичным образом ведет себя время в Общей Теории Относительности, в соответствии с которой ритм времени в тестируемой системе замедляется в присутствии гравитационного поля и при возрастании его.

Таким образом, мы приходим к заключению, что поведение энтропии аналогично поведению времени в формализме Теории Относительности. Поэтому корреляция между изменением энтропии и ходом времени для любой термодинамической системы выглядит вполне естественной.

В Приложении 4 показано, как эта корреляция может быть рассчитана. А именно, когда в системе происходят какие-либо процессы, ее состояние изменяется. Это изменение может быть описано с помощью дифференциального уравнения. Решая его при соответствующих условиях, удается строго доказать, что происходящее при этом изменение энтропии пропорционально отрезку времени, на котором оно произошло.

В Приложении 2 к такому же заключению удается прийти, исходя из Принципа наименьшего действия. Более того, там показано, что при скоростях движения, приближающихся к скорости света, уменьшение энтропии термодинамической системы может полностью компенсировать ее стандартное увеличение, характерное для Вселенной. Т.е. энтропия системы перестанет изменяться, в системе прекратятся все процессы и время остановится. Это, в частности, объясняет постулированный в Теории Относительности факт, что скорость света является предельной для распространения материальных объектов.

На основании этих результатов можно сформулировать следующий тезис:

Любой процесс, происходящий в изолированной термодинамической системе в течение времени t2-t1, изменяет энтропию системы на величину s2-s1, пропорциональную интервалу времени t2-t1. Т.е. изменения энтропии и времени взаимосвязаны и пропорциональны друг другу. Причем, изменение энтропии положительно, так как величина t2-t1 всегда положительна.

Важно также отметить, что облако молекул из нашего примера можно заменить всего лишь на одну молекулу. Тогда в соответствии с Эргодической теоремой /48/, доказывающей, что среднее по ансамблю равно среднему по времени, можно следить не за совокупностью молекул в облаке, а всего лишь за одной молекулой. Вероятность ее нахождения в какой-либо произвольно выбранной точке рассматриваемого ограниченного пространства не будет отличаться от перенормированной соответствующим образом плотности молекул в расширяющемся облаке. Это означает, что случайное блуждание этой молекулы будет происходить так, чтобы эта вероятность стремилась стать одинаковой в любой локальной области данного пространства.

Существенно, что внешняя сила, действующая на эту избранную молекулу (или на какой-либо другой индивидуальный объект) выводит ее (или его) из состояния случайного блуждания. Молекула начинает преимущественно двигаться в определенном направлении. Это одновременно означает, что окружающее молекулу пространство становится неизотропным. что сразу понижает его энтропию и соответствующий ритм времени. Когда внешняя сила перестает действовать, молекула (объект) продолжает двигаться в том же направлении (по инерции), увеличивая вероятность своего нахождения в других точках пространства и таким образом повышая энтропию (как свою, так и окружающего пространства). Эта тенденция к увеличению энтропии объясняет 1-й закон Ньютона и причину движения по инерции.

Как мы уже говорили, в соответствии с Принципом Маха, процессы, происходящие в любой открытой локальной области пространства, существенным образом зависят от процессов в более широкой области, а также от характеристик всей Вселенной, происходящих в ней процессов и связанных с ними изменений. Происходящие во Вселенной процессы, затрагивающие ее в целом, и связанная с ними скорость изменения ее состояния определяют темпы изменения энтропии Вселенной и текущего в ней времени. Оба этих темпа целесообразно назвать стандартными. Т.е. для любой конкретной термодинамической системы существует стандартное возрастание энтропии и соответствующий ему стандартный ритм времени.

С другой стороны, состояние этой системы может меняться под влиянием локальных внешних воздействий. В ней могут возникать процессы, происходящие на фоне процессов, общих для всей Вселенной. Эти локальные процессы вносят свои коррективы в изменение энтропии системы. Она может дополнительно возрастать или уменьшаться. Эти изменения алгебраически складываются со стандартным возрастанием энтропии, задавая таким образом ее суммарное локальное изменение. Темп этого суммарного изменения энтропии определяет внутренний (индивидуальный) ритм времени, характерный для данной системы.

Таким образом мы приходим к очень важному заключению, что изменяя тем или иным способом энтропию термодинамической системы, можно регулировать ритм ее внутреннего времени, а следовательно и скорость происходящих в ней процессов, включая процессы старения в объектах живой и неживой Природы.

Понятие внутреннего времени не является новым. Еще Ньютон выделял две категории времени: абсолютное и относительное. В его «Началах…» /49/ мы читаем: «Абсолютное, истинное, математическое время… протекает равномерно… и называется длительностью… Относительное время есть точная,… связанная с каким-либо движением мера продолжительности,…употребляемая в обыденной жизни вместо… математического времени.» Т.е. ньютоновское абсолютное время — это, как бы, эквивалент определенного выше стандартного времени. А в ньютоновском относительном времени легко увидеть внутреннее (индивидуальное) время, определяющее скорость процессов, протекающих в выбранной системе.

Эйнштейн, создавая теорию относительности, пришел к заключению /50/, что «в каждой инерциальной системе должно быть определено свое особое время» (индивидуальное в нашем определении).

В термодинамической системе все процессы замедляются при отводе из нее тепла (например, при замерзании жидкостей) и ускоряются с его притоком (при таянии жидкостей). Одновременно с отводом тепла уменьшается энтропия рассматриваемой системы, а с его притоком увеличивается. Эти изменения энтропии, алгебраически складываясь с ее стандартным ростом, приводят к ее более быстрому или более медленному росту, коррелируя с соответствующим изменением скоростей происходящих в системе процессов, т.е. коррелируя с изменением ритма времени в данной системе.

Третий закон термодинамики говорит, что при приближении температуры термодинамической системы к абсолютному нулю (-2730C) величина ее энтропии перестает изменяться. Из пропорциональности изменения энтропии и времени следует, что время при абсолютном нуле температуры также перестает изменяться. Т.е. оно останавливается, не существует. Так было до «Большого Взрыва»!

Повторим еще раз, что из частной теории относительности мы знаем, что в каждой произвольно выбранной системе отсчета свой внутренний ритм времени. Время течет медленнее с возрастанием скорости. (Т.е. промежуток времени между двумя одними и теми же событиями больше в системе отсчета, движущейся с большей скоростью. В частности, время жизни нестабильной элементарной частицы в этом случае увеличивается на множитель, равный частному от деления ее полной энергии, на энергию в состоянии покоя.)

Согласно общей теории относительности, время течет медленнее в системе с большей массой и в присутствии большего внешнего гравитационного поля. Это легко проверяется с помощью атомных часов, отсчитывающих время с потрясающей точностью. Установленные на разных ступеньках лестницы эти часы показывают, что время «идет» быстрее на верхней ступеньке (где равитационное поле Земли слабее, чем на нижней ступеньке).

Т.е. внутреннее время существенно зависит от выбора системы отсчета, скорости и характера ее движения (инерциального или неинерциального), расположения в пространстве, присутствия в ней гравитационных полей и, таким образом, является неотъемлемой частью четырехмерного пространственно-временного континиума. Дополнительно к этому, следует учитывать также тепловой баланс с окружающей средой, температуру системы, величину, направление и ритм изменения ее энтропии.

Однако было бы неверно думать, что изменения энтропии и времени тождественно совпадают. В соответствии с Принципом причинности, процессы, происходящие по времени раньше, могут оказывать влияние на процессы, происходящие позже, но не наоборот. Что же касается энтропийных изменений, связанных с этими процессами, то нельзя утверждать, что для изолированной термодинамической системы состояние с меньшей энтропией предшествовало состоянию с большей энтропией. В отличие от течения времени, энтропийные изменения имеют стохастическую природу. Каждая замкнутая термодинамическая система (если она выведена из состояния равновесия) стремится перейти в более равновесное (т.е. более вероятное) состояние, хотя для обратимых процессов она может переходить и в менее вероятное (т.е. менее равновесное) состояние. Энтропия при таком переходе будет уменьшаться, а время продолжать увеличиваться, не меняя своего направления. Эта возможность является исчезающе малой, но тем не менее существует и для обратимых процессов, происходящих в системах ограниченных размеров, может быть оценена согласно возвратной теореме Пуанкаре /51/.

Таким образом, для каждой термодинамической системы время является параметром, отражающим скорость изменения ее энтропии. Если при сравнении двух систем, энтропия одной из них растет быстрее, это означает, что все процессы, протекающие в этой системе, (а вместе с ними и время) идут быстрее, чем в другой.

Т.е. возможно сказать следующее:

Время может служить мерой изменения энтропии, а изменение энтропии мерой изменения времени. Изменение энтропии следует рассматривать как квинтэссенцию времени.

В общем случае, все системы, находящиеся в неравновесном состоянии, начинают эволюционировать. В ходе эволюции энтропия увеличивается, что приводит системы к более хаотическому состоянию. Однако следует еще раз подчеркнуть, что энтропия увеличивается только в результате необратимых процессов, то есть тех, которые не могут проходить в противоположном направлении через все те же промежуточные состояния. Все реальные процессы необратимы из-за взаимодействия участвующих в них объектов. Примеры включают диффузию, теплопроводность, радиоактивный распад и многие другие. В неравновесных условиях, когда свободная энергия уменьшается за счет связанного с взаимодействием уменьшения внутренней энергии, возрастание энтропии может привести не только к деградации и хаосу, но и к порядку, организации и, в конечном итоге, к жизни. То есть неравновесное состояние может быть источником порядка, который порождается как «порядок из хаоса» /52/. В случае же, когда уменьшение свободной энергии обязано росту энтропии, а не уменьшению внутренней энергии, развитие идет по принципу «хаос из порядка». При этом энергии взаимодействия систем (или их подсистем) оказывается недостаточно для компенсации роста энтропии. Именно по этому принципу, идет общая эволюция нашей Вселенной, хотя в отдельных ее частях реализуется принцип «порядок из хаоса», приведший, в частности, к возникновению жизни на Земле.

IV. Энтропийное взаимодействие, как возможное объяснение происхождения Вселенной

Происхождение Вселенной и изучение происходящих в ней глобальных явлений связано с разделом физики, который называется космологией. Согласно разработанным в ней идеям /53—59/, у истоков Вселенной, в которой мы живем, был «Большой взрыв», и могло быть как угодно много таких «взрывов» в мировом пространстве, которые позволили родиться и другим Вселенным. Почему они произошли, как в результате одного из них (примерно 13.7 билионов лет назад) появилась наша Вселенная, и то, как она развивалась дальше, объясняется космологической «теорией инфляции» в ее многочисленных вариациях /60—63/. Согласно ей, все мировое пространство было заполнено «физическим» вакуумом с высокой плотностью энергии. Состояние этого вакуума было стабильным. В нем не происходило каких-либо процессов, т.е. не было времени, как такового. Однако, в каждой локальной области этого пространства (размером, соизмеримым с «Планковской длиной» lp= (Gh/6.28c3) 1/2=1.616 10—35m имели место случайные квантовые возмущения (флуктуации) энергии вакуума, не изменяющие его стабильного состояния. (Здесь G-гравитационная постоянная, h-постоянная Планка, с-скорость света в вакууме). Но случались также возмущения, большие некоторой критической величины. И вакуум «выталкивал из себя» материю, обладающую свойством отрицательной гравитации. Вместо притяжения, частицы этой материи отталкивались друг от друга. Это сопровождалось выделением огромного количества тепла и продолжалось в течение очень короткого промежутка времени, значительно меньшего одной секунды (сравнительно близкого ко времени tp прохождения светом в вакууме Планковской длины и называемым Планковым временем,

tp= (Gh/6.28c5) 1/2=5.39 10—44sec).

По истечении этого времени образовавшаяся таким образом материя приобретала свойства обычной для нас гравитационной материи. Её частицы начинали гравитационно притягиваться друг к другу и соответствующим образом искривлять геометрию окружающего пространства, которое теперь уже было заполнено вакуумом с низкой плотностью энергии. Поскольку в начальный момент размеры этой зарождающейся Вселенной были очень малыми (порядка Планковской длины), гравитационное притяжение составляющей её материи было очень большим, и у Вселенной было много шансов для коллапса. Однако, квантовый туннельный эффект позволил ей преодолеть гравитационный энергетический барьер, по другую сторону которого она смогла продолжать увеличиваться в размерах /64/. При этом, массы и размеры образовавшихся в ней материальных объектов стали возрастать от размеров элементарных частиц до размеров звёзд и галактик, не нарушая своим ростом закон сохранения энергии, так как энергия их гравитационного притяжения, будучи отрицательной, компенсировала увеличение их массы. Эти массы, разбегающиеся во все стороны, получили при «Большом Взрыве» огромные импульсы. Появившееся гравитационное притяжение было не в силах остановить этот процесс и могло лишь несколько затормозить его. Поэтому образовавшиеся таким образом галактики продолжали разбегаться с небольшим отрицательным ускорением. Однако спустя около 4.5 билионов лет, в вакууме появилось отрицательное давление, превосходящее по величине гравитационное притяжение, и Вселенная стала расширяться с положительным ускорением, что продолжает происходить и в настоящее время.

Появление отрицательного давления связывают с установившимся во Вселенной распределением, так называемых, темной энергии и темной материи, на долю которых приходится около 95% всей массы Вселенной. Материальные объекты (планеты, звезды, галактики и их скопления), которые мы наблюдаем с помощью нашего зрения и усиливающих его приборов (оптических и радиотелескопов), составляют менее 5% от общей массы Вселенной. Это было обнаружено астрономами в 30-х годах прошлого столетия /65—67/ и убедительно подтверждено в 60-х /68/ на базе более современной техники. Термин «темная масса» отражает тот факт, что эта масса не взаимодействует с электромагнитным излучением, не отражает и не излучает его (по крайней мере, внутри доступного для наших наблюдений порога). Однако «темная масса» активно участвует в гравитационном взаимодействии объектов. Заключение о ее существовании было сделано на основании стабильности конгломерата галактик, вращающихся вокруг общего для них центра. Измеренной оптическими методами (Допплер эффект) массы этих галактик существенно недостаточно для их удержания на соответствующих орбитах при тех скоростях, с которыми они движутся. Для наблюдаемой стабильности этих орбит требуется масса в сто раз большая. Соотношение между видимой и темной массами обычно иллюстрируется следующим образом.

Квантовая флуктуация, приведшая к «Большому Взрыву» и последующему образованию нашей Вселенной, не могла быть единственной. Подобные флуктуации, сопровождающиеся «Большим Взрывом», должны были происходить и в других локальных областях мироздания (но не внутри нашей Вселенной, заполненной низкоэнергетическим вакуумом, энергии которого недостаточно для осуществления «Большого Взрыва», как последствия флуктуации). Причем таких областей должно быть бесконечно много. Соответственно, должно было образоваться (и продолжает образовываться) как угодно много Вселенных, как подобных нашей, так и отличных от неё. Эти Вселенные заполняют мировое пространство, не зависят друг от друга и не взаимодействуют, т.е. являются закрытыми системами, что не позволяет материальным объектам перемещаться из одной такой Вселенной в другую. Поскольку их бесконечно много, есть вероятность многократного повторения нашей Вселенной и происходящих в ней событий. По этой же причине мировые физические константы, характерные для нашей Вселенной и позволяющие появление органической жизни на нашей планете, реализовались уникальным образом из их бесконечно большой совокупности.

Такова, в общих чертах, современная космологическая картина Мира, против которой, по-видимому, нет серьезных возражений, кроме декларирования возникновения материи из ничего и игнорирования энтропийных изменений в процессе происхождения и эволюции Вселенной.

Развитый в данной книге подход к явлениям природы позволяет дополнить космологическую картину Мира. Но прежде чем приступить к описанию происхождения и дальнейшего развития нашей Вселенной в рамках этого подхода напомним, что масса объекта является одновременно мерой его гравитации, инерции и энергии /69/, но проявляется только тогда, когда на объект воздействует какая-либо сила. Если такого воздействия нет или результат всех сил, действующих на объект, равен нулю, тогда масса объекта никак не проявляется. В таких случаях можно сказать, что масса объекта реально не существует. (То же самое можно сказать и о других характеристиках материальных объектов, например, их «видимости», электрическом заряде и т. д.) Электрический заряд «проявляется», если на него воздействует другой электрический заряд. Объект становится видимым, когда он отражает падающий свет или излучает свет (темная материя /70/ может служить одним из примеров невидимых объектов). Нильс Бор сформулировал этот закон следующим образом: «Нет реальности, которая не зависит от метода её наблюдения».

Состояние невесомости является примером ситуации, когда результат действия сил, действующих на объект, равен нулю. Любые тела демонстрируют это, когда они движутся по инерции вдали от других массивных тел, а также когда они свободно падают на тела, имеющие массу, или когда они движутся вблизи этих тел по криволинейной траектории с соответствующей скоростью, например, на орбите искусственного спутника Земли. Гравитационное притяжение Земли компенсируется силой, вызванной ускорением свободного падения g, а на орбите — центробежной силой mv2/r. Эти силы реализуют энтропийное взаимодействие между Землей и соответствующим объектом и демонстрируют энтропийное отталкивание. В каждом случае гравитационное притяжение объектов компенсируется соответствующим уменьшением их энтропии, оставляя неизменной свободную энергию G данной термодинамической системы. В результате поведение объектов не зависит от величины их массы.

Другим примером, где это наглядно продемонстрировано, является описанная выше хроматография макромолекул в критических условиях. При попадании в поры сорбента энтропия молекулы уменьшается, поскольку макромолекула не может реализовать все свои конформации. В то же время адсорбционное взаимодействие с поверхностью пор уменьшает энтальпию макромолекул. В критических условиях энтальпийные и энтропийные взаимодействий полностью компенсируют друг друга и все молекулы, независимо от их молекулярного веса и размера движутся с одной и той же скоростью. В этом случае результирующая сила, действующая на макромолекулы, равна нулю, а массы и размеры макромолекул не проявляются. Роль сил играет сила адсорбционного притяжения к поверхности пор и сила упругости макромолекулярной цепи, которая реализует энтропийное отталкивание от поверхности.

Из ядерной физики известно, что масса атомного ядра всегда меньше, чем общая масса составляющих его нуклонов (особенно для достаточно больших ядер, например, с числом нуклонов, превышающим 50). Этот дефект массы объясняется «расходом» массы на энергию связи нуклонов в ядре атома. Более того, дефект массы обратим: масса, затрачиваемая на энергию связи, не исчезает навсегда, и если бы ядро могло быть «разобрано» на входящие в него нуклоны, то у каждого из них была бы своя исходная масса.

Аналогичный дефект массы (согласно теоретическим расчетам) демонстрируют, например, три кварка, «Up»,» Down» и «Charm», из которых состоит протон.

По мере уменьшения расстояния между объектами или частями одного и того же объекта их гравитационное взаимодействие и энергия связи увеличиваются, а энтальпия и энтропия уменьшаются, дефект массы становится больше и можно представить крайний случай, когда дефект массы, равен массе объекта и его размер стал точечным. Примером может служить фотон, который в теории электрослабого взаимодействия рассматривается как суперпозиция двух мезонов, имеющих значительную массу, хотя масса фотона (в состоянии покоя) равна нулю. Обратимость дефекта массы означает, что такие точечные, не проявляющие своей массы объекты, продолжают присутствовать в пространстве, но находятся в виртуальном состоянии, то есть в состоянии, в котором дефект массы равен массе, результирующая сумма всех сил, действующих на объект, равна нулю и объект не наблюдается, но может проявить себя, когда эти условия не удовлетворены. Здесь уместно процитировать Лукреция, греческого поэта и философа, который первым предположил, что «есть объекты, которые мы не можем видеть».

V. Мировое пространство до «Большого взрыва»

Мировое пространство до «Большого взрыва» можно представить как многообразие точечных виртуальных объектов, для которых дефект массы равен их массам. Пространство было бесконечным, однородным, изотропным, обладало энергией и максимально возможной энтропией, но массы и размеры виртуальных объектов в нем никак не проявлялись, так как результат всех сил, связанных с их взаимодействием, был равен нулю. Отсутствие реальных объектов позволяет говорить о физическом вакууме этого пространства, состоящем из очень плотной бесструктурной («хаотической») материи (с плотностью ~1097 кг/м³), которая находилась в виртуальном состоянии. Кроме незначительных обратимых флуктуаций плотности этой материи, в пространстве не происходило никаких процессов. Отсутствие каких-либо процессов, ведущих к эволюции пространства, означает отсутствие отсчета времени, т.е. абсолютной шкалы времени не существовало. Напомним, что время — это способ оценить и сравнить скорости процессов, происходящих в Природе /12/.

Отсутствие процессов, которые приводят к изменениям состояния конкретной системы, означает, что либо в системе нет потока времени, либо этот поток остановлен.

Однако в результате некоторых локальных квантовых флуктуаций, которые могли быть очень сильными, плотность и энергия вакуума в различных небольших областях этого пространства могла резко измениться выше определенного критического значения. В этот поворотный момент, называемый точкой бифуркации /32/, невозможно предсказать направление дальнейшего развития: останется ли состояние системы хаотичным или оно перейдет к определенному уровню упорядоченности и структура пространства, существовавшая ранее, не будет поддерживаться и поэтому рухнет. Таких областей и бифуркаций могло быть много. Эти бифуркации происходили случайно и непрерывно и не координировались друг с другом. В результате этого энтропия пространства (и энергия связи для виртуальных объектов) могла уменьшиться, а свободная энергия увеличиться. Состояние пространства стало нестабильным и начались определенные процессы, которые привели к его эволюции.

VI. Эволюция термодинамических систем

Для эволюции Мирового пространства в нем должны были произойти определенные процессы и должен начаться отсчет времени. Дефект массы виртуальных объектов перестал быть равным их массам из-за уменьшения энергии связи. Объекты стали переходить из виртуального состояния в реальное. При этом, результирующая сила, вызванная взаимодействием объектов в неоднородном пространстве, оказалась ненулевой. Избранные направления, вдоль которых действовали силы, появились в пространстве. Массы виртуальных объектов начали проявлять себя. Их размеры стали расти. Объекты перешли в реальное состояние в виде элементарных частиц (включая не имеющую электрического заряда темную материю) и возможно более сложных образований и образовали термодинамическую систему подобно тому, как это происходит при фазовом переходе первого рода. Тенденция к уменьшению свободной энергии системы при взаимодействии частиц стимулировала объединение этих частиц в атомы, молекулы и макроскопические объекты, включая планеты, звезды и галактики. То есть, как мы уже говорили, эволюция Вселенной происходила по принципу «порядок из хаоса». Можно сказать: материя в процессе эволюции становится «активной»: она порождает необратимые процессы, а необратимые процессы организуют материю. По мере старения Вселенная становится все более тонкой организацией. Со временем уровень организации Вселенной неуклонно растет /32/. В течение короткого времени, когда объекты начали двигаться, вероятность их контактов была очень высока, потому что они все еще были близки друг к другу, а энергия связи была значительно больше, чем уменьшение энтропии при объединениях. В то же время существовала вероятность того, что энтропийное взаимодействие между объектами «включало» процессы, которые стимулировали расхождение локальных областей и вызывали энтропийное отталкивание объектов. Система эволюционировала. Её симметрия была нарушена, что означает, что некоторые законы сохранения, присущие ей, нарушились в соответствии с теоремой Нётер /71/. Эта эволюция оказалась необратимой из-за взаимодействия объектов /72/.

Согласно Общей Теории Относительности, присутствие в пространстве тел, обладающих массой, изменяет геометрию пространства, искривляет его, делает неэвклитовым. Возьмите любой платок и растяните его за все четыре конца. Это даст вам некоторую аналогию плоского евклидового пространства. А теперь бросьте на этот растянутый платок какой-нибудь массивный шарик. Что произойдет? Шарик дополнительно растянет платок, продавив в нем ямку, и вместе с этой ямкой скатится на середину платка. Геометрия платка изменилась. Она стала неевклидовой. Мы получили аналог искривленного пространства. А теперь бросим на платок второй шарик. Он продавит в платке еще одну ямку. А затем оба шарика покатятся навстречу друг другу и образуют на платке общую ямку. Так Эйнштейн популярно объяснял явление гравитации /50/, т.е. явление гравитационного притяжения тел, и связанное с ним искривление пространства, которое становится (условно говоря) вогнутым.

Рисунок 7. Модель, с помощью которой Эйнштейн популярно объяснял гравитацию.

«Расход» массы на энергию связи, обусловленную их взаимным притяжением, уменьшает гравитационное искривление пространства. А обратимость дефекта массы говорит, что взаимодействующие массы все же продолжают присутствовать в пространстве в полном объёме и, следовательно, по-прежнему продолжают его искривлять, делая его вогнутым но, как бы, в меньшей степени. И тут — самое время вспомнить об энтропийном отталкивании взаимодействующих объектов. Гравитационное притяжение между ними порождает в пространстве избранное направление, т.е. дополнительно структурирует пространство и тем самым уменьшает его энтропию. К уменьшению энтропии приводит и происходящее при этом сближение объектов. В соответствии с Принципом Ле Шателье, Природа инерциальна и противится этому, увеличивая энтропийное отталкивание объектов друг от друга, о котором можно сказать, что оно как бы реализуется искривлением пространства, обратным гравитационному и стремящимся сделать пространство выпуклым. Оба искривления (обычное гравитационное и обратное к нему), суммируясь, приводят к описываемому в теории относительности искривлению пространства. Именно поэтому во всех расчетах энергия притяжения рассматривается как отрицательная, т.е. она как бы эквивалентна отрицательной массе (0> Е=-mc2). Следуя космологической теории инфляции, можно предположить, что когда в какой-либо локальной области нашей Вселенной плотность материи достигает некоторой предельно большой величины, материя может коллапсировать, образуя «Черные Дыры» /65—68,73/.

Рис 8. Компьютерное моделирование

Черной Дыры в Большом Магеллановом Облаке.

Чёрной дырой называют область в пространстве, гравитационное притяжение которой настолько велико, что покинуть её не могут никакие материальные объекты, в том числе и кванты света. По современным представлениям, есть четыре сценария образования чёрной дыры:

1. Гравитационный коллапс (катастрофическое сжатие) достаточно массивной звезды на конечном этапе её эволюции.

2. Коллапс центральной части галактики. Например, в центре нашей Галактики находится чёрная дыра Стрелец A.

3. Формирование чёрных дыр в момент сразу после Большого Взрыва в результате флуктуаций материи.

4. Возникновение чёрных дыр в ядерных реакциях высоких энергий.

Каждый из этих сценариев связывает образование черных дыр со значительным ростом гравитационного взаимодействия и соответствующим уменьшением энтропии, вызванными локальным увеличением плотности материи в реальных физических системах (объектах). Однако, возможен еще один, принципиально иной сценарий (пятый). Локальные квантовые флуктуации плотности вакуума нашей Вселенной, естественно, могут приводить как к увеличению его плотности, так и к понижению. В обоих случаях энтропия пространства в области флуктуации будет понижаться, пространство будет структурироваться и искривляться. Но если повышение плотности делает его «выпуклым», то понижение — «вогнутым». Материальные объекты, обладающие массой и оказавшиеся в «выпуклой» области пространства, будут стремиться увеличить его энтропию. Для этого они будут стремиться покинуть данную область, как это случилось при Большом Взрыве. А объекты, оказавшиеся в «вогнутой» области, будут стремиться увеличить ее энтропию, заполняя эту область. Т.е. образовавшаяся описанным образом «вогнутая» область пространства (с пониженной плотностью материи) также подпадает под данное выше определение Черной Дыры.