Техника - молодёжи 1998-09, страница 21

ВСЕ НА СВЕТЕ ПОРТИТСЯ ОТ ВРЕМЕНИ

«Время — иллюзия».

А. Эйнштейн.

Например, физика. Как спокойно жилось ученым, пока они ограничивались лишь изучением равновесия, когда положение каждой части целого становится равновероятным в любой рассматриваемой точке, а случайно пространственно ориентированный поток частиц немедленно компенсируется аналогичным противоположно ориентированным; то есть, в полном соответствии с требованиями классической термодинамики, в системе господствует среднестатистическое распределение, а ее элементы ведут себя независимо друг от друга — каждый из них как бы «игнорирует» остальные.

для их описания время просто не нужно.

Но позвольте, если бы ученые продолжали упорствовать, изучая только состояние равновесия, одно из главных измерений нашего существования так бы и

И кстати: что тогда следует считать предметом рассмотрения физики? Неужели замкнутые системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни веществом, ни энергией? Это же приведет еще к большему мифотворчеству, нежели отрицание времени; ведь среди рассматриваемых реальных объектов на самом деле нет ни одного, который можно было бы считать полностью изолированным от внешних воздействий, то есть замкнутой системой. Конечно, в физике последнее понятие используется очень часто, можно даже сказать, что фунда-законы сформу-

о для

<нуты>

Однако всем очевидно: речь здесь идет о некой абстракции. Бесспорно, она удобна тогда, когда можно пренебречь внешним воздействием на рассматриваемую систему в рассматриваемое время. А если оперировать достаточно большими временными отрезками — то многие важные свойства любой доступной нашему наблюдению системы будут определяться незамкнутостью и попытки объяснить ее поведение, исходя только из внутренних свойств, неизбежно заведут в тупик.

Выхода из тупика два: первый — считать все неравновесные процессы помехами, препятствующими то повышению коэффициента полезного действия двигателя, то равномерному росту кристаллов, словом, всему «полезному», и ни при каких обстоятельствах не обращать на них внимания. Но не кажется ли вам, что это смахивает на религиозное табу, чуждое научному мировоззрению? Так что остается второй путь — смириться с фактом отсутствия в природе замкнутых систем и, следовательно, допустить, что состояния термодинамического равновесия в реальнсти практически нет.

Впрочем, ЧТО МЫ ЗНАЕМ О НЕРАВНОВЕСИИ?

БРЮССЕЛЬСКАЯ ШКОЛА

В начале 60-х гг. в Брюсселе группа физиков и химиков во главе с И.Р. Пригожиным обратилась к исследованиям неравно

весных физико-химических процессов, строго ориентированных во времени и неспособных вернуться к первоначальному состоянию.

В самом начале работ был выдвинут тезис — при удале

югут Е

е учень

структуры, h тивными, что можно перевести как летучие, возникающие при рассеянии (от латинского dissipatio — рассеивать, разгонять). Такие образования наблюдаются лишь в открытых системах, постоянно обменивающихся с окружающей средой веществом и энергией. При появлении новой упорядоченности элементы системы как бы «договариваются» между собой и начинают действовать согласованно. В книге «Порядок из Хаоса» Пригожин пишет: «Система ведет себя так, как если бы она была вместилищем дальнодействую-щих сил. Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстоянии 10"' см), система строится так, как если бы каждая молекула была информирована о состоянии системы в целом».

Прекрасные доказательства своей правоты исследователи получили уже для самой простой открытой системы — она обменивалась с окружающей средой лишь энергией. Это была так называемая неустойчивость Бенара, или ячеистая конвекция.

Ее открыли еще в 1900 г. Опыт прост и убедителен. На подогреваемую снизу сковороду наливается слой минерального масла. Для наглядности туда обычно подмешивают алюминиевые опилки. В первые минуты жидкость находится в покое, но затем между верхней и нижней ее границами создается разность температур. Из-за одновременного действия на частицы «топящей» силы тяжести и выталкивающей архимедовой, подогретые «легкие» нижние слои масла и верхние «тяжелые» норовят поменяться местами. До какого-то момента все внутренние движения гасятся вязкостью среды, но при достижении критической разности температур возникает конвекционный поток, и масляный слой вдруг, скачком, разделяется на шестиугольные ячейки, напоминающие пчелиные соты.

жидкости разности температур между двумя поверхностями: постоянно подогреваемой нижней и охлаждаемой, соприкасающейся с воздухом верхней. При определенном значении температурного градиента перенос тепла между слоями путем столкновения молекул дополняет-

огдао

юредае

рез общее их движение. Тогда образуются вихри, превращающие слой жидкости

правк

«Ми;

1арды

лиардов молекул, до тех пор дв ся неупорядоченно, участвуют теперь в согласованном движении. Образование ячеек Бенара означает на самом деле внезапное появление макроскопического феномена, характеризующегося изменениями порядка сантиметра, в результате микроскопической деятельности, включающей лишь протяженности порядка ангстрема» (И.Р. Пригожин).

Чтобы уяснить механизм происходящих процессов, представим себе систему в виде двух взаимопроникающих сред. В одной из них (масле) разыгрываются основные, интересующие нас события, а другая (источник тепла) служит для первой некоторой питающей, поддерживающей основой. Между ними происходят процессы обмена энергией. Если количество поступающей и рассевающейся энергий одинаково, то возникают макроструктуры, если «побеждает» рассеивающееся начало, они исчезают. По сути, все зависит от взаимной игры, соревновании двух противоположностей: энергии, создающей структуры, наращивающей неоднородности в среде, и рассеивающей, размывающей различия тепловой диффузией. То есть открытая система может пребывать в состоянии КАЧЕСТВЕННО ИНОГО РАВНОВЕСИЯ по сравнению с закрытой. Разница в том, что в первом случае равновесие наблюдается между не индивидуальными ЭЛЕМЕНТАМИ, а ПРОЦЕССАМИ - хаосом на микроуровне и порядком на макроуровне. «Индикатором» достижения так называемого «неравновесного равновесия» как раз и служит возникновение диссипативных структур.

Итак, механизм самоорганизации предложен. Но пока он «работает» в простых открытых системах, обменивающихся с окружающей средой только энергией. Сложнее описать в рамках теории брюс-сельцев химические процессы — ведь там, кроме обмена энергией, как в предыдущем примере, необходимо учитывать и обмен веществом.

ХИМИЧЕСКИЕ ЧАСЫ

Ко времени первых работ Пригожина и его сотрудников по термодинамическим аспектам самоорганизации были широко известны автокаталитические реакции Белоусова—Жаботинского, однако их механизм оставался

о же i

е50-х

лабораторном столе Бориса Павловича Белоусова?

Он изучал реакцию окисления лимонной кислоты с использованием катализатора, найденного в результате долгого подбора. Обнаружилось, что (приведем цитату из так и неопубликованной при жизни исследователя статьи 1951 г.): «...в реакционной смеси возникает ряд скрытых, упорядоченных в определенной последовательности окислительно-восстановительных процессов, один из которых периодически выявляется отчетливым временным изменением цвета всей взятой реакционной смеси... Такое чередующееся изменение окраски от бесцветной до желтой и наоборот наблюдается неопределенно долго (час или более), если составные части реакционного раствора были взяты в определенных количествах и в соответствующем разведении». В работах конца 60-х гг. советского биофизика A.M. Жаботинского было отмечено еще одно явление: картина пульсирующего изменения цвета в растворе как бы замирала и в реакторе наблюдались неожиданно возникающие устойчивые пространственные фигуры — окрашенные слои или круговые волны. Они сохранялись, по-

ТЕХНИК А - И ОЛОДЕЖИ 9 98

ЕЯ