Між порядком і хаосом

Які процеси в макросвіті є незворотними? Що характерно для подібних процесів? Що називають самоорганізацією? Як проявляється самоорганізація в природі?

Урок-лекція

ЗАКОНИ мікросвіту і СТРІЛА ЧАСУ. У розділі 2 ми познайомили вас з основними структурами матерії, складовими наш світ. Всі ці структури в кінцевому рахунку можна представити як сукупність деяких «елементарних цеглинок» матерії: частинок речовини і частинок – переносників взаємодії. Закони руху на рівні мікросвіту в даний час досить добре вивчені. Важливою властивістю цих законів на атомно-молекулярному рівні є оборотність в часі. Це означає, що будь-який процес у мікросвіті звернемо, т. Е. Може протікати як у прямому, так і в зворотному напрямку.

Здавалося б, з цього факту повинна слідувати оборотність всіх рухів у Всесвіті, але на рівні макросвіту такий оборотності немає. У нашому світі час однонаправлено, і ми не можемо повернутися в минуле. Образно кажучи, існує стріла часу.

Наведене пояснення незворотності пов’язано з хаотичністю руху мікрочастинок. Вона дозволяє пояснити причину незворотності багатьох процесів, що відбуваються в природі.

Тепло завжди переходить від гарячого тіла до холодного, але не в зворотному напрямку. Якщо ми штовхни яке-небудь тіло, воно прийде в рух, яке припиниться через деякий час. Зворотного процесу, коли покоїться тіло мимовільно починає рухатися, в природі не спостерігають. Дозріле яблуко може впасти з дерева, але неможливо навіть уявити зворотного процесу, коли яблуко мимовільно підскочить із землі.

Карл Брюллов. останній день Помпеї
Зрозумівши разрушімим створеного, ти побачиш вічно незмінне (Буддійська мудрість)

Для всіх перерахованих процесів характерно те, що кінцевий стан є більш ймовірним, більш хаотичним. Вам уже відомо, що мірою хаотичності є величина, звана ентропією. У всіх перерахованих процесах ентропія зростає.

Здавалося б, відповідно до закону зростання ентропії наш світ постійно прагне до хаосу, т. Е. Все більш невпорядкованому станом. Відповідно до цього закону всі структури нашого світу повинні поступово руйнуватися. Свого часу Р. Клаузиусом була сформульована гіпотеза «теплової смерті Всесвіту», яка відбудеться після переходу до повністю хаотичного стану. Однак поряд з процесами руху до хаосу і руйнації ми постійно спостерігаємо зворотні процеси – процеси переходу від хаосу до порядку, процеси, здавалося б, суперечать закону зростання ентропії.

Закон зростання ентропії, обумовлений імовірнісним рухом в системі багатьох частинок, пояснює тимчасову незворотність процесів в макросвіті.

СИНЕРГЕТИКА НАУКА ПРО САМООРГАНІЗАЦІЇ. Найбільш наочними з таких процесів є процеси, що відбуваються в живій природі. Підпалене блискавкою дерево досить швидко згоряє. При цьому на зміну складній структурі живого організму приходять набагато менш структуровані речовини: вуглекислий газ, пари води і зола (сукупність солей). Однак у природі існує і протилежний (але не протилежний у часі) процес. Наприклад, під час росту дерева використовуються речовини з відносно простою структурою (вуглекислий газ, вода і солі), які утворюють складні структури (білки, нуклеїнові кислоти і т. П.). Процес росту дерева відбувається набагато повільніше в порівнянні з процесом його горіння. У живій природі подібні (протилежні) процеси відбуваються постійно.

Одним з творців нового наукового напрямку є нобелівський лауреат з фізики Ілля Пригожин, який вивчав нерівноважні процеси нелінійної термодинаміки. На основі теоретичних методів нелінійної термодинаміки оформилася нова міждисциплінарна область знань, для якої фізик Герман Хакен (один з учених, що досліджують процеси самоорганізації) запропонував назву «синергетика».

Процеси росту так само незворотні, як і процес розширення газу. Однак природа незворотності вже не може бути пояснена переходом від порядку до хаосу. Саме тому на певному етапі розвитку природничих наук склалося уявлення, що біологічні процеси не підкоряються фізичним законам, більше того, взагалі не можуть бути пояснені природничо-науковими законами. Однак розвиток природознавства в XX ст. показало, що процеси виникнення та еволюції життя все-таки можуть бути пояснені за допомогою природничо-наукових законів.

Процеси, при яких відбувається перехід від неврегульованого стану до структурованого станом, були названі процесами самоорганізації. Виникла нова галузь наукових досліджень – синергетика.

Синергетика займається виявленням загальних закономірностей у процесах освіти, стійкості і руйнування впорядкованих часових і просторових структур в нерівноважних системах різної природи.

У природі постійно і повсюдно відбуваються як процеси утворення нових структур (самоорганізація), так і процеси їх руйнування. Хоча зовнішні прояви процесів самоорганізації істотно розрізняються, всі вони володіють схожими якісними особливостями, що дозволяє описувати їх однаковими математичними рівняннями.

Наука про самоорганізацію виникла після того, як вчені з’ясували, що процеси утворення нових структур характерні не тільки для живої, а й для неживої природи. При цьому процеси в неживій природі вдається описати на математичній мові.

ВІД хаосу до порядку І НАЗАД. Всі процеси самоорганізації пов’язані загальною закономірністю: під впливом на деяку систему неупорядкованого зовнішнього впливу в цій системі виникають впорядковані часові та просторові структури. Найпростіший приклад – наша мова. Напружуючи певні м’язи і видуваючи повітря, ми створюємо звукову хвилю, яка впорядкована як у часі, так і в просторі. Аналогічні процеси відбуваються в багатьох музичних інструментах (флейта, орган, гармонь, скрипка). У фізиці такі процеси називають генерацією хвиль (у даному випадку – звукових хвиль) або автоколиваннями. Люди вже досить давно навчилися генерувати не тільки звукові, але і електромагнітні хвилі (радіопередавачі, лазери). Іншими прикладами освіти хвиль є хвилі на поверхні води або на піску в пустелі, що утворюються під впливом неупорядкованого потоку повітря – вітру.

Можна навести приклади і більш складних процесів самоорганізації в неживій природі.

У телескопи добре видно гранули на рівній сонячній поверхні і сонячні плями (рис. 78).

Мал. 78. Гранули на Сонці

Гранули утворюються в результаті конвекції сонячної речовини і по вигляду схожі на стільники. Однак гранули безупинно народжуються і вмирають, проживаючи в середньому кілька хвилин. Штучно утворення такого роду структур було відтворено Полем Бенарио при нагріванні деяких рідин (наприклад, ртуті); відповідні структури були названі осередками Бенара (рис. 79).

Мал. 79. Осередки Бенара

Ще одним прикладом є протяжні вихори в атмосфері нашої планети – циклони і антициклони (рис. 80).

Рис 80. Фотографія циклону, зроблена з космічного апарату

Існування цих вихорів в чому схоже на життя організмів – вони народжуються, живуть, пересуваючись по планеті і приносячи нам хорошу чи погану погоду, і вмирають. Виявляється, закони, яким підкоряються процеси у Всесвіті, єдині, і подібні вихори існують і на інших планетах; наприклад, велика червона пляма на Юпітері є настільки стійким утворенням, що його спостерігають вже сотні років.

Автоколебания виникають і при деяких хімічних процесах. Класичним прикладом хімічної реакції цього типу є реакція Бєлоусова-Жаботинського – взаємодія сірчаної кислоти, малонової кислоти, сульфату церію (Се) і броміду калію. У процесі цієї реакції іони Се4 + знаходяться в розчині, періодично перетворюються на іони Се3 +, і назад. Зовні це проявляється в періодичному зміні кольору розчину. Залежно від концентрації розчинених речовин період коливань варіює від 2 до 100 с.

Освіта структур спостерігається і в мегамире (див. § 27).

Про єдність законів самоорганізації можна судити за зовнішньою подібністю циклонів і спіральних галактик (див. Фотознімки галактик, § 27).

У природі постійно і повсюдно відбуваються як процеси утворення нових структур (самоорганізація), так і процеси їх руйнування. Хоча зовнішні прояви процесів самоорганізації істотно розрізняються, всі вони володіють схожими якісними особливостями, що дозволяє описувати їх однаковими математичними рівняннями.

У чому подібність процесів самоорганізації в живій і неживій природі?
Чому хмари нерівномірно розподілені в атмосфері?
Дослідження показують застосовність законів самоорганізації для суспільства. Чи можете ви навести подібні приклади суспільних процесів?

Посилання на основну публікацію