1. Всесвіт є замкнутою системою.

2. Еволюцію світу можна описати як зміну його станів.

3. Для світу як цілого стан з максимальною ентропією має сенс, як і для будь-якої скінченної системи.

Безперечно, ці проблеми створюють труднощі і для сучасної фізичної теорії. їх вирішення варто шукати в загальній теорії відносності й у сучасній космології, яка розвивається на її основі. Багато теоретиків вважають, що в загальній теорії відносності світ як ціле повинен розглядатися не як замкнута система, а як система, що перебуває в змінному гравітаційному полі; у зв'язку з цим застосування закону зростання ентропії не приводить до висновку про невідворотність статистичної рівноваги.

Проблему майбутнього розвитку Всесвіту намагався розв'язати Больцман, застосувавши до замкнутого Всесвіту поняття флуктуації. Під флуктуацією фізичної величини розуміють відхилення справжнього значення величини від її середнього значення, зумовлене хаотичним тепловим рухом частинок системи. Больцман скористався обмеженням Максвелла, відповідно до якого для невеликої кількості частинок друге начало термодинаміки не застосовне, тому що у випадку невеликої кількості молекул не можна говорити про стан рівноваги системи. При цьому він використовує це обмеження для Всесвіту, розглядаючи видиму частину Всесвіту як невелику частину нескінченного Всесвіту. Для такої невеликої частини припустимі флуктуаційні відхилення від рівноваги, завдяки чому в цілому розв'язується проблема необоротної еволюції Всесвіту в напрямку до хаосу. Ідея еволюції, результатом якої були б самоорганізація матерії, виникнення величезної палітри різноманітних барв фізичної реальності неухильно приваблювала Больцмана. Больцман назвав XIX століття, століття найбільших відкриттів в галузі фізики, століттям Дарвіна, підкреслюючи особливе значення еволюційної теорії Дарвіна. Якщо еволюційна теорія Дарвіна — це шлях від спонтанних флуктуацій видів, після чого настає добір і необоротна біологічна еволюція у напрямку виникнення й зростання складності, то у фізиці, відповідно до другого закону термодинаміки, картина зворотна: необоротність призводить до забування початкових умов і руйнування порядку. З часів Дарвіна ідея еволюції та самоорганізації стосувалася лише живих організмів. Больцман поставив собі за мету не просто описати стан рівноваги, але й створити теорію еволюції системи до стану рівноваги. При цьому він намагався поєднати II начало термодинаміки з динамікою, вивести "необоротність" з динаміки. Флуктуаційна гіпотеза Больцмана якраз і є розвитком цих прагнень.

Формулюючи флуктуаційну гіпотезу, Больцман виходив з припущення, що нескінченний Всесвіт уже досяг стану термодинамічної рівноваги. Але внаслідок статистичного характеру принципу зростання ентропії для невеликих частин цього нескінченного Всесвіту можливі макроскопічні відхилення від стану рівноваги — флуктуації. "Йдеться про вибір між двома уявленнями, — пише Больцман. — Можна припустити, що весь Всесвіт у наш час перебуває в деякому луже неймовірному стані. Але можна вдатися до еонів - проміжків часу, по закінченні яких знову настають неймовірні події, — такі ж короткочасні порівняно з тривалістю існування Всесвіту, як відстань від Землі до Сиріуса мізерно мала порівняно з її розмірами.

Тоді у всьому Всесвіті (який у протилежному випадку всюди перебував би у тепловій рівновазі, тобто був би мертвим) є відносно невеликі осередки (ми будемо називати їх окремими світами), які протягом невеликих порівняно з еоном проміжків часу значно відхиляються від теплової рівноваги, а саме: серед цих світів однаково часто зустрічаються стани, імовірності яких зростають і зменшуються. Таким чином, для Всесвіту в цілому два напрямки часу є нероздільними, тому що в просторі немає верху й низу. Але точно так само, як ми в деякому певному місці земної поверхні називаємо "низом" напрямок до центра Землі, так і жива істота, яка перебуває у певній часовій фазі одного з таких окремих світів, назве напрямок часу, що прямує до більш неймовірних станів, по-іншому, протилежне (перше — як напрямок до "минулого", до початку, останнє — до "майбутнього", до кінця), і внаслідок цієї назви буде виявляти "початок" для цих малих осередків, виділених із Всесвіту, завжди в деякому неймовірному стані.

Цей метод видається мені єдиним, за допомогою якого можна осмислити друге начало, теплову смерть кожного окремого світу без того, щоб припускати однобічну зміну всього Всесвіту від деякого певного початкового стану до деякого підсумкового кінцевого стану".

На жаль, мрія Больцмана не збулася повною мірою; йому не вдалося знайти ключ до об'єднання динаміки й другого начала термодинаміки, а запропонована флуктуаційна модель еволюції Всесвіту мала всього лише характер гіпотези й при цьому дуже велику кількість опонентів.

Скептичне ставлення багатьох учених до атомістичної теорії Больцмана (сам він був переконаний у тому, що вчення про атоми, яке він відстоює, завоює визнання через багато десятків років), труднощі з визначенням ролі II начала термодинаміки в системі природознавства і, можливо, ряд інших причин привели нього чудового вченого до трагічного кінця. У 1906 році він покінчив життя самогубством.

XX століття вносить свої корективи в проблему самоорганізації складних систем і формує новий міждисциплінарний напрямок — синергетику, у рамках якої ми і спробуємо розглянути еволюцію Всесвіту.

Синергетика. Народження порядку з хаосу

Поняття хаосу відігравало немалу роль протягом всієї історії розвитку людської думки. З хаосом пов'язували уявлення про згубне безладдя, про безмежну безодню, бездонну прірву. Власне, такі уявлення є найбільш розповсюдженими і в повсякденному житті. Проте, ідея первинного хаосу, з якого потім усе народилося, також досить поширена в давніх міфах, у східній філософії, у вченнях стародавніх греків. І у ведійських "Рігведах", і у вченні Платона ми зустрічаємося з уявленням про перетворення споконвічного Хаосу в Космос, про виникнення з нього "життєдіяльного". Ці уявлення дуже співзвучні із сучасним станом розвитку природознавства. Починаючи із сімдесятих років 20 століття, бурхливо розвивається напрямок, який дістав назву синергетики, у фокусі уваги якого — складні системи з процесами, здатними до самоорганізації, системи, в яких еволюція протікає від хаосу до порядку, від симетрії до складності, що постійно зростає.

Синергетика в перекладі з грецької мови означає співдружність, колективна поведінка. Уперше цей термін увів Хакен. Як новаційний напрямок у науці, синергетика виникла, у першу чергу, завдяки видатним досягненням І. Прігожина в галузі нерів-новажної термодинаміки. Він стверджував, що в нерівноважних відкритих системах можливі ефекти, що приводять не до зростання ентропії і прагнення термодинамічних систем до стану рівноважного хаосу, а до "мимовільного" виникнення упорядкованих структур, до народження порядку з хаосу.

Як уже було зазначено, синергетика пов'язана з ім'ям ученого російського походження І. Р. Прігожина (народ, у 1917 p.), який був удостоєний Нобелівської премії в галузі хімії за 1977 р. Багато років він очолює всесвітньо відому брюссельську школу фахівців у цій галузі. Однією з революційних новацій цього автора є перенесення в термодинаміку найважливіших кібернетичних понять про багаторівневу систему, про саморегуляцію за принципом зворотного зв'язку, про автоколивання та ін. У результаті він відкрив і вперше дослідив багаті можливості, внутрішні резерви термодинамічних систем стосовно їхнього розвитку, утворення нових і більш складних структур. Уже не у фотосинтезі рослин, а у фізичних і хімічних системах було виявлено могутні потенції поступального розвитку всупереч руйнівному закону зростання ентропії. Друге начало термодинаміки при цьому зберігає свою справедливість як великий всесвітній закон природи. Але сфера його дії є аж ніяк не безмежною, як це трактувалося в класичній термодинаміці.

Звернімося до повсякденної моделі й уявімо собі дзеркально рівну водну поверхню, коли на морі повний штиль. Вона є класичним зразком системи, яка перебуває в термодинамічній рівновазі. І вона протистоїть усім спробам вивести її із цього стану.

Кинемо в море прямовисно камінь. Падаючи в повітрі, він утворить за собою область розрідження. Долетівши до поверхні води і пірнувши вглиб, камінь захоплює за собою частину води. На поверхні утвориться западина. Але тут у гру вступають сили поверхневого натягу. Вони прагнуть повернути поверхню води до середнього рівня, однак за інерцією виштовхують її вище за середній рівень. Утвориться загальновідомий фонтанчик над поверхнею води. Але потім під дією сили земного тяжіння він падає назад і на короткий проміжок часу занурюється нижче середнього рівня, хоча вже не так глибоко. Потім знову сили поверхневого натягу за інерцією підкидають стовпчик води вище за середній рівен, хоча вже не так високо. Потім цикл повторюється, поки ие настане остаточне заспокоєння (релаксація). На поверхні моря це виглядає як загасаюче джерело кругових хвиль, які розсіюють енергію падіння каменя на поверхні води.

У термінах термодинаміки ця подія називається флуктуацією, тобто місцевим і короткочасним відхиленням системи від стійкого, рівноважного середнього стану. Уданому випадку можна говорити про флуктуацію значною мірою умовно, тому що, насправді, флуктуації народжуються в самій системі, а не в результаті зовнішнього впливу