Баллистическая модель теплопереноса, термодинамика и дизайн
Меня попросили прокомментировать вот эту статью: Российские учёные обнаружили новый физический парадокс. Имеется в виду баллистический резонанс, проявляющийся на микроуровне и заключающийся, насколько я могу судить, в особых режимах теплопереноса.
Уже имея печальный опыт разбора газетных публикаций, я сразу обратился к источнику [1]. И что же? Ничего такого "особенного" там не написано. Там сравнивается несколько моделей теплопереноса на предмет изменения энтропии. Модель, которую они называют классической, предсказывает для некоторых уравнений теплопереноса ... немонотонное возрастание энтропии.
Баллистический теплоперенос описывается уравнением:
Т^^ + (1/t) * T^ = c2T'',
где T -- абсолютная температура, t -- время, прошедшее с момента теплового возмущения, с -- cкорость звука, ' означает производную по пространству, ^ -- по времени.
Вот как раз для такого режима теплопереноса классическая модель предсказывает, о ужас, осцилляции энтропии, наложенные на асимптотику.
Для адиабатически замкнутой системы, как пишут авторы, это неприемлемо. Я, конечно, не специалист, но всё зависит от относительных величин амплитуд энтропии -- флуктуирование энтропии возможно, более того, я видел публикации [2-3], где как раз описывались наблюдения флуктуаций энтропии в системе, которую можно было считать замкнутой. Проявляются флуктуации или нет, понятно, что на достаточно больших интервалах времени второе начало всё равно возьмёт своё, что, собственно, и видно по графикам в публикации [1].
Динамика энтропии в разных моделях, в безразмерных величинах. Сокращения: CIT -- classical irreversible thermodynamics, EIT -- extended irreversible thermodynamics. Источник: [1]
Поэтому авторы рекомендуют использовать другую модель (т.наз. расширенная модель необратимых термодинамических процессов). Вторая модель предсказывает монотонное возрастание энтропии. Все счастливы. Новизна, кмк, в том, что они применили особую модель теплопереноса, которая актуальна для материалов низкой размерности, в частности, для графеновых плёнок.
Итак, очередной ажиотаж в прессе. Но почему я решил написать сюда об этом?
На мой взгляд, данный вопрос имеет отношение к тому, что мы обсуждаем. По моему мнению, все физико-химические проявления жизни, -- так сказать, её термодинамический след, -- вообще ничем особенным не выделяются (за исключением разве что удивительно высокой эффективности реализованных в организмах процессов жизнедеятельности). Поэтому на вопрос о том, что такое жизнь, нужно отвечать с привлечением дополнительных средств научного описания, например, теории систем и биосемиотики, как я пытаюсь донести до читателя. Дело в том, что да, вот такие колебательные штуки проявляются не только на микроуровне. Например, всем известна реакция Белоусова. Вот очень хороший ролик про эту реакцию, рекомендую:
Да, на достаточно больших интервалах всё равно второе начало проявится. Но ... что такое большой интервал? Большой-небольшой -- вещи относительные. Вот Л. Больцман полагал, что наша вселенная -- это такая гигантская флуктуация, и что "короткий" интервал для неё может быть гигантским по сравнению с жизнью человека. На этом натуралисты и пытаются выехать при объяснении жизни.
Последователи А.Опарина, И.Пригожина и др. деятелей, как всегда, спешат распрощаться "с мистическим ореолом жизни", как они говорят, и свести её к проявлениям природных регулярностей, пусть даже таких сложных, как цикл Кребса, или хотя бы вот такие, как в ролике, автокаталитические контуры попроще.
И тем не менее, при описании жизни от проблемы трансляции информации никуда не деться. Необходимость трансляции вызвана тем, что воспроизведение неоднородной живой системы происходит по описанию, хранящемуся в памяти. Трансляция подразумевает наличие символьной памяти и аппарата чтения-записи, а также встроенность в систему правил обработки инструкций для воспроизведения организма. Трансляция в данном случае -- это перевод с языка нуклеотидных последовательностей, на котором выражены инструкции по построению дочернего организма, на язык аминокислот для воссоздания протеома. Трансляция предполагает использование кода: вариативность/комбинаторику, произвольную относительно законов природы, лишь дозволяемую, но не определяемую ими. Иными словами, трансляция предполагает возможность пассивного описания воспроизводимой системы, не зависимого от градиентов вещества и энергии в ней. Таким образом, по самому своему смыслу, трансляция означает несводимость жизни исключительно к градиентам вещества/энергии и, следовательно, к движению частиц вещества в системе.
Для того, чтобы появилась жизнь, необходимо обеспечить семантическую замкнутость живого организма. Семантическое замыкание есть особое физическое состояние, характеризующееся согласованностью трех компонентов [4]:
Согласованность условий 1-3 должна быть обеспечена до того, а не в процессе. Никакой гистерезис и циклическая смена освещенности, кислотности и др. в мифическом первобытном супе им не помогут. Поможет только одно: внешний агент, который (1) знает, что нужно обеспечить, и (2) умеет это делать.
Что, собственно, мы и видим на каждом шагу осмысленной интеллектуальной деятельности. Для того, чтобы получить результат, прежде всего, должны существовать идея, и план ее осуществления, а также способность и возможность привести этот план в действие. Планирование и целеполагание -- то, что отличает действия агента от проявления так называемых факторов естественной причинности (природных регулярностей и случайности).
Но что мы слышим в ответ от натуралистов? Только детские капризные возражения, что, видите ли, нельзя заключать о том, что жизнь создана, основываясь только на опыте человеческой деятельности, потому что мы должны в таком случае прийти к абсурдному выводу о том, что жизнь создана человеком. Однако, если посмотреть непредвзято, абсурден не только этот вывод.
Абсурдно неприятие натуралистами здравого смысла, который состоит в том, что для построения любой лингвистической системы и жизни, в частности, требуется идея, цель, план и конкретные осмысленные действия по претворению этого плана в дело. Именно такое следствие совершенно естественно вытекает из наблюдений.
По-другому бывает только в сказках. Только у фантазёров типа Энгельса обезьяна может взять палку, бить ей, бить по камушкам и ... трах-тибидох-тибидох-пшшш, как говорил Хоттабыч, однажды превратиться в человека разумного.
Литература
Уже имея печальный опыт разбора газетных публикаций, я сразу обратился к источнику [1]. И что же? Ничего такого "особенного" там не написано. Там сравнивается несколько моделей теплопереноса на предмет изменения энтропии. Модель, которую они называют классической, предсказывает для некоторых уравнений теплопереноса ... немонотонное возрастание энтропии.
Баллистический теплоперенос описывается уравнением:
Т^^ + (1/t) * T^ = c2T'',
где T -- абсолютная температура, t -- время, прошедшее с момента теплового возмущения, с -- cкорость звука, ' означает производную по пространству, ^ -- по времени.
Вот как раз для такого режима теплопереноса классическая модель предсказывает, о ужас, осцилляции энтропии, наложенные на асимптотику.
Для адиабатически замкнутой системы, как пишут авторы, это неприемлемо. Я, конечно, не специалист, но всё зависит от относительных величин амплитуд энтропии -- флуктуирование энтропии возможно, более того, я видел публикации [2-3], где как раз описывались наблюдения флуктуаций энтропии в системе, которую можно было считать замкнутой. Проявляются флуктуации или нет, понятно, что на достаточно больших интервалах времени второе начало всё равно возьмёт своё, что, собственно, и видно по графикам в публикации [1].
Динамика энтропии в разных моделях, в безразмерных величинах. Сокращения: CIT -- classical irreversible thermodynamics, EIT -- extended irreversible thermodynamics. Источник: [1]
Поэтому авторы рекомендуют использовать другую модель (т.наз. расширенная модель необратимых термодинамических процессов). Вторая модель предсказывает монотонное возрастание энтропии. Все счастливы. Новизна, кмк, в том, что они применили особую модель теплопереноса, которая актуальна для материалов низкой размерности, в частности, для графеновых плёнок.
Итак, очередной ажиотаж в прессе. Но почему я решил написать сюда об этом?
На мой взгляд, данный вопрос имеет отношение к тому, что мы обсуждаем. По моему мнению, все физико-химические проявления жизни, -- так сказать, её термодинамический след, -- вообще ничем особенным не выделяются (за исключением разве что удивительно высокой эффективности реализованных в организмах процессов жизнедеятельности). Поэтому на вопрос о том, что такое жизнь, нужно отвечать с привлечением дополнительных средств научного описания, например, теории систем и биосемиотики, как я пытаюсь донести до читателя. Дело в том, что да, вот такие колебательные штуки проявляются не только на микроуровне. Например, всем известна реакция Белоусова. Вот очень хороший ролик про эту реакцию, рекомендую:
Click to viewДа, на достаточно больших интервалах всё равно второе начало проявится. Но ... что такое большой интервал? Большой-небольшой -- вещи относительные. Вот Л. Больцман полагал, что наша вселенная -- это такая гигантская флуктуация, и что "короткий" интервал для неё может быть гигантским по сравнению с жизнью человека. На этом натуралисты и пытаются выехать при объяснении жизни.
Последователи А.Опарина, И.Пригожина и др. деятелей, как всегда, спешат распрощаться "с мистическим ореолом жизни", как они говорят, и свести её к проявлениям природных регулярностей, пусть даже таких сложных, как цикл Кребса, или хотя бы вот такие, как в ролике, автокаталитические контуры попроще.
И тем не менее, при описании жизни от проблемы трансляции информации никуда не деться. Необходимость трансляции вызвана тем, что воспроизведение неоднородной живой системы происходит по описанию, хранящемуся в памяти. Трансляция подразумевает наличие символьной памяти и аппарата чтения-записи, а также встроенность в систему правил обработки инструкций для воспроизведения организма. Трансляция в данном случае -- это перевод с языка нуклеотидных последовательностей, на котором выражены инструкции по построению дочернего организма, на язык аминокислот для воссоздания протеома. Трансляция предполагает использование кода: вариативность/комбинаторику, произвольную относительно законов природы, лишь дозволяемую, но не определяемую ими. Иными словами, трансляция предполагает возможность пассивного описания воспроизводимой системы, не зависимого от градиентов вещества и энергии в ней. Таким образом, по самому своему смыслу, трансляция означает несводимость жизни исключительно к градиентам вещества/энергии и, следовательно, к движению частиц вещества в системе.
Для того, чтобы появилась жизнь, необходимо обеспечить семантическую замкнутость живого организма. Семантическое замыкание есть особое физическое состояние, характеризующееся согласованностью трех компонентов [4]:
- интерпретатора;
- такого описания самовоспроизводящейся системы, которое было бы "понятно" интерпретатору;
- и, наконец, описания самого интерпретатора для его воспроизведения.
Согласованность условий 1-3 должна быть обеспечена до того, а не в процессе. Никакой гистерезис и циклическая смена освещенности, кислотности и др. в мифическом первобытном супе им не помогут. Поможет только одно: внешний агент, который (1) знает, что нужно обеспечить, и (2) умеет это делать.
Что, собственно, мы и видим на каждом шагу осмысленной интеллектуальной деятельности. Для того, чтобы получить результат, прежде всего, должны существовать идея, и план ее осуществления, а также способность и возможность привести этот план в действие. Планирование и целеполагание -- то, что отличает действия агента от проявления так называемых факторов естественной причинности (природных регулярностей и случайности).
Но что мы слышим в ответ от натуралистов? Только детские капризные возражения, что, видите ли, нельзя заключать о том, что жизнь создана, основываясь только на опыте человеческой деятельности, потому что мы должны в таком случае прийти к абсурдному выводу о том, что жизнь создана человеком. Однако, если посмотреть непредвзято, абсурден не только этот вывод.
Абсурдно неприятие натуралистами здравого смысла, который состоит в том, что для построения любой лингвистической системы и жизни, в частности, требуется идея, цель, план и конкретные осмысленные действия по претворению этого плана в дело. Именно такое следствие совершенно естественно вытекает из наблюдений.
По-другому бывает только в сказках. Только у фантазёров типа Энгельса обезьяна может взять палку, бить ей, бить по камушкам и ... трах-тибидох-тибидох-пшшш, как говорил Хоттабыч, однажды превратиться в человека разумного.
Литература
- Aleksei A. Sokolov, Anton M. Krivtsov, Wolfgang H. Müller, and Elena N. Vilchevskaya: Change of entropy for the one-dimensional ballistic heat equation: Sinusoidal initial perturbation, Phys. Rev. E 99, 042107 - Published 4 April 2019.
- Wang, G. M.; Sevick, E. M.; Mittag, Emil; Searles, Debra J.; Evans, Denis J.: Experimental Demonstration of Violations of the Second Law of Thermodynamics for Small Systems and Short Time Scales, Phys. Rev. Letters. 89 (5), doi:10.1103/PhysRevLett.89.050601, 2002.
- Carberry, D. M.; Reid, J. C.; Wang, G. M.; Sevick, E. M.; Searles, Debra J.; Evans, Denis J.: Fluctuations and Irreversibility: An Experimental Demonstration of a Second-Law-Like Theorem Using a Colloidal Particle Held in an Optical Trap, Physical Review Letters. 92 (14), doi:10.1103/PhysRevLett.92.140601, 2004.
- Howard Pattee: Evolving Self-References, Matter, Symbols, and Semantic Closure, 10.1007/978-94-007-5161-3_14, May 2001.