Главная страница  Содержание  Почта

АНАКСАГОР
КЭНЗ

ЕСТЬ ЛИ В ПРИРОДЕ ЭНЕРГИЯ

Природа боится не только пустоты
но и потерять равновесие

мудрая мысль

Аннотация. Без энергии не работает ни одна система, без нее невозможно движение. Без нее не шелохнется ни один листочек, и не будет слабенького ветерка. Еще труднее представить себе жизнь без энергии. Так что же такое энергия, и есть ли она в природе? Может быть это просто кажущееся явление и как нечто самостоятельное в природе не существует?
Оказывается, действительно, как нечто самостоятельное в природе не существует. Она является результатом неоднородного, неравновесного состояния материи. При этом самопроизвольно возникает движущая сила направленная на выравниванию этих неоднородностей (неравновесностей) и установления равновесия. Это и порождает явление энергии (и силы). Здесь мы обнаруживаем некую фундаментальную закономерность природы: стремления к равновесии. Она и является причиной энергии и движения.
Давно применяемые нами понятия потенциальной и кинетической энергии, тоже "берут начало" здесь. Потенциальная энергия - это наличие и степень неравновесности (асимметрии), а кинетическая энергия - самопроизвольное движение в сторону равновесия. На этом месте обычно мы говорим: потенциальная энергия переходит в кинетическую. Поэтому неравновесное состояние материи + стремление к равновесии - и есть источник энергии и движения. Пока есть асимметрия (неравновесность) - будет движение. Не будет асимметрии - не будет ни энергии, ни движения.
Сделав, положение равновесия одной из центральных "фигур" и положив его в основу некоей модели, вполне возможно объединить четыре "фундаментальные силы" природы (гравитационные, электромагнитные, сильное и слабое) в одну - через некое асимметричное состояние материи. Ибо они возникают при движении к равновесии.
Тут не приводятся формулы, все они хорошо известны. Если внимательно сопоставит формулы означающие потенциальных и кинетических энергий из различных областей, будь это механика, термодинамика, электродинамика и т.д., то нетрудно убедиться, что все они означают почти одно и тоже: разность какого либо параметра (потенциальная энергия) и движение (кинетическая энергия) в сторону равновесия.
Таким образом, ниже рассматривается качественная сторона понятия энергии, направленная на понимание сущности и механизм возникновения этого явления, которого называем энергией ( и силой).

Введение. Сегодня понятие энергии настолько вошло в наш обыденный лексикон, что мы не задумываясь применяем этот термин по поводу и без повода. Нам кажется, что это существует в реальности как отдельная вещь или субстанция, как например, воздух или вода. В обыденной жизни часто говорим, поднять что-либо или копать земли в саду не хватает энергии или если нет света в доме, говорим, нет электрической энергии. Наши машины используют силу давления сгоревшей углеводородной смеси в двигателях внутреннего сгорания или напора струи высокоскоростного истечения газа в реактивных двигателях. Для кипячения воды на газовой плите применяем тепловую энергию, выделяющуюся при химических реакциях горения. Также часто используем термины атомная энергия, ветровая энергия, энергия падающей воды и др. В различных областях науки в зависимости от области исследования применяются термины: гравитационная энергия, внутренняя энергия, химическая энергия, биоэнергия и т.д. Так много оказывается разных энергии, а мы жалуемся что энергии не хватает. Или, мы что-то не понимаем. Может быть, нам поможет всезнающая энциклопедия?
"Энергия (от греч. energeia – действие, деятельность) – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи".
Да, однако, понятнее не стало. Слишком общее, неопределенные, расплывчатые формулировки и толкования этого понятия, бытующие на сегодняшний день, подвигли меня предпринять попытку понять, что означает это слово и каковы механизмы этого явления. Но прежде немного истории и о чем пишут об этом в учебниках

Сам термин «энергия» появился лишь в начале XIX века и был введен в механику английским физиком Т.Юнгом, под которой он понимал величину пропорциональную механической работе. Чуть позже его соотечественник Д.Джоуль установил первую эквивалентность, измерив механическую работу, которую необходимо затратить, чтобы поднять температуру данного количества воды на один градус. Также Джоуль обнаружил, что связи,  между выделением или поглощением тепла, в электрических и магнитных явлениях, в химических реакциях, а также биологическими объектами, носят характер «превращения». Он же определил общий эквивалент для физико-химических превращений, что позволило измерить сохраняющуюся величину. Впоследствии эта величина стала известна как «энергия». А немецкий ученый Г.Гельмгольц сформулировал это как закона сохранения энергии. В этом также большую роль сыграли работы его соотечественника Ю.Майера.
Энергия первоначально была в физике абстрактной идеей, и стало популярным благодаря закону сохранения энергии, согласно которому она не возникает из ничего и не уничтожается. Это понятие сильно упрощает описание широкого круга физических процессов и охватывает огромное количество экспериментальных фактов, и не будь понятия энергии, пришлось бы рассматривать этих фактов каждый по отдельности.

Что же мы привыкли называть термином энергия? В учебниках пишут, что это способность совершать работу. В соответствии с различными формами движения материи рассматриваются механические, внутреннее, электромагнитные, ядерные и др. виды энергии.
Механическая энергия характеризует способность тела совершать работу, характеризует движение и взаимодействие тел, является физической величиной определяемая состоянием системы тел – взаимным расположением и их скоростями. Находясь в том или ином механическом состоянии, система тел обладает определенной энергией, вследствие взаимодействия тел с другими телами и взаимодействием их частей, либо своего движения. Изменение энергии при переходе из одного состояния в другое равна работе внешних сил. Полная механическая энергия системы равна сумме кинетической и потенциальной энергий.

Кинетической энергией называют энергию, которой тело обладает вследствие своего движения. Она равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости.
Кинетической энергией обладают все движущиеся тела. Например, текущая вода, ветер, вращающееся колесо, движущийся электрон и т.д.
Физический смысл кинетической энергии заключается в том, что эта энергия равна работе, которую надо совершить.
Потенциальной энергией называют энергию, которая определяет взаимным расположением тел или частей одного тела. Потенциальная энергия - энергия взаимодействия тел. Такой энергией обладают, например, поднятый камень на какую-нибудь высоту над Землей, сжатая или растянутая пружина и др.
Взаимодействующие тела могут обладать одновременно и кинетической и потенциальной энергией, то есть полной энергией.
Летящий мяч, например, обладает и кинетической и потенциальной энергией, так как кроме движения вперед он взаимодействует с Землей силой всемирного тяготения. В момент удара о Землю механическая энергия мяча частично переходит во внутреннюю энергию и т.д.

Если от механики перейдем к термодинамике, то здесь рассматривается в основном внутренняя энергия системы.
Отдел физической науки, термодинамика, рассматривает все явления с точки зрения взаимообмена и преобразования энергии. Совокупность физических тел, которые взаимодействуют между собой и внешней средой, обмениваясь с ними энергией и веществом, является термодинамической системой. Правда, термодинамика, для облегчения изучения, рассматривает изолированные системы, которые не взаимодействуют с окружающей средой. То есть извне не поступает ни энергии, ни вещества, также энергия и вещества самой системы не передается наружу.
Но в отличие от такой идеализированной системы, реальные системы в той или иной мере обмениваются с окружающей средой и энергией и веществом, и поэтому можно сказать, что в природе не существуют совершенно закрытых систем. Тем не менее, некоторые закономерности идеализированной системы вполне применимы и к реальным системам. Одна из таких закономерностей это тепловое равновесие. Если долгое время внешние условия остаются неизменными, то любая термодинамическая система рано или поздно самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.
При тепловом равновесии все макроскопические параметры системы могут оставаться сколь угодно долго неизменными. В таком состоянии не происходит теплообмен с окружающей средой, не изменяется объем, и давление газа, отсутствуют взаимное превращение жидкостей, газов и твердых тел и т.д. При этом микроскопические процессы внутри тела (движение и взаимодействия частиц) не прекращаются. Между частицами тела (системы) происходит обмен энергией: частицы с большой энергией передают энергию частицам с меньшей энергией. Идет внутреннее выравнивание температур.
Стоит только измениться внешним условиям, так сразу нарушается равновесие системы, и начинается движение, пока система опять не адаптируется к новым условиям. Поэтому можно сказать, что у системы могут быть множество состояний теплового равновесия, каждому из которых соответствует определенная температура. Например, вода при температуре выше 100^оС находится в виде пара, если постепенно понижать температуру скажем до 15^оС, она превратится в жидкость и при этом будут изменятся многие ее свойства. Если поддержать некоторое время эту температуру, то наступит тепловое равновесие. Это ее относительно равновесное состояние в этих конкретных условиях.
Если дальше изменить температуру, скажем до -10^оС то превратиться в лед, и опять изменятся почти все физические параметры и свойства: объем, плотность, электрические и магнитные свойства и др. Таким образом получается, что любая система может обладать множеством подвижных равновесных состояний в зависимости от внутренних, и в особенности от внешних условий.

В химической науке хорошо известно принцип Ле Шателье, принцип подвижного равновесия, который гласит: если на равновесную систему производить внешнее воздействие, то положение равновесия смещается в направлении ослабления эффекта этого воздействия.
Это проявляется, например, при повышении внешней температуры динамическое равновесие химической системы смещается в сторону эндотермических ( поглощение теплоты) процессов. Если нагреть алюминий до температуры 700^оС, то вследствие поглощения тепловой энергии, у него увеличится внутренняя энергия и он перейдет в жидкое состояние.
При понижении температуры равновесие процессов смещается в сторону экзотермических реакции (выделение тепловой энергии). Согласно этому если жидкий алюминий поместить в условия низкой температуры (или дать охладится ниже 600^оС), то он будет отдавать тепло окружающей среде, внутренняя энергия уменьшится, и он перейдет в твердое состояние.
Увеличение давления смещает химическое равновесие в направлении процессов в сторону уменьшения объемов получаемых продуктов, а уменьшение давления, наоборот, в сторону образования веществ с большими объемами выходных продуктов.
Таким образом, само равновесие оказывается весьма подвижной "штучкой" и зависит от многих условий: как от внешних, так и внутренних. Но опыт показывает, что все-таки зависимость от внешних условий больше. Система постоянно подлаживается в первую очередь к изменениям внешней среды. И это соответственно, требует от системы внутренней "перестройки": то превратиться в пар, то в жидкость, то перейти в твердую фазу. При этом обычно либо выделяется энергия, либо поглощается.

Выделение энергий, поглощение энергий, энергообмен во всяких его проявлениях изучается термодинамикой. Здесь наиболее известны два закона. Первый из них гласит: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме количества теплоты, сообщенного системе, и работы внешних сил, совершенной над системой.
Второй закон постулирует невозможность передачи тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах. Если перевести на реальный, действительный мир, это указывает на необратимости процессов в природе. Или по другому, используя понятие, введенную в термодинамику для определения меры необратимости рассеяния энергии, второй закон еще называют законом возрастания энтропии.

Если сейчас перейти к электродинамике добавляются электрические и магнитные энергии. Электрические и магнитные поля характеризуются энергетическими и силовыми характеристиками. Если разность потенциалов в различных точках поля определяют энергетическую характеристику поля, то сила действующая на пробный заряд помещенный в это поле определяет силовую характеристику, которая именуется напряжением поля. Большей части все зависит от разности потенциалов, чем больше разность потенциалов, тем больше энергии и силы действующие на тела находящиеся в этом поле. Также чем больше разность потенциалов на концах проводника, тем выше сила тока.

После такого краткого ознакомления, что обычно пишут о энергии в учебниках и приняв их как базисные, так как эти положения многократно подтверждены практикой, попробуем далее разобраться что же такое энергия и есть ли она в природе.

Энергия. Так как ветер тоже обладает энергией, для начала задумываемся, что такое ветер. Тут мне хочется сделать небольшой экскурс в филологию. Если более конкретно то, что мы понимаем под определенным конкретным словом. Например, стол, человек, ветер и энергия. Если возьмем слово стол или человек, за ними мы понимаем конкретных вещей. Стол можно пощупать, на него опереться, удариться головой и набить шишку. И человека можно щелкнуть по носу или обнять, то есть стол и человек реальны и конкретны. А вот слова ветер и энергия не так просты, как кажутся на первый взгляд. Если начать «копать» глубже пытаясь понять, что же лежит под этими словами, мы придем к выводу, что они, по сути означают сложные физические явления. Они не конкретны и не реальны, потому что являются абстракциями. Если сейчас попытаться понять, что такой ветер, мы поймем, что это движение воздушной массы в каком то направлении. А что его движет или что является движущей силой? Движущую силу порождает разница в давлении, где то больше, где то меньше. Наше слово ветер на этом уровне как бы испарился, перестал существовать. Есть частицы воздуха, есть разница в давление, и воздух движется в сторону меньшего давления. Скажете причем тут слово энергия? Вот это движущуюся силу мы и называем словом энергия. Если само природное явление в данном случае называем ветер, то порождаемое им движущуюся силу называем термином энергия. А источником всего этого является разница в давлении между пространственно разделенными местностями. Эту разницу в давлении природа "старается" ликвидировать и выровнять давление.

Рассмотрим еще один простой школьный опыт. Возьмем два одинаковых стакана. В один нальем хлорида меди и опустим в него медную пластину, в другую - раствор хлорида цинка и опустим в него цинковую пластину. Внешне в стаканах вроде бы ничего не происходит. А в самом деле, в очень тонком слое раствора, прилегающем к металлу, полярные молекулы воды, начинают вырывать из кристаллической решетки меди ее ионы.
Слой раствора прилегающая к металлу, за счет избытка положительных ионов приобретает положительный заряд. Возникает разность потенциалов, которая стремится вернуть ионы меди обратно в металл. Таким путем, в этой области устанавливается динамическое равновесие. В отличие от химического равновесия, полученные нами характеризуется не только соотношением концентрацией реагентов и продуктов, но и разницей потенциалов. В результате химических процессов появилось электрическое устройство. Полученная таким образом система из двух полуэлементов называется гальваническим элементом.
Если сейчас соединить металлические пластинки проводником с встроенным в него гальванометром и амперметром, то мы увидим, что стрелки гальванометра отклонится, показывая наличие разность потенциалов. При этом стрелка амперметра останется на нуле, что свидетельствует об отсутствии тока между пластинами.
Если теперь соединить стаканы с трубочкой с раствором какой либо соли (солевым мостиком), то амперметр покажет наличие тока. При этом, поскольку электродный потенциал цинка ниже, чем у меди, то электроны из цинковый пластины пойдут в медную. По принципу Ле Шателье в обоих элементах сместится равновесие. Это приведет к тому, что медь из раствора будет осаждаться на медной пластинке, а цинк - будет уходит с цинковой пластины в раствор. По солевому мостику избыток положительных ионов из стакана с хлоридом цинка будет переходит в раствор хлорида меди, восстанавливая электростатическое равновесие. Этот процесс будет продолжатся до тех пор, пока либо не растворится полностью цинк, либо не кончится хлорид меди.

Как видим, чтобы появилась энергия (движущая сила) нужна асимметрия в параметрах (градиент, разница) как минимум в двух пространственно разделенных точках (местах). Вышеприведенных примерах это, в первом случае - разница в давлении, а во втором - разность потенциалов. При попытки восстановить равновесие возникает движение и это дает природным процессам определенную направленность.
Если между двумя разделенными точками нет асимметрии параметров, нет движущей силы, нет никакого движения. Поэтому абсолютная симметрия (абсолютное равновесие) означает полный покой, полную тишину, где состояние материи совершенно однородно и нет никаких возмущений.
В случае же появления неоднородностей,  асимметрии  параметров, самопроизвольно возникает движущая сила (энергия), направленная на выравнивания этих параметров.
Это может быть: разница в температуре, когда тепло передается от горячего тела к холодному; в давлении, когда материя движется в сторону меньшего давления; в концентрации химических элементов и веществ; в градиенте потенциалов гравитационных или электромагнитных полей, и др.
Электрические заряды, магнитные полюса сами по себе уже содержат асимметрию и создают градиент напряженности поля, а значит являются источником возникновения энергии (движущей силы) и силы, под которой понимаем степень воздействия на тело помещенное между асимметричными точками.

Наблюдаемые нами разрушительные ураганы, смерчи, торнадо являются следствием большой степени асимметрии в давлении пространственно разделенных местностей. Чем асимметрия будет выше, тем выше окажется скорости движения воздушных масс и тем выше будет сила ветра. Такая же закономерность наблюдается при теплообмене между телами (или окружающей средой), чем выше разность температур, тем интенсивнее теплообмен. В электродинамике, аналогично, чем выше разность потенциалов, тем выше сила тока. Поэтому особо важным является именно степень асимметрии (разность, градиент), от нее зависит движущая сила (энергия) и сила, которая будет действовать на тела находящиеся в области этих асимметрии.

Поэтому можем сделать вывод, чего мы называем энергией – это движущая сила возникающая вследствие асимметрии параметров. Чем больше степень асимметрии параметров, тем сильнее движущая сила (энергия) и выше скорость движения. Уменьшением степени асимметрии уменьшается и скорость движения.

В реальном мире у любой системы могут возникнуть множество различных асимметричных параметров (неравновесностей): температура, давление, плотность, концентрации химических элементов и веществ, разность потенциалов и др., не только внутри системы, но и с окружающей средой. При этом возникает, как мы привыкли говорит, интенсивный процесс обмена веществом и энергией, пока система не придет в относительно равновесное состояние. Из термодинамики известно, что относительно равновесное состояние какой-либо системы может быть множество. С изменением внешних условий система вынуждена будет прийти другому, какому-то новому равновесному состоянию. Скажем, вода при -10^оС находится в относительно равновесном состояние с окружающий средой в виде льда, но с изменением температуры до +10^оС, вынуждена будет перейти в жидкое состояние. При этом изменятся многие ее параметры: плотность, объем, теплоемкость, электрические и магнитные свойства и др. Это ее равновесное состоянию в этих условиях. Железо в этих условиях находится в твердой фазе, а скажем, кислород в виде газа. Поэтому можно сказать, что наблюдаемые нами агрегатные состояния веществ - твердые, жидкие и газообразные - являются динамически равновесным состоянием этих тел в данных условиях. Если их поместить в другие условия ( или изменятся условия), то они изменят свои внутреннее состояние, пока не придут в новое относительно равновесное состояние соответственно изменившимся условиям. Все эти изменения, как уже выше было упомянуты, могут происходит или выделением или поглощением энергии. Иными словами, при движении системы к равновесии либо поглощается, либо выделяется то, что мы называем энергией.

Такие же механизмы стремления к относительной равновесии лежат в процессах деления тяжелых ядер на более легкие с выделением огромной энергии. Поглощая нейтроны, ядра этих элементов (скажем, уран) становятся неустойчивыми (неравновесными) при данных конкретных условиях и вынуждены делением стремиться к устойчивому равновесному состоянию.
Мне кажется, чего мы называем радиоактивностью, это есть неравновесное состояние этих радиоактивных химических элементов в сегодняшних, конкретных условиях, которая существует на Земле. Помещая их в какие-то иные условия, думаю, вполне можно добиться, что они перестанут быть радиоактивными. Другими словами, можно видимо найти (или когда-то были на Земле) условия при которых эти элементы будут довольны устойчивы, относительно равновесны с окружающей средой и не будут "фонит". Таким же путем, мне кажется, можно любой элемент превратить в радиоактивную помещая их в другие условия, где внутреннее состояние этих элементов станут неравновесным с окружающей их средой, тогда они начнут "фонит", пытаясь перейти к новому относительно равновесному состоянию.

Чего мы называем законом сохранения энергии, это ничто иное как при стремлении природы создать равновесие (симметрию) какого-то параметра, получается асимметрия чего-то другого. Тот же ветер, при попытки выровнять асимметрии в давлении, может образовать асимметрию в плотности и количества вещества другом месте (снежные заносы, барханы). Может попутно совершит полезную работу: вращать лопасти ветряной мельницы (механическая энергия), или вырабатывать электричество (электрическая энергия).
Попытка выровнять разность потенциалов приведет в движение заряженных частиц, и могут возникнут асимметрии в температуре (нагрев), асимметрии в плотности вещества (например, электролиз). И при этом могут совершаться какие-либо работы: подъем лифта, обогрев дома, освещение и др.
Подняв камень на высоту 1 м. и положив на упор, мы потратили мускульную энергию и получили асимметрию в двух точках в поле тяготения (разница высот) для камня. Физик скажет, что энергия запасена грузом, так как находится на некоторой высоте. Таком ответе скрыто представление о потенциальной энергии. Эта энергия может высвобождаться, стоит только столкнуть груз - он рухнет вниз. Звук от удара унесет часть энергии, высвободившейся при падении груза. Потенциальная энергия переходит в кинетическую, то есть природа стремиться ликвидировать асимметрию. Иными словами, если потенциальная энергия означает наличия и степень асимметрии, то кинетическая - акт стремления природы к равновесному состоянию (движение).
Такие примеры мы наблюдаем в каждом шагу. Если в чашку с черным кофе налить немного молока (возникла асимметрия), оно начнет распределяться по всему объему до тех пор, пока не установится равновесное состояние (симметрия). Явления диффузии, излучения, распространение волн, конвекция и т.д., все это следствия стремления природы к равновесному состоянию.

Поэтому можно сделать вывод и мне кажется, что это является одним из основополагающих выводов и, видимо, нужно воспринимать как фундаментальную закономерность:
в природе есть лишь один вид динамического состояния, которому природа стремится всегда - равновесие (симметрия). Отклонение от этого положения приводит к асимметрии (неравновесие), что является источником энергии и движения и дает природным процессам определенную направленность в сторону достижения равновесия.

Видимо, эта закономерность является причиной необратимости процессов в природе. Другими словами, в природе процессы никогда не пойдут в направлении самопроизвольного нарушения равновесного состояния. Самопроизвольно процессы идут только в сторону установления равновесия. Тепло самопроизвольно передается только от горячего к холодному, жидкость и газ движется только в сторону меньшего давления, свет от сферического источника излучается равномерно во все стороны и т.д. Поэтому только при наличии, или, искусственного создания асимметрии получаем энергию (движущую силу). Например, электрический ток в сети. Для поддержания асимметричного состояния (разность потенциалов), которое является необходимым условием, приходится прилагать дополнительные усилия. Если этого не делать разность потенциалов исчезнет, наступит равновесие и тока не будет.

Видимо, эта же закономерность является причиной однонаправленности "времени". Как таковой как отдельная субстанция времени не существует, оно является лишь динамической характеристикой различных процессов, идущих в различных системах. Мы выражаем их динамичность и длительность через наш некий выбранный эталон (вращение Земли, Луны, колебания атома, маятника и др.), где наш эталон служит единицей динамичности. Наши ощущения динамики окружающего мира тоже основаны на сравнении скоростей внутренних и внешних процессов, где внутренние процессы служат индивидуальным эталоном любого человека.
Раз мы тут определили, что процессы имеют необратимый характер и идут только в сторону достижения равновесия, то и у нас возникает ощущение что "стрела времени" имеет тоже одно направление.

Эта же закономерность, скорее всего, имеет глобальный характер и охватывает все Вселенную. Ведущие процессы глобального масштаба, видимо, направлены на достижение равновесия. Считающиеся общепринятой на сегодняшний день точка зрения рождения Вселенной вследствие Большого Взрыва или же путем инфляционного расширения, на мой взгляд, невозможны без изначальной асимметрии параметров. Если предположить, что изначально Вселенная была в симметричном (равновесном) состоянии, то чтобы вывести из этого состояния нужно внешние воздействие или изменение каких то внешних по отношении к нашей Вселенной параметров.
Если исходит из того, что все-таки в расширении "повинны" какие-то внутренние параметры, то мы должны признать, что изначально внутри Вселенной существовала неравновесность, что явилась причиной взрыва или же инфляционного расширения. А расширение (если это верно) является естественной реакцией на эту внутреннюю асимметричность и стремление природы к равновесию в масштабе Вселенной.
Хотя нельзя исключить вариант, что расширение имеет локальный характер, а не вообще в масштабе Вселенной. Но суть от этого не меняется.

Наш мир имеет иерархическую структуру. Состоит из множеств различных, как бы, вложенных друг в друга, пространственно обособленных структур (Систем). Нечто вроде матрешки. Если Вселенную принять за внешнюю фигурку, то самая маленькая лежит в микромире. Приближенной (грубой) форме, для наглядности, можно привести следующую, нисходящую схему: Вселенная -…?– скопления галактик – галактики – звезды – планеты - молекулы – атомы –(…?). (Обычно мы легче воспринимаем обратном порядке). Формирование Систем, видимо, идет в направлении от малых к большим. То есть, сперва образуются Системы микромира (эл.частицы, атомы), потом они объединяются в молекулы, эти в свою очередь - Системы нашего масштаба. Миллионы, миллиарды звезд образуют галактики, дальше – скопления галактик и сверхскопления. Каждая по масштабу большая Система формирует внешнее условие для малых, так как меньшие находятся внутри пространства большой Системы. И сами служат "кирпичиками" для строительства еще большей Системы.

В этих Системах могут идти различного рода процессы, отличающиеся друг от друга и по характеру и по скорости. В основном процессы направлены на достижение и поддержание динамического равновесия как внутри системы так и с окружающей средой, если какое-то время не изменяются внешние условия, или на достижения нового сбалансированного состояния если изменились внешние условия. При этом энергия может выделяться или поглощаться.

Выше мы упомянули об абсолютном равновесии, когда состояние материи совершенно однородно, нет возмущений, нет никаких флуктуаций. Это предельный случай. А в реальности речь идет об относительно подвижном равновесии, когда Системе удается сохранить целостность, обособленность, самостоятельность и в то же время пребывать «в согласии» с внешней средой. Иначе говоря, найти «точку согласия», «точку подвижного равновесия».

Наблюдаемые нами системы в данных условиях находятся относительно сбалансированном состоянии, поэтому относительно устойчивы. Хотя надо сказать, что такое утверждение весьма приближенно, так как многие Системы могут временно находится в разной степени неравновесной, квазиравновесной или же в стационарном состояниях (например, биосистемы). Все эти различные состояния Систем, какой бы она не была на сегодняшний день, являются лишь временными стадиями (временными "остановками", временно стабильными «точками») по пути к равновесному состоянию. Любая Система рано или поздно придет в равновесие. Только у какой-то Системы это займет больше времени, у какой-то – меньше.
Из-за наличия множество параметров все это не так уж просто, особенно для сложных Систем. Так как при стремлении выровнять разницу в одних параметрах, возникнут градиенты других параметров. Получится своего рода медленно затухающая колебательная система. Если представить более упрощенном виде, получается как маятник, когда стремясь прийти в равновесное состояние, он по инерции продолжает движение и оказывается противоположном крайнем, опять неравновесном положении. Только у природы не две положение асимметрии как у механического маятника (левое и правое), а множество (гр. и эл. магнитные поля, температура, давление, плотность, концентрация и т.д.)..

На первый взгляд кажется, что рождение звезд, галактик, квазаров из вихревых структур, противоречит тому, что природа не любит и всегда воспрепятствует появления асимметрии. А рождение звезд, галактик, квазаров по сути ведь асимметрия в плотности по отношении к окружающей среде. Оказывается не противоречит, наоборот, лежит в русле именно такой точки зрения. Вихреподобная структура не появляется сам по себе. Для ее возникновения нужна асимметрия параметров. Это может быть локальные неоднородности распределения вещества, состав и концентрация вещества, разность в температуре и в давлении, степень ионизации, потенциалы гравитационных и электромагнитных полей и др., между некоторыми участками локального пространства содержащей вещество. Тогда эта асимметрия параметров приведет в движение масс вещества в определенном направлении. И чем сильнее будет степень асимметрии параметров, тем мощнее и выше будет скорости движения. В конце концов, это приведет к скручиванию потоков и возникновению вихреподобной структуры.
Возникает взаимосвязанная единая система, скрепленная общим электромагнитным полем. В результате чего появляется общий центр масс - точка механического равновесия системы, вокруг которой начинают вращаться все тела. Как видим, с появлением вихреподобной структуры асимметрия (неравновесность) не исчезла, только появилась некая направленность этой асимметрии: между центральной частью и периферией. Это: во первых, общее электромагнитное поле с градиентом; во-вторых - общий центр масс, "притягивающий" все тела; и в третьих - градиент давления вещества вследствие дифференциального вращения. И это даже не самое главное: самое главное - возникла единая система, имеющая слишком большую потенциальную энергию (асимметрию), нечто вроде возбужденного атома. Тогда процессы самопроизвольно пойдут в сторону уменьшения энергетического состояния системы, в сторону достижения равновесия. Этому соответствует, когда система сожмется в центре и примет форму шара. Как известно, из всех геометрических фигур при данном объеме, сфера имеет минимальную поверхностную энергию. Поэтому в природе большинство тел самопроизвольно принимают сферическую форму. Отсюда вполне логично предположить, что наиболее вероятным, энергетически выгодным состоянием возникшей вихреподобной структуры (протозвезды, галактики) является когда она сожмется в шар, образовав нечто вроде звезды или квазара.
Таким образом, природа стремясь уничтожить первоначально возникшую асимметрию, совершила работу и создала другую асимметрию, в плотности. Это тоже самое, как превращение одного вида энергии в другую, асимметрия полностью не уничтожается, а переходит один вид асимметрии в другую. Что характерно, рождение звезд и квазаров, очень похож на пример, когда мы рассматривали ветер и электрический ток и совершаемые ими работу. И там и здесь получаем как один из сопутствующих эффектов асимметрию в плотности. Только масштабы другие.

Такой подход и более конкретное толкование энергии, как следствие асимметрии параметров, позволяет сказать, общепринятое утверждение, что энергию нельзя создать и нельзя уничтожить может оказаться не совсем верным. Энергию (движущая сила) можно создать и можно уничтожить. Это не попытка отмены закона сохранения энергии, а лишь небольшое уточнение, так как чтобы получит энергию мы должны сперва создать асимметрию, а потом уже дальше идет по цепочке превращение одного вида энергии в другую. Поэтому, говоря так, я имею ввиду именно о первоначальной асимметрии. Что это высказывание вполне правдоподобно, показывает более внимательное, вдумчивое наблюдение за нашей повседневной жизнью и за самой природой. Создавая разность потенциалов в электрической цепи, получаем электрический ток, мы ее создали. Если уберем разность потенциалов, то никакой энергии не будет, то есть мы ее уничтожили. Вся наша техника, работающая на двигателях внутреннего сгорания, использует силу давления сгоревшей углеводородной смеси, как раньше использовали давление водяного пара, в паровых двигателях. Эту движущую силу мы создали, и любое время можем уничтожить и т.д. В естественной природе вода течет и может совершать работу (значит, есть энергия), пока есть перепад высот (асимметрия). Если мы уничтожим перепад высот, вода естественно течь никуда не будет, не будет способна совершать работу, а значит и не будет и энергии. То же самое с ураганом, смерчем, если не будет асимметрии давлений, никакого урагана, никакого смерча, даже никакого ветерка не будет, полный штиль и тишь да гладь. Эти примеры из нашей повседневной жизни и в нашем масштабе.
Если обратимся к большим масштабам, где наши масштабы слишком ничтожны, видим вроде бы самопроизвольные движения небесных тел и воспринимаем все это как заданное навечно. Удивляет масштабы, удивляет гигантские, по нашим меркам, природные силы и бесконечное, на наш взгляд, движения всего и вся. Что является источником их движения, и куда они движутся? Если попытаемся ответить как обычно, что виновником является энергия, суть яснее не станет, так как не понятно, что такое энергия. А при подходе с позиций асимметрии параметров, несмотря на гигантские масштабы, механизмы и источники этих движений, на мой взгляд, становятся довольно понятными и простыми – это асимметричное, отличное от равновесия состояние. Если взять Солнечную систему, то источником движений планет вокруг Солнца является асимметричность, наличие градиента между центром и в точке местонахождения планеты, которое заставляет ее двигаться по замкнутой орбите. То же происходит в галактических масштабах, когда гигантские массы вещества вращаются вокруг галактического центра. Эти движения вызываются наличием асимметрии (неравновесия) между центром и периферией, которую природа старается ликвидировать и установить равновесие. В масштабе Вселенной, то же видимо, корни кроется в неравновесном состоянии вещества и полей внутри Вселенной (а, может, и не только), и стремлении природы к равновесию, что проявляется в гигантских скоростях и перемещении гигантских масс. Пока не ясно в чем асимметрия и асимметрия какого параметра является доминирующей (температура? давление? плотность? гравитация? или электромагнитные поля?).

Таким образом, стремление природы к равновесию (симметрии), действительно может оказаться одной из фундаментальных закономерностей. Во всяком случае, известные нам физические явления в природе пока подтверждают это. И если допустить, что эволюция нашей Вселенной идет в направлении от неравновесности (асимметрии) к равновесию (симметрии), то необратимости процессов в природе и вытекающие отсюда последствия выглядят вполне естественным и закономерным. Тогда чего мы называем словами энергия, движение, сила, взаимодействие, время являются не первичными, а являются лишь следствием асимметрии. Вернее -  асимметричного состояния сегодняшней Вселенной. И понятия симметрия (равновесие) и асимметрия (неравновесность) означают объективную реальность и становятся фундаментальными понятиями.
Тут хотелось отметить, что "четыре фундаментальные силы природы" (гравитация, электромагнитные, слабые и сильные) являются просто следствием неравновесного состояния Вселенной, и могут быть сведены к некоему единому асимметричному состоянию материи. Поэтому, мне кажется, некий обобщенный принцип или закон асимметрии (или симметрии) мог бы воедино объединить всех известных разрозненных законов и закономерностей, которые определяются и описываются понятиями силы и энергии.

Энтропия. Затронув понятие энергии, невозможно обойти понятие энтропии. В середине 60 гг. ХIХ в. немецкий физик Р. Клаузиус ввел новое понятие — энтропия. Оно было введено вначале для того, чтобы отличить обратимые процессы от необратимых. Было известно, что энтропия возрастает только в результате необратимых процессов. Но позже выяснилось, что энтропию можно рассматривать как внутреннюю эволюцию изолированной системы, так как изолированная система с течением времени самопроизвольно переходит равновесное состояние. При этом энтропия системы монотонно возрастает по мере приближения к термодинамическому равновесию, и равновесию соответствует состояние с максимумом энтропии. И получается, что изменение энтропии от минимума к максимуму принимается как фактор эволюции («стрела времени»).
На мой взгляд, можно это представить и по другому: система самопроизвольно переходит в равновесное состояние. Тут «эволюция» - движение системы к равновесию. И все – никакой энтропии. Здесь обращает на себя внимание тот факт, что одно и тоже состояние системы называем двумя разными терминами: максимум энтропии и равновесие. Не лучше ли убрать понятие энтропии, и оставив только понятие равновесия? Тем более как становится понятным, в реальной природе не существуют обратимых процессов. Периодические или циклические механические движения только кажутся обратимыми. Таковы, например, движения маятника или Земли вокруг Солнца. Но из-за наличия трения или иных возмущающих факторов они по сути не являются обратимыми процессами.
Термодинамические, химические, биологические процессы, по существу, представляет собой необратимых процессов. Процессы передачи тепла от горячего тела более холодному, или же, взаимодействие спирта с водой – как известно, необратимы. Если спирт с водой слить вместе, то со временем они смешаются. Обратный процесс - спонтанное разделение смеси на чистую воду и чистый спирт никогда не наблюдается.

Поэтому как некий вывод о необратимости процессов можно сказать, что человек просто для облегчения вычислений делает упрощение, оставляя "за бортом" многие незначащие на его взгляд факторы, что приводит к ошибочному мнению об обратимости процессов в природе. В самом деле, в природных процессах участвуют все факторы, притом комплексно, скопом. Вследствие этого природные процессы необратимы. Отсюда, раз в природе есть только необратимые процессы, а обратимых нет, то применение понятия энтропии, мне кажется, особого смысла не имеет. Энтропия становится пятой колонной.
Она завуалирует суть вещей и затрудняет понимание действительных процессов. Если вдуматься, независимо система изолирована или нет она стремиться, например, в данном конкретном случае к тепловому равновесию (симметрии) между внутренними частями, или же с окружающей средой. Кроме этого природа стремиться к равновесному состоянию не только в тепловых процессах, но и старается выровнять и другие параметры (разность давлений, потенциалов, концентраций вещества и др.). Поэтому понятия равновесие, симметрия более универсальны и применение их более ясно характеризуют и облегчают понимание состояния системы и могут охватить все параметры. Чего не скажешь о энтропии. Особенно когда речь идет о Вселенной. Если сказать, что у нее возрастает энтропия, на мой взгляд, многое становится завуалированным, туманным. Не проще ли сказать, что она стремиться к равновесному состоянию, к симметрии, а сегодняшнее состояние является асимметричной и далекой от равновесия.
Хотя есть и второй вариант. Термин энтропия (хаос)поменять на термин симметрия (порядок). Тогда, уже существующих формулах, где фигурирует энтропия, например,    dS = deS + diS, под S понимать симметрию. В состоянии равновесия как раз симметрия будет максимальна (как энтропия). Но, говоря симметрия мы обычно подразумеваем порядок. Вообщем то по сути с точки зрения природы это тоже есть порядок (равновесие). Весь забавность ситуации состоит в том, что мы (люди, наблюдатели) сегодняшнее состояние окружающего мира, где как бы естественным путем происходит самоорганизация и усложнения материи, наблюдается выполнение принципа от простого к сложному, называем порядком. Все эти процессы возможны только тогда, когда есть асимметрия. При абсолютно равновесном состоянии материи невозможны ни энергии, ни движения. Для движения, для жизни нужна асимметрия. Самоорганизация материи, образование сложных структур, возникновение энергии, движения, взаимодействий и т.д. возможны только неравновесной среде. Это состояние мы называем порядком. Но с точки зрения природы это состояние "воспринимается" как беспорядок (хаос) и она старается этот беспорядок привести в порядок (равновесие, симметрия). Поэтому, поменяв энтропию на симметрию, мы "сойдемся во взглядах" с природой.

Резюме. Таким путем, в поведении природы усматривается некое стремлении к равновесии. В случае возникновения неоднородностей она тут же старается их устранить. Поэтому появляется возможность, искусственно создавая разности параметров получить того, чего мы называем энергией. Или же умело использовать природой созданные асимметрии (гидроэлектростанции, ветряные устройства и др.).
Казалось бы можно получить энергию из чего угодно. Достаточно создать асимметрию неких параметров: в температуре, в давлении, разность потенциалов и др. и поддерживать эту разность. Но не все так просто. Вся суть в том, что, стоит ли овчинка выделки. Иначе говоря, если наши усилия затраченные на создание и поддержание этой асимметрии не дают выигрыша в виде энергии то толку мало. В этом отношении привлекательным выглядит область электромагнитных явлений. Там уже есть готовая асимметричность. Но как на деле извлечь из этого состояния необходимую нам энергию и поставит на службу электромагнетизм в полной мере, видимо, это вопрос будущего. Нужно внимательно приглядеться к электромагнитным явлениям и изучить их во всех ипостасях. Мне кажется, здесь не все еще изучено. И по мере изучения вполне могут появятся пути как это сделать.

Завершая это небольшое изложение о сути энергии, остается только отметить, что энергия - умозрительное, абстрактное понятие, и как отдельная субстанция в природе не существует. В ее основе лежит неравновесность параметров в состояние материи и стремление природы к выравниванию этих параметров и установлению равновесия. Поэтому, видимо, можно попытаться вкратце определить ее так:
Вследствие отклонения от положения равновесия различных параметров в состоянии материи, самопроизвольно возникает движущая сила, которую мы называем энергией, направленная в сторону установления равновесия.
Если это так, то чего мы называем энергией и силой, это - следствие стремления природы к равновесии. Если взять за основу эту закономерность, то становится очевидным, что в природе существует некое единое взаимодействие. А гравитационные, электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия - то это разные проявления единой "силы" на разных масштабах.
Поэтому может оказаться, что стремление природы к равновесию является что ни на есть одной из самых фундаментальных закономерностей природы, лежащей в основе всех эволюционных процессов, охватывающая всю и вся, от микрочастиц до Вселенной.

 Copyright ©  Anaksagor Kanz,    30 октября 2001 г.    г.Уфа

ЛИТЕРАТУРА

И.Пригожин, И.Стингерс,              Порядок из Хаоса М.«Эдиториал УРСС», 2001

В.Ф.Дмитриева, В.Л.Прокофьев,   Основы физики    М.«Высшая школа», 2001  

И.Г.Власова,                                    Физика М.«Слово», 1998

О.О.Максименко,                            Химия М.«Слово», 2001

П. Девис,                                          Суперсила, М. «Мир», 1989

М. Клайн,                                         Математика-поиск истины, М. «Мир», 1988

И. Николсон,                                    Тяготение, черные дыры и Вселенная, «Мир»,1983