CC BY
81
ПРИБОРНАЯ РЕГИСТРАЦИЯ ЯВЛЕНИЙ ЭНЕРГОИНФОРМАЦИОННОГО ОБМЕНА
МАССОЭНЕРГОИНФОРМАЦИОННЫЙ ОБМЕН В ПРИРОДЕ
Постулируется, что открытая система обменивается с окружающей средой массой, энергией и информацией. На основе теории необратимых процессов И. Пригожина и Л. Онзагера рассматривается такая открытая система, как человек. Психофизическое состояние человека описывается функцией диссипации -удельным потоком энтропии, позволяющем оценить уровень порядка или беспорядка информационных потоков в организме человека.
Рассмотрим массоэнергоинформационный (МЭИ) обмен как процесс, состоящий из физических (масса и энергия) и информационных взаимодействий. Такой взгляд включает целостное представление о природе - материальный мир обладает двумя свойствами: материя находится в движении, которое придает ей различные структурные разнообразия. В таком представлении масса является мерой количества вещества (кг), энергия - мерой движения (Дж) и информация - мерой структурно-смыслового разнообразия и степенью свободы выбора траектории движения (бит) [3, 12].
Обратим внимание на понятие информации, к которому примыкают два термина: сознание и Дух, образующие восходящую по содержанию и значимости триаду. Эта триада позволяет утверждать, что основа нашего мира построена не только из материальных, но из материально-духовных элементов, а информация - соединяющий их мостик. Возникает вопрос о возможности сопоставления материи, энергии и информации и выбора меры ее измерения и практического применения. В дальнейшем будет введено
предлагается рассматривать как интегральный параметр МЭИ обмена.
Поток энтропии может выступать в роли медицинского параметра, на что указал один из творцов квантовой механики Э. Шредингер. Он в 1943 году опубликовал книгу «Что такое жизнь?», в которой рассмотрел человека как открытую систему и, в частности, поставил очень интересный вопрос - чем питается организм [4]. Обычно полагают, что это - калории, витамины, микроэлементы, содержащиеся в пище. Шредингер напоминает в этой книге, что каждый процесс, явление, событие, происходящее в природе, связано с движением энтропии в той части мира, где это происходит. Живой организм тоже непрерывно увеличивает свою энтропию и постепенно приближается к его максимальному значению, означающему смерть (строго говоря, живой организм как открытая система в процессе жизнедеятельности может как увеличивать, так и уменьшать энтропию). Но если организм будет извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию (негэнтропию), то он компенсирует рост энтропии. Иными словами, отрицательная энтропия есть то, чем питается организм или то, что существенно в метаболизме освобождения себя от той энтропии, которую он вынужден производить [4].
Как пишет М.В. Волькенштейн, «питание отрицательной энтропией означает выделение большей энтропии, чем поступающая в организм, означает поддержание стационарного состояния посредством оттока энтропии» [1, 5]. Принято говорить об «ан-тиэнтропийности» жизни, т.е. росте упорядоченности в ходе эволюции. Можно сказать, что живой организм, потребляя пищу, использует тот порядок, который в нее внесла
В.Н. Васильев, Г.Н. Дульнев
1. Массоэнергоинформационный обмен
понятие удельного потока энтропии, или функции
Природа, и выбрасывает после переработки менее упорядоченные остатки. Из этих рассуждений следует, что величина и знак энтропии играет существенную роль в оценке жизнедеятельности организма и может рассматриваться как медицинский параметр.
2. Функция диссипации
Понятие энтропии было введено в науку в 1865 году немецким физиком Клаузиу-сом. Изменение термодинамической энтропии ДБ определялось им как отношение изменения количества теплоты в системе ДQ к ее абсолютной температуре Т, т.е.
^ = *£, Дж. (1)
Г К
Как показано в термодинамике, для изолированных систем величина ДО изменяется в одну сторону - она только растет, т.е. ДО ^ ДБтах. Величину энтропии можно рассматривать как меру беспорядка или хаоса, и рост энтропии означает стремление от менее вероятного (упорядоченного) к более вероятному (хаотическому) состоянию. Это утверждение составляет содержание второго начала термодинамики в формулировке Л. Больцмана [6].
В открытых системах, к которым относятся и живые организмы, процессы происходят не только с увеличением энтропии системы. Физики Л. Онзагер и И. Пригожин в середине ХХ века предложили рассматривать изменение полной энтропии ДБ системы как бы состоящим из двух частей: из изменения производства Дг£ энтропии и обмена ДеБ энтропией с внешней средой, т.е. [1, 5, 10].
ДБ = ДБ + ДД (2)
При этом производство энтропии только растет (Дг£ > 0), а изменение энтропии ДеБ из-за обмена с внешней средой может как возрастать (ДеБ > 0), так и уменьшаться, (ДеБ < 0). Анализ показывает возможность таких состояний системы, когда ее общая энтропия будет уменьшаться, т.е. ДБ < 0. Последнее означает, что система может спонтанно в процессе эволюции переходить от менее к более упорядоченным состояниям, т.е. в системе возможна самоорганизация. Как отмечают Г. Николас и И. Пригожин, при достижении системой стационарного состояния (Б=0 она может существовать неопределенно долго [10], что выражается формулой
= - < 0. (3)
М.В. Волькенштейн утверждает: «...все, что отличает этот мир от серого, однородного хаоса, возможно, и существует вследствие оттока энтропии в среду. Отрицательной энтропией питается все живое и все созданное жизнью, а значит, и наука, и искусство. Человек творит отрицательную энтропию, создавая новую, незаменимую информацию» [1, 5,].
(АЛ
Представим поток производства энтропии -, как это принято в термодинами-
(т
ке необратимых процессов, в форме
^ = , (4)
V
где а - функция диссипации, равная потоку энтропии на единицу объема [6, 10]. Аналогично можно представить потоки производства и обмена энтропией и их функции диссипации а и ае:
—^ =1 , —^ =1 о(V . (5)
(т V (Т V
Если значения а и ае не меняются по объему, то для равновесного стационарного состояния справедлива зависимость
а е = -а г. (6)
3. Сопряженные процессы
Массоэнергоинформационный обмен организма с окружающей средой происходит через кожу организма, дыхательные пути и другие органы человека и приводит к сопряженным процессам - обмену потоком энтропии от нескольких явлений.
Как уже отмечено, энтропия производится в любых физических, химических и биологических процессах. При изменении энтропии для процесса 1 всегда возникает поток Jt (следствие) и сила Xt (причина), создающая этот поток. В термодинамике необратимых процессов эти величины связаны с функцией диссипации о t и представлены в форме их произведения [6, 10]
0 i = Ji . (7) Изменения в организме происходят за счет массоэнергоинформационного обмена организма с внешней средой, т.е. за счет переноса массы 1 = m, тепла 1 = q и информации 1 = I:
0 et = BtJ et Xet , (8)
где Bt - параметр, приводящий правую часть (8) к размерности функции диссипа-Вт
ции, —;—. Величина Bt должна быть установлена из отдельных теоретических или м К
экспериментальных исследований.
dm f кг ^ dQ q f Вт , ,
Рассмотрим удельные потоки массы -1 —— I, энергии — = \ —з I и инфор-
Vdx I м с J Vdx VI м3
dI ( бит ^ _
мации -1 —— I. Они вызваны следующими движущими силами: разностью концен-
Vdт ^ м3с)
траций массы АС = С1 - С2, разностью температур АТ = Т1 - Т2 и разностью концентраций информации А1 = 11 - 12. В термодинамике необратимых процессов движущая сила для тепловых процессов равна разности температур (Т1 - Т2), которая обычно представляется в иной форме,
1 1_ T - г2
T T TT 12 11
(10)
и далее «сконструирована» функция диссипации типа ^ dQ 1 1, Дж Вт
Vdт Т2 Т1 м3 с • К м3 К Для потоков массы и информации функции диссипации построены аналогично. При одновременном действии многих (I) потоков и сил Х| общая функция диссипации примет вид
° = Тв^е1хе1. (11)
I=1
За единицу информации традиционно принят бит, хотя он, по-видимому, отражает информацию, связанную только с деятельностью левого полушария мозга, правополу-шарная информация в принятой единице (бит), скорее всего, содержится частично, так как она не учитывает качественные свойства информации. Всесторонний учет свойств информации - дело будущего.
В термодинамике необратимых процессов показано, что поток J| пропорционален
обобщенной силе X |, а для сопряженных процессов справедлива зависимость [6, 10]
J = £LjXi, (12)
j=1
где Lej - коэффициент пропорциональности сопряженных с l процессом дополнительных j процессов.
За создание термодинамики необратимых процессов Л. Онзагер, И. Пригожин, Д. Донде в 1977 году были удостоены Нобелевской премии.
Процесс массоэнергоинформационного обмена организма с внешней средой может зависеть как от массоэнергообмена, так и от информационного обмена. Последний фиксируется с помощью обычных органов чувств.
На основании зависимости (11) представим функцию диссипации ое массоэнергоинформационного обмена в виде сумм функций диссипаций массообмена сеМ, энергообмена ое q и информационного обмена се I
Се = СеМ + Ое q + Се I. (13)
Метод определения отдельных составляющих в последней формуле будет рассмотрен в дальнейшем.
Приведенные рассуждения справедливы при условии равномерного поглощения информации всей поверхностью. Однако это предположение вызывает сомнение, так как принято считать, что биологически активные зоны поглощают информационные потоки более интенсивно. Об этом феномене более подробно см. в [7].
4. Коэффициенты порядка и хаоса
Известно, что по величине энтропии можно судить о степени порядка и беспорядка в системе. С этой целью используем меру изменения порядка ДП и хаоса АХ. Согласно Л. Бриллюэну, параметр ДП равен разнице между максимальным AeSmax и текущим АеБ значениями энтропии обмена с внешней средой, а параметр АХ - разнице между текущим АД и минимальным значениями энтропии AeSmin [8]:
ДП = AeSmax - ДeS, АХ = ДеS - AeSmm. (14)
Действительно, для случая Ае£ = AÄm параметр АХ хаоса равен нулю, а для ASmax = Ае£ параметр порядка принимает нулевое значение, что и следовало ожидать, т.е. в предельных случаях такая формула (14) отвечает реальной ситуации.
ddAtt _ dAK
Формулу (14) можно представить через потоки порядка- и беспорядка -
dx dx
в системе и, учитывая (4), получить
dAn dAX , ч
—Т = 0 max — 0 , —;— = G-G mm. (15)
ат ат
При сравнении неоднородных систем (разные участники опыта или методы его проведения) целесообразно ввести относительные величины - коэффициенты хаоса Кх и порядка Кп:
о — о о — о
Kx = " "min , Кп = "max " , Кх+Кп=1. (16)
о —о о — о
max min max min
Если при проведении опыта процессы массо- и энергообмена не изменяются, то связанные с ними параметры в формулах (16) сократятся. Останутся только информационные (I) процессы, и коэффициент хаоса примет вид
Kx = Соh -—шЛ (17)
(0 max )l (0 min )l
Функцию диссипации (о) информационного обмена на основании формул (1), (5), (6) можно представить в виде
и - = - ЁАА = - ЁАей. (18)
У п Vdт Vdт VTdт
Энергоинформационный преобразователь регистрирует с поверхности А удельный поток
Adт
При неизменном энергообмене температура Т будет практически постоянной, и выражение информационного коэффициента хаоса Кх1 на основании формул (17)-(19) приобретет вид
Кх1 - < -<1тп . (20)
<тах <т1п
5. Преобразователи информационного потока
Многочисленные опыты показывают, что широко известный прибор - тепломер Геращенко - на самом деле выполняет функцию преобразователя энергоинформационного потока (ПЭИП). Чувствительность этого датчика к информационным потокам связана с особенностями конструкции этого прибора, который обладает двойным электрическим слоем (ДЭС). Последний характерен для мембраны живой клетки, через которую происходит обмен информацией между клетками и внешней средой.
Двойные электрические слои возникают также на поверхностях раздела твердой и жидкой фазы и реагируют изменением электрического потенциала при прохождении через них электромагнитных, магнитных и информационных потоков. Профессор Орловского государственного технического университета А.В. Бобров досконально изучил сенсорные свойства ДЭС и отметил их наличие в ряде технических устройств. Преобразователь энергоинформационного потока регистрирует энергетический и информационный потоки. Дальнейшая обработка опытных данных, как было показано выше, позволяет получать сведения только об информационном потоке [9, 11].
Выводы
1. Развито понятие открытых систем, которые обмениваются с окружающей средой не только массой и энергией, но и информацией. Это обобщение отражено в математической модели термодинамики необратимых процессов с учетом процессов информационного обмена.
2. Для интегральной оценки массоэнергоииформационных процессов предлагается
использовать функцию диссипации [а] - Вт системы, которая зависит от психом К
физиологического состояния организма, т.е. может рассматриваться как медицинский параметр.
3. Предложен метод оценки относительной величины порядка и хаоса в организме человека при эндогенном (внутреннем) и экзогенном (внешнем) воздействиях на него.
Литература
1. Волькенштейн М.В. Энтропия и информация. - М.: Наука, 1956. - 191 с.
2. Хакен Г. Синергетика. - М.: Мир, 1980. - 404 с.
3. Волченко В.Н. Миропонимание и экоэтика XXI века. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. - 431 с.
4. Шредингер Э. Что такое жизнь с точки зрения физика? - М.: Изд. И.Л., 1947.
5. Дульнев Г.Н. Введение в синергетику. - СПб: Проспект, 1988. - 256 с.
6. Базаров И.П. Термодинамика: Учебное пособие для университетов. - М.: Высшая школа, 1976. - 447 с.
7. Лувсан Г. Традиционные и современные аспекты восточной рефлексотерапии. - М.: Наука, 1986. - 575 с.
8. Бриллюэн Л. Наука и теория информации. - М.: ГИФМЛ, 1960. - 392 с.
9. Патент на изобретение № 2290058 от 27.12.2006. Способ определения локального удельного потока энтропии человека.
10. Николас Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. - М.: Мир, 1979. - 512 с.
11. Бобров А.В. Торсионные методы в психофизике. Ч. II. Возможные структуры механизма сознания // Сознание и физический мир. Вып. 2. - М.: Фолиум, 1997. - С. 2445.
12. Дульнев Г.Н. В поисках тонкого мира. - СПб: Весь, 2004. - 286 с.
