де S позначає ентропію, а Р - ймовірність досягнення системою стану термодинамічної рівноваги. Якщо Клаузиус розглядав ентропію як міру знецінення енергії, то Больцман став її інтерпретувати як міру дезорганізації системи. Оскільки в обох цих підходах ентропія тлумачиться як негативна характеристика системи, то відомий французький фізик Л. Брил-Люен півстоліття тому запропонував ввести протилежне ентропії поняття негентропії: N = -S, що характеризує ступінь упорядкованості, або організації, системи.
Про зміну стану систем класична термодинаміка могла судити, таким чином, по збільшенню їх ентропії. Тому вона і виступає в якості своєрідної стріли часу, яка показує, в якому напрямку відбувається процес. Сам цей термін вперше ввів в науку англійський астрофізик А. Еддінгтон для образного уявлення плину часу. У механічних системах про направлення часу годі й казати. Нічого подібного не зустрічається в термодинамічних процесах, а тим більше в реальних природних процесах, які є незворотними.
Тому досягнення класичної термодинаміки полягає в тому, що вона вперше ввела в фізику поняття часу, правда, в своєрідній формі, а саме у формі незворотного процесу зростання ентропії в системі. Чим вище ентропія системи, тим більший часовий проміжок вона пройшла в своїй еволюції. Але і в термодинаміки поняття часу істотно відрізняється від того, як воно розглядається в реальному житті і в науках, що вивчають процеси, що протікають у часі і мають свою історію. У них поняття часу асоціюється не тільки з ростом ентропії і безладу, але і зі збільшенням порядку, організації і вдосконалення систем.
Це протиріччя залишалося невирішеним майже століття, аж до 60-х рр. XX ст. поки не з'явилася нова, нерівновага термодинаміка, яка спирається не тільки на поняття про незворотні процеси, а й на можливість виникнення порядку за рахунок енергії та речовини з навколишнього середовища. Коротко це буде розглянуто нижче, а більш докладно - в гл. 17, присвяченій синергетики.
Класична термодинаміка виявилася нездатною вирішити також і космологічні проблему про характер процесів, що відбуваються у Всесвіті. Першу спробу поширити закони термодинаміки на Всесвіт зробив один із засновників цієї теорії - Р. Клаузіус, який висунув два постулати:
енергія Всесвіту завжди постійна;
ентропія Всесвіту завжди зростає.
9.3. Відкриті системи і нова термодинаміка
Важливо також підкреслити, що самі поняття часу і еволюції по-різному інтерпретувалися в класичній термодинаміці, з одного боку, і в біології, соціології та історії - з іншого. У са
мом справі, так звана стріла часу зв'язувалася в термодинаміки зі зростанням ентропії системи, з посиленням її безладдя і дезорганізації, тоді як в біології і соціології вона характеризує, навпаки, становлення і вдосконалення системи, збільшення в ній порядку і організації.
У ній він ясно вказав, що закони фізики лежать в основі утворення біологічних структур, і підкреслив, що характерна особливість біологічних систем полягає в обміні енергією і речовиною з навколишнім середовищем. Взаємодіючи з навколишнім середовищем, відкрита система (наприклад, живий організм) не може залишатися замкнутої, бо вона змушена запозичити ззовні або нову речовину, або свіжу енергію і одночасно виводити в навколишнє середовище використане речовина і відпрацьовану енергію. В ході своєї еволюції система постійно обмінюється енергією і речовиною з навколишнім середовищем, а отже, виробляє ентропію. Але на відміну від закритих систем ця ентропія не накопичується в ній, а віддаляється в навколишнє середовище. Це означає, що використана, відпрацьована енергія розсіюється в навколишньому середовищі і замість неї з середовища витягується нова, свіжа енергія, здатна виробляти корисну роботу. Такого роду матеріальні структури, здатні дис-сіпіровать, або розсіювати, енергію, згодом стали називати
диссипативними. Звідси стає зрозумілим, що відкрита система в своєму розвитку не може залишатися рівноважної, тому що її функціонування вимагає безперервного надходження із зовнішнього середовища енергії або речовини, багатого енергією. В результаті такої взаємодії система, як вказує Шредінгер, витягує порядок з навколишнього середовища і тим самим вносить безлад в цю середу. Очевидно, що з надходженням нової енергії або речовини неравновесность в системі зростає. Колишня взаємозв'язок між елементами системи, яка визначає її структуру, з часом руйнується. Між елементами системи виникають нові зв'язки, які призводять до колективного поводження елементів системи. Так схематично можуть бути описані процеси самоорганізації у відкритих системах. Детальніше процеси самоорганізації ми розглянемо в гл. 17.
Основні поняття і питання