Энтропия. Мы прошли долгий путь с ней. От Клаузиуса и Больцмана до теории информации Шеннона. От демона Максвелла до диссипативных структур Пригожина. Казалось бы, что еще можно добавить к этому понятию, которому полтора века?
Оказывается, можно. И добавление это настолько фундаментально, что меняет сам взгляд на то, что такое энтропия и как она работает в реальном мире.
Речь идет о работах белорусских ученых Леонида Сосновского и Сергея Щербакова, которые в последние десятилетия развивают новое научное направление — механотермодинамику. В центре их внимания — удивительный парадокс: классическая термодинамика говорит о рассеянии энергии, но в механических системах мы наблюдаем нечто противоположное — поглощение энергии, накопление повреждений, разрушение.
Как соединить эти два взгляда? И что это дает для понимания не только машин, но и Вселенной в целом?
1. Классическая энтропия: То, что мы знаем
Напомним основы. Классическая термодинамическая энтропия, введенная Клаузиусом и осмысленная Больцманом, — это мера рассеяния энергии. Когда система совершает работу, часть энергии неизбежно переходит в тепло, рассеивается, теряет способность совершать работу. Энтропия растет .
Этот подход блестяще работает для газов, жидкостей, тепловых машин. Но есть область, где он сталкивается с трудностями, — механика твердых тел.
Представьте себе металлическую балку, которую много раз сгибают. Что с ней происходит? Она накапливает усталость. В ней возникают микротрещины. Энергия, затрачиваемая на деформацию, не рассеивается полностью в виде тепла — часть ее поглощается материалом, идет на создание повреждений. И в конце концов балка ломается.
Классическая термодинамика не имеет хорошего языка для описания этого процесса. Рассеяние — да. Поглощение — нет.
2. Трибофатическая энтропия: Поглощение как мера
Сосновский и Щербаков ввели понятие, которое переворачивает привычный взгляд, — трибофатическую энтропию .
Если термодинамическая энтропия — это характеристика рассеяния энергии, то трибофатическая энтропия — это характеристика ее поглощения .
Разница принципиальная. В первом случае энергия уходит в тепло, во втором — накапливается в материале, меняя его структуру, создавая дефекты, готовя будущее разрушение.
Термин «трибофатика» образован от двух корней: «трибо» (трение) и «фатика» (усталость). Это наука о повреждении материалов под действием совместных процессов трения и усталости . И в этой науке энтропия оказалась ключевым понятием.
3. Механотермодинамика: Синтез двух энтропий
Но настоящее открытие пошло дальше. Сосновский и Щербаков предложили объединить оба подхода — термодинамический и механический — в единую науку, которую назвали механотермодинамикой .
Они рассматривают систему как неаддитивную. То есть энтропия целого не равна сумме энтропий частей. Взаимодействие между термодинамическими и механическими процессами создает новые эффекты, которые нельзя свести к простой сумме.
Полная (механотермодинамическая) энтропия складывается из двух составляющих :
· Термодинамическая энтропия (рассеяние)
· Трибофатическая энтропия (поглощение)
Их соотношение и взаимодействие определяют судьбу системы — будет ли она разрушаться или сохраняться, как долго прослужит, в какой момент произойдет катастрофа.
4. Фундаментальный принцип: Повреждаемость не имеет границ
На основе этих исследований Сосновский и Щербаков сформулировали принцип, который претендует на фундаментальность, сравнимую с законами термодинамики:
«Повреждаемость всего сущего не имеет мыслимых границ» .
Это радикальное утверждение. Оно означает, что любая система, любой объект, любая структура во Вселенной неизбежно накапливает повреждения. Этот процесс необратим и универсален. Он идет везде — от металлической балки до звезды, от живого организма до галактики.
Авторы используют этот принцип для создания обобщенной теории эволюции материального мира . Эволюция, с этой точки зрения, — это изменение совокупности состояний поврежденности.
5. Космологические параллели: Черные дыры и Вселенная
Самое удивительное в этой теории — ее применение к космологии. Сосновский и Щербаков обратили внимание на знаменитую концепцию Бекенштейна-Хокинга об энтропии черных дыр .
Но они увидели в ней недостаток. Термодинамическая энтропия — это рассеяние, а черные дыры, наоборот, поглощают энергию и вещество. Значит, к ним нужно применять не только термодинамический, но и трибофатический подход.
Они предлагают рассматривать горизонт событий как термодинамическую среду, а саму черную дыру — как трибофатический объект . Тогда система «черная дыра — горизонт событий» предстает как единая механотермодинамическая неаддитивная система.
Это позволяет по-новому оценить энтропию черных дыр и, возможно, понять механизмы их эволюции.
6. Прямой и обратный эффекты во Вселенной
Еще одна смелая идея касается взаимодействия космических объектов со средой. Сосновский и Щербаков утверждают, что это взаимодействие — неньютоновское: действие не равно противодействию .
Звезды и галактики взаимодействуют с окружающей средой, но механизмы и последствия этого взаимодействия кардинально различаются. Именно эта неуравновешенность, по их мнению, определяет всеобщее движение Вселенной в пространстве-времени.
Изменяющаяся совокупность всех состояний и есть эволюция Вселенной .
Здесь теория механотермодинамики смыкается с идеями Пригожина о необратимости и самоорганизации, но добавляет к ним важный элемент — накопление повреждений как фундаментальный процесс.
7. Философское значение: Новая картина мира
Что все это значит для философии?
Во-первых, механотермодинамика расширяет понятие энтропии. Энтропия перестает быть только мерой хаоса и беспорядка. Она становится также мерой накопленного повреждения, мерой «памяти» системы о пережитых воздействиях.
Во-вторых, она вводит в физику необратимость нового типа. Не только термодинамическую (рассеяние), но и механическую (накопление усталости). Это делает наше понимание времени еще более глубоким.
В-третьих, она предлагает универсальный язык для описания эволюции любых систем — от детали машины до Вселенной в целом. Принцип «повреждаемость не имеет границ» работает на всех уровнях.
В-четвертых, она заставляет по-новому взглянуть на проблему «тепловой смерти». Если Вселенная не просто рассеивает энергию, но и накапливает повреждения, то ее будущее может быть сложнее, чем равномерное остывание.
8. Практические применения
У этой теории есть и вполне практические следствия. Понимание трибофатической энтропии позволяет лучше прогнозировать ресурс машин и конструкций. Оценивать, сколько еще прослужит мост, самолет, турбина. Проектировать материалы, более устойчивые к накоплению повреждений.
Сосновский и Щербаков разработали методы оценки полной механотермодинамической энтропии и ее составляющих . Это уже не чистая теория, а инженерный инструмент.
9. Вызов и вдохновение
Механотермодинамика — это вызов традиционному мышлению. Она требует отказаться от привычного отождествления энтропии только с рассеянием и хаосом. Она предлагает увидеть в энтропии еще и меру того, как система «помнит» свою историю, как она накапливает последствия взаимодействий.
Для философского блога эта тема — золотая жила. Она показывает, что наука не стоит на месте, что даже такие фундаментальные понятия, как энтропия, продолжают развиваться и углубляться.
И кто знает, может быть, именно трибофатическая энтропия окажется ключом к пониманию самых сложных систем — от живых организмов до общества? Ведь и мы, люди, тоже накапливаем повреждения — не только физические, но и душевные. И наша способность продолжать жить и творить зависит от того, как мы справляемся с этим накоплением.
Повреждаемость не имеет границ. Но, может быть, именно в осознании этого и заключается начало мудрости?
---
Слышали ли вы раньше о трибофатике и механотермодинамике? Как вам идея о том, что энтропия бывает не только рассеивающей, но и поглощающей?