Открытия и исследования. Илья Пригожин

Илья Пригожин

Принципы  термодинамики были сформулированы в середине XIX в., после изобретения  паровой машины, когда взаимодействие тепловой, электрической и механической работы привлекло к себе значительный интерес. Согласно одной из версий первого  начала термодинамики, представляющего  собой принцип сохранения энергии, в любой закрытой системе энергия  не исчезает и не возникает, а переходит  из одной формы в другую. Второе начало термодинамики (принцип энтропии) описывает тенденцию систем переходить из состояния большего к состоянию  меньшего порядка. Энтропия – это мера беспорядочности, или разупорядоченности, системы. Чем больше разупорядоченность, тем выше энтропия. В XIX в. американский математик и физик Джозайя Уиллард Гиббс разработал теорию статистической термодинамики для обратимых систем в условии равновесия. Теофил де Дондер, профессор Пригожина в Свободном университете и основатель Брюссельской школы термодинамики, сформулировал теорию неравновесных необратимых систем.

 Примером  обратимого равновесия может  служить таяние кусочка льда  при температуре, которая лишь  слегка превышает температуру  замерзания воды. Энтропия этого  кусочка льда повышается по  мере того, как кристаллы льда  на его поверхности тают, превращаясь  в воду. Одновременно энтропия  пленки воды на поверхности  льда понижается, поскольку тепло  из нее забирается на таяние  льда. Этот процесс можно сделать  обратимым, понизив температуру  системы до точки замерзания  воды: вода на поверхности кристаллизуется,  и энтропия льда понижается, а  энтропия пленки воды повышается. В каждом процессе (таяния и  замерзания) при температуре замерзания  воды или близкой к ней общая  энтропия системы остается неизменной. Примером необратимой неравновесной  системы может служить таяние  кубика льда в стакане с  водой при комнатной температуре.  Энтропия кубика льда повышается  до тех пор, пока не растают  все кристаллы. По мере того  как тепло поглощается сначала  из всего объема воды в стакане,  а затем из окружающего воздуха,  энтропия всей системы возрастает.

 Пригожина  больше всего интересовали в  термодинамике неравновесные специфически  открытые системы, в которых  либо материя, либо энергия,  либо и то и другое обмениваются  с внешней средой в реакциях. При этом количество материи  и энергии либо количество  материи или количество энергии  со временем увеличивается или  уменьшается. Чтобы объяснить  поведение систем, далеких от  равновесия, Пригожин сформулировал  теорию диссипативных структур. Считая, что неравновесность может служить источником организации и порядка, он представил диссипативные структуры в терминах математической модели с зависимыми от времени нелинейными функциями, которые описывают способность систем обмениваться материей и энергией с внешней средой и спонтанно себя рестабилизировать. Ставший теперь классическим пример диссипативной структуры в физической химии известен как нестабильность Бенарда. Такая структура возникает, когда слои легкоподвижной жидкой среды подогреваются снизу. При достаточно высоких температурных градиентах тепло передается через эту среду, как обычно, и большое число молекул в жидкости образуют специфические геометрические формы, напоминающие живые клетки.

 Скоро  стало очевидно, что человеческое  общество так же, как и биологическая  среда, являет собой пример  диссипативных и недиссипативных структур. В 1952 г. английский математик Алан М. Тьюринг первым предположил, что термодинамические нестабильности типа тех, какие были выдвинуты Пригожиным и его коллегами, характерны для самоорганизующихся систем. В 60-е и 70-е гг. Пригожин развил созданную им теорию диссипативных структур и описал образование и развитие эмбрионов. Критические точки раздвоения в его математической модели соотносятся с точкой, в которой биологическая система в хаосе становится последовательной и стабилизированной. Пригожин предположил, что его теории и математические модели систем, которые зависят от времени, могут быть применимы к эволюционным и социальным схемам, характеристикам автогужевого транспорта и политике в отношении использования природных ресурсов, а также к таким областям, как рост населения, метеорология и астрономия.

Теорема Пригожина — теорема термодинамики неравновесных процессов.

Формулировка  теоремы:

«В стационарном состоянии продукция энтропии внутри термодинамической системы при  неизменных внешних параметрах является минимальной и константной. Если система не находится в стационарном состоянии, то она будет изменяться до тех пор, пока скорость продукции  энтропии, или, иначе, диссипативная  функция системы не примет наименьшего  значения.»

Теория детерминированного хаоса Пригожина смогла показать, что уровень статистической энтропии динамической системы приводит к  необратимым изменениям. Квантовый  парадокс, связанный с процессом  измерения формулируется в контексте  с парадоксом времени.

Стрела времени  вечна, и она предшествует "Большому Взрыву", а время предшествует существованию - это выражение Пригожин пишет на стене аудитории Московского  университета, наряду с предложениями  Бора, Дирака и т.д.).

На фоне стандартной  модели Вселенной и концепции  происхождения Вселенной и времени  его вывод звучит по крайней мере странно. Но Пригожин утверждает что стандартная модель теории стационарной Вселенной справедлива для протовселенной. Рождение вселенной не связано с особенностью и нестабильностью (физический вакуум), которая аналогична фазовым переходам.

Стрела времени  было до появления нашей вселенной, которая является лишь одним из эпизодов в бесконечном процессе эволюции мегавселенной. Пригожин надеется, что эволюционный подход, согласно которому все поля имеют равную роль, возможно, приблизит нас к реализации мечты о единой теории поля Эйнштейна.

В 1977 г. Пригожину  была присуждена Нобелевская премия по химии «за работы по термодинамике  необратимых процессов, особенно за теорию диссипативных структур».

Энтропия - в  естественных науках мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов.