Чтение онлайн

Протягом ХIХ ст. в центрi уваги знаходилося дослiдження кiнцевого стану термодинамiчної еволюцiї. Термодинамiка ХIХ ст. була рiвноважною термодинамiкою. На нерiвноважнi процеси дивилися як на другоряднi деталi, обурення, дрiбнi неiстотнi подробицi, не заслуговуючi спецiального вивчення. В даний час ситуацiя повнiстю змінилася. Нинi мі знаємо, що оддалiк рiвноваги можуть спонтанно виникати новi типи структур. В сильно нерiвноважних умовах може скоюватися перехiд вiд безладдя, теплового хаосу, до порядку. Можуть виникати новi динамічнi стани матерiї, що вiдображають взаємодiю даної системи з навколишнiм середовищем. Цi новi структури ми назвали дисипативними структурами, прагнучи пiдкреслити конструктивну роль дисипативних процесiв в їх освiтi.

В нашiй книзi наведенi деякi з методiв, розроблених останнiми роками для опису того, як виникають i еволюцiонують дисипативнi структури. При викладi їх ми вперше зустрiнемося з такими ключовими словами, як „нелінійність”, „нестiйкiсть” „флуктуація”, що проходять через всю книгу, як лейтмотив. Ця трiада почала проникати в нашi пгляди на свiт i за межами фiзики i хiмiї.

При обговореннi протилежностi мiж природними i гуманiтарними науками ми процитували слова Ісаї Берлiна. Специфiчне i унiкальне Берлiн протиставляв тому, що повторюється i загальному. Чудова особливiсть розглянутих нами процесiв полягає в тому, що при переходi вiд рiвноважних умов до сильно нерiвноважних ми переходимо вiд того, що повторюється i загального до унiкального i специфiчного.

Дiйсно, закони рiвноваги мають велику спiльнiсть: вони унiверсальнi. Що ж до поведiнки матерії поблизу стану рiвноваги, то йому властива «повторюванiсть». В той же час оддалiк рiвноваги починають дiяти рiзнi механiзми, вiдповiднi можливостi виникнення дисипативних структур рiзних типiв. Наприклад, оддалiк рiвноваги ми можемо спостерiгати виникнення хiмiчного годинника — хiмiчних реакцiй з характерною когерентною перiодичною змiною концентрацiї реагентiв. Оддалiк рiвноваги спостерiгаються також процеси самоорганiзацiї що приводять до утворення неоднорiдних структур — нерiвноважних кристалiв.

Слiд особливо пiдкреслити. що така поведiнка сильно нерiвноважних систем досить несподiвана. Дiйсно, кожний з нас iнтуїтивно уявляє собi, що хімічна реакцiя протiкає приблизно таким чином: молекули «плавають» у просторi, стикаються i, перебудовуючись в результатi зiткнення, перетворюються на нові молекули. Хаотичну поведiнку молекул можна уподiбнити картинi, яку малюють атомiсти, описуючи рух танцюючих в повiтрi порошинок. Але у разi хiмiчного годинника ми стикаємося з хiмiчною реакцiєю, що протiкає зовсiм не так, як нам пiдказує iнтуїцiя. Дещо спрощуючи ситуацiю, можна стверджувати, що у разi хiмiчного годинника всi молекули змiнюють свою хiмiчну тотожність одночасно, через правильнi промiжки часу. Якщо уявити собi, що молекули початкової речовини i продукту реакцiї забарвленi вiдповiдно в синiй i червоний кольори, то ми побачили б, як змінюється їх колiр в ритмi хiмiчного годинника.

Ясно, що таку перiодичну реакцiю неможливо описати, виходячи з iнтуїтивних уявлень про хаотичну поведiнку молекул. Виник порядок нового, раніше невiдомого типу. В даному випадку доречно говорити про нову когерентнiсть, про механiзм «комунiкацiї» між молекулами. Але зв’язок такого типу може виникати тiльки в сильно нерiвноважних умовах. Цікаво відмітити, що подібний зв'язок широко поширений в світі живого.Його існування можна прийняти за саму основу визначення біологічної системи.

Необхідно також додати, що тип диссипативної структури в значній мірі залежить від умов її утворення. Істотну роль у відборі механізму самоорганізації можуть відігравати зовнішні поля, наприклад, гравітаційне поле Землі, чи магнітне поле.

Ми починаємо розуміти, яким чином, виходячи з хімії, можливо побудувати складні структури, складні форми, у тому числі і такі, які здатні стати попередниками живого. В дуже нерівноважних явищах достовірно встановлено вельми важливу і несподівану властивість матерії: надалі фізика з виправданою підставою може описувати структури як форми адаптації системи до зовнішніх умов. Зі свого роду механізмом передбіологічної адаптації ми зустрічаємося в найпростіших хімічних системах. На антропоморфній мові можна сказати, що у стані рівноваги матерія „сліпа” тоді як в сильно нерівноважних умовах вона набуває здатність сприймати відмінності в зовнішньому світі (наприклад, слабкі гравітаційні і електричні поля) та „враховувати” їх в своєму функціонуванні.

Зрозуміло, проблема виникнення життя і зараз лишається вельми складною, і ми не очікуємо в недалекому майбутньому якого-небудь простого її вирішення. Проте при нашому підході життя перестає протистояти „звичайним” законам фізики, боротися проти них, щоб уникнути передбачуваної долі — загибелі. Навпаки, життя постає перед нами як своєрідний прояв тих самих умов, в яких знаходиться наша біосфера, у тому числі нелінійності хімічних реакцій і сильно нерівноважних умов накладених на біосферу сонячною радіацією.

Ми детально обговорюємо поняття, що дозволяють описувати утворення диссипативних структур, наприклад поняття теорії біфуркацій. Потрібно відмітити, що поблизу точок біфуркації в системах спостерігаються значні флуктуації. Такі системи ніби „коливаються” перед вибором одного з декількох шляхів еволюції, і знаменитий закон великих чисел, якщо розуміти його як завжди, перестає діяти. Невелика флуктуація може послужити початком еволюції в абсолютно новому напрямку, який різко змінить всю поведінку макроскопічної системи. Неухильно напрошується аналогія з соціальними явищами і навіть з історією. Далекі від думки порівнювати випадковість і необхідність, ми вважаємо, що обидва аспекти відіграють важливу роль в описі нелінійних сильно нерівноважних систем.

Резюмуючи, можна сказати, що в двох перших частинах нашої книги ми розглядаємо два протилежних погляди на фізичний світ: статистичний підхід класичної динаміки і еволюційний погляд, заснований на використанні поняття ентропії. Конфронтації між такими протилежними підходами не уникнути. Її довго стримував традиційний погляд на зворотність як на ілюзію зближення. Час в залишений без часу Всесвіт ввела людина. Для нас неприйнятне таке вирішення проблеми зворотності, при якому незворотність наближається до ілюзії або являється наслідком тих чи інших наближень, оскільки, як ми тепер знаємо, незворотність може бути джерелом порядку, когерентності, організації.

Конфронтація часткового підходу класичної механіки і еволюційного підходу стала неминучою. Гострому зіткненню цих двох протилежних підходів до опису світу присвячена третя частина нашої книги. В ній ми детально розглядаємо традиційні спроби вирішення проблем незворотності, застосовані спочатку в класичній, а потім і квантовій механіці. Особливу роль при цьому відіграли піонерські роботи Больцмана і Гіббса. Проте ми можемо з повною підставою стверджувати, що проблема необоротності з багатьох точок зору залишилася невирішеною. < ... >

Нині ми можемо з більшою точністю судити про витоки поняття часу в природі, і ця обставина приводить до далеко йдущих наслідків. Незворотність вводиться в макроскопічний світ другим началом термодикаміки — законом неубування ентропії. Тепер ми розуміємо другий початок термодикаміки і на мікроскопічному рівні. Як буде показано надалі, другий початок термодинаміки виконує функцію правила відбору — обмеження початкових умов, які розповсюджуються в наступні моменти часу по законам динаміки. Тим самим другий початок вводить в наш опис природи новий, який не зводиться до чого-небудь, елемент. Другий початок термодинаміки не протирічить динаміці, але не може бути виведений з неї.