Учебник для 10 класса

Естествознание

§ 68. Между порядком и хаосом

Две опасности не перестанут угрожать
миру: порядок и беспорядок.
П. Валери

Какие процессы в макромире являются необратимыми? Что характерно для подобных процессов? Что называют самоорганизацией? Как проявляется самоорганизация в природе?

Урок-лекция

ЗАКОНЫ МИКРОМИРА И СТРЕЛА ВРЕМЕНИ. В главе 2 мы познакомили вас с основными структурами материи, составляющими наш мир. Все эти структуры в конечном счете можно представить как совокупность некоторых «элементарных кирпичиков» материи: частиц вещества и частиц — переносчиков взаимодействия. Законы движения на уровне микромира в настоящее время достаточно хорошо изучены. Важным свойством этих законов на атомно-молекулярном уровне является обратимость во времени. Это означает, что любой процесс в микромире обратим, т. е. может протекать как в прямом, так и в обратном направлении.

Казалось бы, из этого факта должна следовать обратимость всех движений во Вселенной, но на уровне макромира такой обратимости нет. В нашем мире время однонаправлено, и мы не можем вернуться в прошлое. Образно говоря, существует стрела времени.

Приведенное объяснение необратимости связано с хаотичностью движения микрочастиц. Она позволяет объяснить причину необратимости многих процессов, происходящих в природе.

Тепло всегда переходит от горячего тела к холодному, но не в обратном направлении. Если мы толкнем какое-либо тело, оно придет в движение, которое прекратится через некоторое время. Обратного процесса, когда покоящееся тело самопроизвольно начинает двигаться, в природе не наблюдают. Созревшее яблоко может упасть с дерева, но невозможно даже представить обратного процесса, когда яблоко самопроизвольно подскочит с земли.

Карл Брюллов. Последний день Помпеи
Поняв разрушимость сотворенного, ты узришь вечно неизменное (Буддийская мудрость)

Для всех перечисленных процессов характерно то, что конечное состояние является более вероятным, более хаотическим. Вам уже известно, что мерой хаотичности является величина, называемая энтропией. Во всех перечисленных процессах энтропия возрастает.

Казалось бы, согласно закону возрастания энтропии наш мир постоянно стремится к хаосу, т. е. все более неупорядоченному состоянию. В соответствии с этим законом все структуры нашего мира должны постепенно разрушаться. В свое время Р. Клаузиусом была сформулирована гипотеза «тепловой смерти Вселенной», которая произойдет после перехода к полностью хаотическому состоянию. Однако наряду с процессами движения к хаосу и разрушению мы постоянно наблюдаем обратные процессы — процессы перехода от хаоса к порядку, процессы, казалось бы, противоречащие закону возрастания энтропии.

Закон возрастания энтропии, обусловленный вероятностным движением в системе многих частиц, объясняет временную необратимость процессов в макромире.

СИНЕРГЕТИКА НАУКА О САМООРГАНИЗАЦИИ. Наиболее наглядными из таких процессов являются процессы, происходящие в живой природе. Подожженное молнией дерево достаточно быстро сгорает. При этом на смену сложной структуре живого организма приходят гораздо менее структурированные вещества: углекислый газ, пары воды и зола (совокупность солей). Однако в природе существует и противоположный (но не обратный во времени) процесс. Например, во время роста дерева используются вещества с относительно простой структурой (углекислый газ, вода и соли), которые образуют сложные структуры (белки, нуклеиновые кислоты и т. п.). Процесс роста дерева происходит гораздо медленнее по сравнению с процессом его горения. В живой природе подобные (противоположные) процессы происходят постоянно.

Одним из создателей нового научного направления является нобелевский лауреат по физике Илья Пригожин, изучавший неравновесные процессы нелинейной термодинамики. На основе теоретических методов нелинейной термодинамики оформилась новая междисциплинарная область знаний, для которой физик Герман Хакен (один из ученых, исследующих процессы самоорганизации) предложил название «синергетика».

Процессы роста так же необратимы, как и процесс расширения газа. Однако природа необратимости уже не может быть объяснена переходом от порядка к хаосу. Именно поэтому на определенном этапе развития естественных наук сложилось представление, что биологические процессы не подчиняются физическим законам, более того, вообще не могут быть объяснены естественно-научными законами. Однако развитие естествознания в XX в. показало, что процессы возникновения и эволюции жизни все-таки могут быть объяснены при помощи естественно-научных законов.

Процессы, при которых происходит переход от неупорядоченного состояния к структурированному состоянию, были названы процессами самоорганизации. Возникла новая область научных исследований — синергетика.

Синергетика занимается выявлением общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в неравновесных системах различной природы.

В природе постоянно и повсеместно происходят как процессы образования новых структур (самоорганизация), так и процессы их разрушения. Хотя внешние проявления процессов самоорганизации существенно различаются, все они обладают сходными качественными особенностями, что позволяет описывать их одинаковыми математическими уравнениями.

Наука о самоорганизации возникла после того, как ученые выяснили, что процессы образования новых структур характерны не только для живой, но и для неживой природы. При этом процессы в неживой природе удается описать на математическом языке.

ОТ ХАОСА К ПОРЯДКУ И ОБРАТНО. Все процессы самоорганизации связаны общей закономерностью: под влиянием на некоторую систему неупорядоченного внешнего воздействия в этой системе возникают упорядоченные временные и пространственные структуры. Простейший пример — наша речь. Напрягая определенные мышцы и выдувая воздух, мы создаем звуковую волну, которая упорядочена как во времени, так и в пространстве. Аналогичные процессы происходят во многих музыкальных инструментах (флейта, орган, гармонь, скрипка). В физике такие процессы называют генерацией волн (в данном случае — звуковых волн) или автоколебаниями. Люди уже достаточно давно научились генерировать не только звуковые, но и электромагнитные волны (радиопередатчики, лазеры). Другими примерами образования волн являются волны на поверхности воды или на песке в пустыне, образующиеся под воздействием неупорядоченного потока воздуха — ветра.

Можно привести примеры и более сложных процессов самоорганизации в неживой природе.

В телескопы хорошо видны гранулы на ровной солнечной поверхности и солнечные пятна (рис. 78).

Рис. 78. Гранулы на Солнце

Гранулы образуются в результате конвекции солнечного вещества и по виду похожи на соты. Однако гранулы непрерывно рождаются и умирают, проживая в среднем несколько минут. Искусственно образование такого рода структур было воспроизведено Полем Бенаром при нагреве некоторых жидкостей (например, ртути); соответствующие структуры были названы ячейками Бенара (рис. 79).

Рис. 79. Ячейки Бенара

Еще одним примером являются протяженные вихри в атмосфере нашей планеты — циклоны и антициклоны (рис. 80).

Рис 80. Фотография циклона, сделанная с космического аппарата

Существование этих вихрей во многом похоже на жизнь организмов — они рождаются, живут, передвигаясь по планете и принося нам хорошую или плохую погоду, и умирают. Оказывается, законы, которым подчиняются процессы во Вселенной, едины, и подобные вихри существуют и на других планетах; например, большое красное пятно на Юпитере является настолько устойчивым образованием, что его наблюдают уже сотни лет.

Автоколебания возникают и при некоторых химических процессах. Классическим примером химической реакции этого типа является реакция Белоусова—Жаботинского — взаимодействие серной кислоты, малоновой кислоты, сульфата церия (Се) и бромида калия. В процессе этой реакции ионы Се⁴⁺ находящиеся в растворе, периодически превращаются в ионы Се³⁺, и обратно. Внешне это проявляется в периодическом изменении цвета раствора. В зависимости от концентрации растворенных веществ период колебаний варьирует от 2 до 100 с.

Образование структур наблюдается и в мегамире (см. § 27).

О единстве законов самоорганизации можно судить по внешнему сходству циклонов и спиральных галактик (см. фотоснимки галактик, § 27).

В чем сходство процессов самоорганизации в живой и неживой природе?
Почему облака неравномерно распределены в атмосфере?
Исследования показывают применимость законов самоорганизации для общества. Можете ли вы привести подобные примеры общественных процессов?