Теория порядка и хаоса

В этой главе от замкнутых систем приходим к рассмотрению систем открытых, которые обмениваются с окружающей средой веществом и энергией. С молекулярно-кинетической точки зрения в изолированных системах положению равновесия отвечает состояние максимального хаоса. Стационарные состояния в открытых системах австрийский (впоследствии канадский) биолог-теоретик Людвиг фон Берталанфи (1901 — 1972) назвал текущим равновесием. Процессам, нарушающим равновесия в системе, противостоит внутренняя релаксация. В случае разреженных газов это процессы столкновений. Если возмущающие процессы менее интенсивны, чем релаксационные, то говорят о локальном равновесии, т. е. оно существует в малом объеме. При этом вовсе не обязательно, чтобы в других частях системы состояние было близко к равновесию. Например, газ находится между плоскостями, нагретыми до 100 °C. Процесс теплопроводности крайне медленный, газ находится в неравновесном состоянии, а где-то в системе будет малая область, находящаяся в локальном равновесии. Эта идея была высказана Пригожиным и позволила описывать в этой области состояния равновесными параметрами, например, температурой. Ле Шателье писал: «Если в системе, находящейся в равновесии, изменить один из факторов равновесия, например, увеличить давление, то произойдет реакция, сопровождающаяся уменьшением объема, и наоборот. Если же такие реакции происходят без изменения объема, изменение внешнего давления не будет влиять на равновесие». Принцип Ле Шателье-Брауна в современном изложении означает, что система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия. При этом из хаоса могут возникнуть структуры, которые начнут последовательно переходить во все более упорядоченные. Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы, поэтому это явление получило название самоорганизации. Пригожин назвал упорядоченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов, диссипативными структурами. Поскольку «диссипация» происходит от латинского слова dissipatio «разгонять, рассеивать», то говорят, что эти структуры летучие и возникают при рассеянии свободной энергии. В открытых системах можно менять потоки энергии и вещества и тем самым регулировать образование диссипативных структур. Оказалось, что под действием крупномасштабных флуктуаций возникают коллективные формы движения, называемые модами, между которыми возникает конкуренция, происходит отбор наиболее устойчивых из них, что и приводит к спонтанному возникновению макроскопических структур.

Хаотическое состояние содержит в себе неопределенность, вероятность и случайность, которые описываются при помощи понятий информации и энтропии. Классическим примером возникновения структуры является конвективная ячейка Бенара. В 1900 году появилась статья Х. Бенара с фотографией возникшей структуры, которая напоминала пчелиные соты. Он наблюдал ее в ртути, налитой в широкий плоский сосуд, подогреваемый снизу (сковорода на плите). Слой ртути (или другой вязкой жидкости) после того, как градиент температуры достиг некоего критического значения, распадался на одинаковые шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой. В центральной части такой призмы жидкость поднималась вверх, а по граням опускалась. По поверхности жидкость растекалась от центра к краям, а в придонном слое к центру. Начиная с критического значения разницы температур, возникли устойчивые структуры, названные ячейками Бенара.