Форма и энергия

В ньютоновской физике вся причинность рассмат­ривалась на языке энергий, с позиций принципа дви­жения и изменения.

Все движущиеся вещи имеют энергию — кинетиче­скую энергию движущихся тел, тепловые колебания и электромагнитное излучение,— и эта энергия может вызывать движение других тел. Покоящиеся вещи так­же могут обладать энергией, а именно потенциальной энергией, обусловленной их стремлением к движению; они покоятся лишь потому, что их удерживают силы, противостоящие этому стремлению.

Предполагалось, что гравитационное притяжение зависит от силы, которая действует на расстоянии, вызывая движение тел или сообщая им стремление к движению, или потенциальную энергию. Однако при­чина существования самой этой силы притяжения оставалась неизвестной. В противоположность этому сейчас гравитационные и электромагнитные явления объясняются на языке полей. В то время как ньюто­новские силы мыслились как возникающие каким-то неизвестным образом из материальных тел и распро­страняющиеся из них в пространстве, в современной физике первичными считаются поля: они лежат в ос­новании как материальных тел, так и пространства между ними.

Картина усложняется тем, что имеются поля раз­личных типов. Во-первых, гравитационное поле, кото­рое в общей теории относительности Эйнштейна при­равнивается к пространству-времени, и считается, что оно искривляется в присутствии вещества. Во‑вторых, электромагнитное поле, в котором локализованы элек­трические заряды и через которое электромагнитные излучения распространяются как вибрационные воз­мущения. Согласно квантовой теории, эти возмущения есть подобные частицам фотоны, связанные с дискрет­ными квантами энергии. В-третьих, в квантовой теории поля вещества субатомные частицы рассматриваются как кванты возбуждения материальных полей. Каждый сорт частиц имеет свой особый вид поля: протон — это квант протон-антипротонного поля, электрон — квант электрон-позитронного поля и так далее.

В этих теориях физические явления объясняются с помощью комбинации концепций пространственных полей и энергии, а не только на языке энергий. Таким образом, хотя энергия может считаться причиной изменения, порядок изменения зависит от пространст­венной структуры полей. Эти структуры производят физические эффекты, но они сами по себе не являют­ся видами энергии; они действуют как «геометричес­кие», или пространственные, причины. Принципиаль­ное различие между этой идеей и представлением об исключительно энергетической причинности иллюст­рируется контрастом между теориями гравитации Ньютона и Эйнштейна: например, согласно первой те­ории, Луна движется вокруг Земли, потому что притя­гивается к ней силой притяжения; согласно второй — Луна делает это, поскольку искривлено само простран­ство, в котором она движется.

Рис. 6. Диаграмма, представляющая нестабильное (А), ста­бильное (В) и отчасти стабильное (С) состояния

Современное понимание структуры химических систем зависит от представлений квантовой механики и электромагнетизма; гравитационные эффекты не­значительны, и ими можно пренебречь. Возможные способы соединения атомов друг с другом даются известным из квантовой механики уравнением Шредингера, которое позволяет рассчитывать орбитали электронов на языке вероятностей; в квантовой тео­рии поля вещества эти орбитали могут рассматривать­ся как структуры в электрон-позитронном поле. Но по­скольку электроны и ядра атомов несут электрический заряд, они также связаны с пространственными струк­турами электромагнитных полей и, следовательно, с потенциальными энергиями. Не все возможные про­странственные сочетания данного числа атомов имеют одинаковую потенциальную энергию, и только соче­тание с наименьшей потенциальной энергией будет стабильно по причинам, указанным на рис. 6. Если сис­тема находится в состоянии с энергией большей, чем в возможных альтернативных состояниях, любое малое смещение (например, из-за теплового возбуждения) приведет к ее переходу в другое состояние (А). Если, с другой стороны, она находится в состоянии с энергией меньшей, чем в возможных альтернативных состоя­ниях, после небольшого смещения она вернется в это исходное состояние, которое будет стабильным (В). Система может также временно находиться в состоя­нии, которое не является наиболее стабильным до тех пор, пока она не сдвинута выше «порогового» уровня (С); когда это случается, она переходит в более ста­бильное состояние с меньшей энергией.

Эти энергетические соображения определяют, какое состояние химической структуры является наи­более стабильным, но они не объясняют пространствен­ные характеристики этого состояния; эти характерис­тики представлены на рис. 6 как линии, по которым катится шарик и которые действуют как барьеры, огра­ничивающие его движение. Эти барьеры зависят от пространственных структур, образуемых полями веще­ства и электромагнетизма.

Согласно второму закону термодинамики, спон­танные процессы в закрытой системе стремятся к со­стоянию равновесия; когда это происходит, изначаль­ные различия в температуре, давлении и т. д. между различными частями системы стремятся к нулю. На техническом языке энтропия изолированной мак­роскопической системы либо остается постоянной, либо возрастает.

Значение этого закона в популярных изложениях часто преувеличивается; в частности, термин «энтропия» употребляется как синоним «беспорядка». Тогда возрастание сложности организации, происходящее в процессе эволюции и развития живых организмов, оказывается противоречащим принципу возрастания энтропии. Это затруднение возникает из-за непони­мания границ применения науки термодинамики. Во-первых, он применим только к закрытым системам, тогда как живые организмы — это открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом и энергией. Во-вторых, он имеет дело только с внутрен­ними отношениями между теплом и другими формами энергии: он применим к энергетическим факторам, которые влияют на химические и биологические струк­туры, но не объясняет возникновения этих структур. И в-третьих, техническое определение энтропии слабо связано с каким-либо нетехническим понятием беспо­рядка; в частности, оно не имеет отношения к порядку того типа, который существует в химических и биоло­гических системах. Согласно третьему закону термоди­намики, при абсолютном нуле температуры энтропии всех чистых твердых кристаллических веществ равны нулю. С термодинамической точки зрения они совер­шенно упорядочены, поскольку в этом случае нет бес­порядка, обусловленного тепловым возбуждением. Но все они упорядочены одинаково: нет различия в эн­тропии между простым кристаллом соли и кристаллом чрезвычайно сложной органической макромолекулы, такой как гемоглобин. Это означает, что большая струк­турная сложность последней не может быть измерена с помощью энтропии.

Контраст между порядком в смысле химической или биологической структуры и термодинамическим порядком вследствие неравных температур и т. д. в большой системе, состоящей из бесчисленных ато­мов и молекул, можно проиллюстрировать на примере процесса кристаллизации. Если раствор соли в сосуде поместить в охлаждаемый объем, то при охлаждении раствора соль кристаллизуется. Вначале составляющие его ионы равномерно распределены в растворе, но, ког­да происходит кристаллизация, они упорядочиваются в кристаллах, и сами кристаллы также упорядочивают­ся, образуя макроскопические симметричные струк­туры. С морфологической точки зрения произошло значительное увеличение порядка; но с точки зрения термодинамики имеет место уменьшение порядка, возрастание энтропии, вследствие выравнивания тем­пературы в системе (раствор и его окружение) и высво­бождения тепла в процессе кристаллизации, что при­водит к увеличению теплового возбуждения молекул растворителя.

Подобным же образом, когда эмбрион животного растет и развивается, происходит возрастание энтро­пии термодинамической системы, состоящей из эмбри­она и окружения, из которого он получает питание и в которое он отдает тепло и выделяет продукты обмена. Второй закон термодинамики подчеркивает эту зави­симость живых организмов от внешних источников энергии, но он никак не может объяснить их специфи­ческие формы.

Используя наиболее общие термины, можно ска­зать, что форма и энергия обратно пропорциональны друг другу: энергия есть принцип изменения, а форма, или структура, может существовать лишь до тех пор, пока она сохраняет определенную стабильность и со­противление изменению. Это противостояние вполне очевидно в отношении между состояниями вещества и температурой. При достаточно низких температурах вещества существуют в кристаллических формах, в которых организация молекул демонстрирует высо­кую степень регулярности и порядка. Когда темпера­тура повышается, тепловая энергия в некоторой точке вызывает разрушение кристаллической формы, твердое вещество плавится. В жидком состоянии молеку­лы располагаются в короткоживущих (преходящих) структурах, которые постоянно смещаются и изменя­ются. Силы между молекулами создают поверхност­ное натяжение, которое придает простые формы жидкости в целом, как в сферических каплях. При дальнейшем повышении температуры жидкость испа­ряется; в газообразном состоянии молекулы изолиро­ваны и ведут себя более или менее независимо друг от друга. При еще более высоких температурах сами молекулы распадаются на атомы, а при дальнейшем повышении температуры даже атомы распадаются с образованием газа из смеси электронов и атомных ядер или плазмы.

Если эта последовательность рассматривается в об­ратном порядке, то по мере понижения температуры появляются все более сложные и организованные структуры, вначале наиболее стабильные и в конце наименее стабильные. Когда плазма охлаждается, соответствующие количества электронов собираются вокруг атомных ядер на своих орбиталях. При более низких температурах атомы соединяются в молекулы. Затем, по мере того как газ конденсируется в кап­ли, в игру вступают супрамолекулярные[94] силы. Нако­нец, когда жидкость кристаллизуется, устанавливается высокая степень супрамолекулярного порядка.

Эти формы появляются самопроизвольно. Их нель­зя объяснить на языке внешней энергии, кроме как в негативном смысле — что они могут возникнуть и существовать только ниже некоторой температуры. Их можно объяснить через внутреннюю энергию только до той степени, что из всех возможных струк­тур будет стабильна лишь та, которой соответствует наименьшая потенциальная энергия, поэтому система будет стремиться спонтанно принять именно такую структуру.

Дата добавления: 2015-08-18