Диссипативные структуры. 
Концепции современного естествознания

Физически самой простой диссипативной структурой являются шестиугольные ячейки конвенктивного массопереноса в слое жидкости, на границах которого имеется разность температур, превышающая некоторое предельное значение (порог). В центрах ячеек жидкость поднимается, по краям — опускается (рис. 153). Такая система обменивается с окружающей средой только теплом. В стационарном состоянии она получает при температуре Т некоторое количество теплоты AQ, которое и отдает с низкотемпературной поверхности Т₂.

В термодинамике, наряду с теплотой и энергией, пользуются понятием энтропии S. Это функция состояния термодинамической системы и её изменение AS в каком-либо процессе определяют по формуле.

Например, при плавлении кристалла AQ равно теплоте фазового перехода (скрытой теплоте плавления), а Т равно температуре плавления. Теплота плавления идет на разрушение кристаллической решетки: AQ > О и Т > 0, поэтому AS > 0. Иначе говоря, при увеличении беспорядка энтропия возрастает.

Для рассматриваемого нами эффекта Бенара общее изменение энтропии будет равно:

И.Р. Пригожин показал [15], что во всех случаях установления порядка в диссипативных структурах они понижают свою энтропию, можно даже сказать — они отдают свою энтропию окружающей среде. Так что два обстоятельства важны для самоорганизации: обмен энергией и уменьшение энтропии; если эти условия выполняются, то мы можем ожидать проявлений пространственно-временной упорядоченности, роста организационных форм в живой и неживой природе.

В этой связи обратим внимание на некоторое подобие условий, в которых находится Земля, с условиями эффекта Бенара: Земля получает от Солнца энергию при температуре планковского спектра 6000 К, а излучает такое же количество теплоты в ИК-области спектра, соответствующей температуре излучателя примерно 300 К. Из формулы (68) следует, что при таком различии температур и AQ = const поток энтропии от Земли оказывается намного больше, чем она получает её от Солнца. Таким образом, условие (69), необходимое для появления диссипативных структур, на Земле выполняется.

Рис. 154. Фотографии периодических химических реакций

Если нет условий для «сброса» энтропии в окружающую среду, то самоорганизация оказывается недолговременной, как в случае колебательных химических реакций Белоусова-Жаботинского. В этих реакциях наблюдается временная упорядоченность в окислительно-восстановительных состояниях Се³ и Се⁴⁺ в смеси серной кислоты, сульфата церия, малоновой кислоты и бромага калия. Индикатор окислительно-восстановительных условий (ферроин) позволяет видеть периодичность изменения цвета раствора от красного до синего (рис. 154). При подборе концентрации веществ, после некоторого числа колебаний окраски, самопроизвольно образуются разделенные пространственные слои синего и красного цветов. Время их существования достигает 30 минут. Так как реакции идут в замкнутой системе при изотермических условиях, то стабильных диссипативных структур не образуется. По образному выражению А. И. Осипова [25], химический «организм» погибает, задушенный избытком энтропии, которую нет возможности выделить в окружающую среду. Стационарная диссипативная структура, по словам Э. Шредингера, должна «добывать упорядоченность из окружающей среды, увеличивая в ней беспорядок».

Часто говорят, что работы И. Р. Пригожина привели к становлению современной термодинамики, отвечающей новым концепциям естествознания. В чем отличие неравновесной термодинамики от классической? Как известно, классическая предшественница основана на нескольких обобщениях совокупности экспериментальных фактов (началах термодинамики).

Первое начало выражает собой закон сохранения энергии применительно к тепловым процессам, и оно обычно знакомо из школьного курса физики. Второе начало термодинамики имеет несколько эквивалентных формулировок, одна из которых гласит, что в замкнутых системах энтропия необратимых процессов может только возрастать. По утверждению Р. Клаузиуса (1822−1888), автора понятия «энтропия», «энергия Вселенной постоянна, энтропия Вселенной возрастает».

Л. Больцман (1844−1906) показал статистический смысл понятия энтропии: для абсолютного порядка существует единственный вариант состояния системы и энтропия равна нулю; беспорядочное расположение составляющих системы (хаос) имеет бесчисленное количество вариантов и энтропия в этом случае стремится к бесконечности. Всякий раз, когда энтропия системы возрастает, совершается переход в менее упорядоченное состояние (по какому-либо параметру этой системы).

Следует подчеркнуть, что закон возрастания энтропии применим только для множества частиц. Как и понятие температуры. Для одной частицы или для единичного объекта наблюдения его просто невозможно сформулировать.

В классической термодинамике закон сохранения энергии играет роль бухгалтера, уравнивающего дебет и кредит, тогда как роль директора, предписывающего направления финансовых вложений, принадлежит энтропии.

До работ И. Р. Пригожина направление самопроизвольных процессов предписывалось только в одну сторону — в сторону роста энтропии. Когда маленькое, нагретое до высокой температуры тело приводится в контакт с холодным и более массивным, то теплота передается только от горячего к холодному, с этим каждый сталкивался в обыденной жизни. Простые расчеты показывают возрастание энтропии в процессе остывания утюга на холодной плите. Но никто никогда не наблюдал самопроизвольного нагревания утюга за счет ещё большего понижения температуры плиты!

А как же самоорганизуются диссипативные структуры, например, в плазме газового разряда (см. рис. 155)? Оказывается, что условия процессов принципиально отличаются: в классической термодинамике рассматриваются почти равновесные процессы, вблизи равновесия, тогда как для эффекта самоорганизации необходимы резко неравновесные состояния, вдали от положения равновесия. Тогда при локальном понижении энтропии в одной части в гораздо большей степени возрастет энтропия другой, так что в суммарном итоге второе начало окажется справедливым.

Рис. 155. Эффекты упорядочения в плазме газового разряда

Совместимость феномена самоорганизации с действием второго начала термодинамики — это одно из крупнейших достижений современного естествознания, оно имеет важное значение для многих природных процессов.

Выше мы рассматривали концепцию Большого взрыва. Считается, что Вселенная появляется в состоянии чрезвычайно высокого порядка. Поскольку еще нет агрегатных состояний и самих химических элементов, порядок выражается в наивысшей симметрии взаимодействий частиц-полей (единство кварков, лептопов и гравитонов). Затем симметрия порогово понижается, начинается рост энтропии Вселенной, который, по мнению С. Хокинга, задает направление термодинамической стрелы времени, и она является сонаправленной космологической стреле времени, отличающей расширение Вселенной от сжатия. Совместимость самоорганизации структур и процессов со вторым началом термодинамики приводит также к сонаправленности хода космологического и биологического времени живых существ.