Неравновесная термодинамика

 

Эта концепция имеет несколько другой аспект. Ее основоположник Илья Пригожин – бельгийский ученый русского происхождения –писал: «Задачей неравновесной термодинамики является доказа­тельство того факта, что неравновесие может быть причиной порядка».

До недавнего времени физика вполне обходилась равновесной термоди­намикой. Она изучала замкнутые системы. В них для самоорганизации места нет.

Невозможно найти системы, которые не взаимодействовали с окружающей средой, состоящей также из систем. Поэтому в новой термодинамике место закрытой, изолированной системы заняла открытая система.

Взаимодействуя со средой, открытая система заимствует извне либо новое вещество, либо свежую энергию, и одновременно выводит в среду использованное вещество и отработанную энергию. Это означает, что использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде. Такого рода системы, способные диссипиировать, или рассеивать, энергию, называются диссипативными. Отсюда становится ясным, что открытая система не может быть равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывает австрийский физик Э. Шредингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду.

С поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном счете, прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т. е. к коллективному поведению ее элементов. Так схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах.

Самым популярным и наглядным примером образования структур нарастающей сложности являются ячейки Бенара. При подогреве первоначально однородной жидкости между нижним и верхним ее слоями возникает разность (градиент) температур. При малом градиенте перенос тепла осуществляется на молекулярном уровне и никакого макроскопического движения не происходит. Однако при достижении некоторого критического значения градиента в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как ячеистая структура, похожая на пчелиные соты.

Это явление с позиций статистической механики невероятно. Ведь оно свидетельствует, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жидкости, как по команде, начинают вести себя скоординировано, согласовано и происходит самоорганизация системы.

Другим примером может служить самоорганизация, возникающая в химических реакциях, среди которых наиболее известна реакция Белоусова–Жаботинского. Она была открыта в 1951 году Б. Белоусовым, который установил, что в растворе серной и малоновой кислот, сульфата церия и бромида калия при добавлении в качестве индикатора ферроина можно следить за ходом окислительно-восстановительных реакций по изменению цвета или по спектральному поглощению. Как только все эти вещества сливают в пробирку, раствор начинает менять цвет с красного, означающего избыток Ce³⁺, на голубой, соответствующий избытку Ce⁴⁺. В зависимости от концентрации раствора цвет менялся периодически, и этот период четко сохранялся, поэтому такие реакции стали называть «химическими часами». Самоорганизация в химических реакциях связана с поступлением извне новых реагентов, т. е. веществ, обеспечивающих продолжение реакции, с одной стороны, и выделением в окружающую среду продуктов реакции – с другой.

Группа бельгийских ученых во главе с И. Пригожиным на основе реакции Белоусова–Жаботинского построила теоретическую модель брюсселятора (в честь города Брюсселя), которая легла в основу исследования новой термодинамики, называемой часто неравновесной, или нелинейной.

В ходе эволюционного развития диссипативная система достигает со­стояния сильной неравновесности и теряет устойчивость. Переход из крити­ческого состояния в устойчивое неоднозначен. Отличительная черта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоит в том, что в них используются нелинейные математические уравнения, в которые входят переменные в степени выше первой (линейной). Нелинейные уравнения могут иметь несколько качественно различных решений, а это значит, что система имеет возможность перейти в одно из нескольких дискретных устойчивых состояний. В какое именно из них совершится переход – дело случая. В критическом состоянии в системе развиваются сильные флуктуации.

Флуктуация (от латинского «fluctuatio» – колебание) – случайные отклонения физических величин от их среднего значения. Вначале флуктуации подавляются самой системой. В критиче­ском состоянии под действием одной из флуктуаций происходит скачок в конкретное устойчивое состояние. Поскольку флуктуации случайны, то и выбор конечного состояния оказывается случайным. Но после совершения перехода назад возврата нет. Скачок носит одноразовый, необратимый харак­тер.

Критическое состояние системы, при котором возможен переход в новое состояние, называется точкой бифуркации.

В развитии любой системы выделяют две фазы: плавная эволюция (между двумя точками бифуркации), ход которой закономерен; скачки в точках би­фуркации, которые протекают случайным образом и определяют последую­щую эволюцию.

В качестве ещё одного примера отбора кратко упомянем о бифуркациях в социальных системах. Бифуркационный процесс говорит о том, что если сис­тему вывести за порог устойчивости, то она вступает в стадию хаоса. Однако динамический хаос вовсе не приводит к полной неупорядоченности, являясь переходным режимом от одного относительно устойчивого состояния к дру­гому.

Для системы наступление хаоса не обязательно имеет роковой характер. Хаос может оказаться прелюдией к новому развитию. В жизнеспособных системах хаос придаёт более высокие формы порядка. Но отношение между посткризисным и предкризисным порядком никогда не бывает линейным – это не простая причинно-следственная связь. Процесс возникновения бифур­кации делает эволюцию неравновесных систем скачкообразной и нелиней­ной. И вследствие этого бифуркация полна неожиданностей.

Социальные, экономические, политические системы, в которых мы жи­вем, сложны, нестабильны, рано или поздно их эволюционные пути претер­певают бифуркацию. Бифуркация чаще встречается, когда система неустой­чива. Сами нестабильности могут быть разного происхождения: плохое при­менение технологических инноваций, гонка вооружений и агрессивная внешняя политика, политические конфликты, нарушение локального эконо­мико-социального порядка под влиянием участившихся кризисов. Независи­мо от происхождения нестабильность распространяется на все слои общества и приводит к точке бифуркации. Бифуркация – неотъемлемая часть процесса развития: ее нельзя предотвратить и избежать.