НЕРАВНОВЕСНАЯ ТЕРМОДИНАМИКА И. ПРИГОЖИНА

Эта концепция имеет несколько иной аспект. Ее основопо­ложник И. Пригожий отметил, что в теоретической химии и физике возникло новое направление, находящееся в самом начале своего развития, в нем важнейшую роль будут играть термодинамические концепции. Задачей новой науки является доказательство того факта, что неравновесие может быть причиной порядка.

До недавнего прошлого физическая наука вполне обходилась равновесной термодинамикой. Предметом этой дисциплины являются процессы преобразования энергии, проте­кающие в замкнутых системах, состояние которых близко к термодинамическому равновесию. Но в подобных системах дня самоорганизации нет места. Поэтому нужно создать но­вую термодинамику, способную отражать скачкообразные процессы.

Чтобы система могла не только поддерживать, но и созда­вать упорядоченность из хаоса, она непременно должна быть открытой и иметь приток энергии и вещества извне. Именно такие системы названы Пригожиным диссипативными. Весь доступный нашему познанию мир состоит именно из таких систем, и в этом мире повсюду обнаруживается эволюция, раз­нообразие форм и неустойчивость.

В ходе эволюционного этапа развития диссипативная сис­тема достигает в силу самого характера развития состояния сильной неравновесности и теряет устойчивость. Это происхо­дит при критических значениях управляющих параметров, и дальнейшая зависимость происходящих процессов от дейст­вующих сил приобретает крайне нелинейный характер.

Разрешением возникшей кризисной ситуации служит быстрый переход диссипативной системы в одно из возмож­ных устойчивых состояний, качественно отличающихся от исходного. Пригожий трактует такой переход как приспо­собление диссипативной системы к внешним условиям, чем обеспечивается ее выживание. Это и есть акт самоорганизации системы.

Самоорганизация проявляется в форме гигантской коллек­тивной флуктуации, которая не имеет ничего общего со стати­стическими законами физики. В состоянии перехода элементы системы ведут себя коррелированно, хотя до этого они пребы­вали в хаотическом движении.

В качестве примера можно взять этап перехода от одно­родной Вселенной к структурной. В начале этого перехода Вселенная представляла собой смесь трех почти не взаимо­действовавших между собой субстанций: лептонов, фотонов и барионного вещества. Температура (3000 К) и плотность вещества к этому времени уже были достаточно низкими, и в этих условиях ни одно из четырех фундаментальных взаимо­действий не могло обеспечить процессы нарастания сложно­сти и упорядоченности вещества. Перспективой было обра­зование «лептонной пустыни», аналога «тепловой смерти»/ Но этого не случилось, произошел скачок системы в качественно новое состояние: во Вселенной возникли разномасштабные структуры, находящиеся в сугубо неравновесных состояниях. Для объяснения этого процесса и привлекаются идеи самоорганизации материи. С формальной точки зрения Вселенную можно считать диссипативной системой, так как она открыта (если считать окружающей средой Вселенной вакуум); неравновесна (в ней нарушен равновесный состав вещества и антивещества, она состоит из трех почти не взаи­модействующих между собой частей, каждая из которых име­ет свою температуру); температура и плотность вещества на данном этапе являются критическими, так как ни одно из фи­зических взаимодействий не обеспечивает дальнейшего раз­вития Вселенной. Все это и привело к скачку, образованию структурной Вселенной.

Переход диссипативной системы из критического состоя­ния в устойчивое неоднозначен. Сложные неравновесные сис­темы имеют возможность перейти из неустойчивого в одно из нескольких дискретных устойчивых состояний. В какое именно из них совершится переход - дело случая. В системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются силь­ные флуктуации, под действием одной из них 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 и необратимый харак­тер. Критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, назы­вают точкой бифуркации.

Обнаружение феномена бифуркации, как считает Пригожин, ввело в физику элемент исторического подхода. Любое описание системы, претерпевшей бифуркацию, требует вклю­чения как вероятностных представлений, так и классичес­кого детерминизма. Находясь между двумя точками бифурка­ции, система развивается закономерно, тогда как вблизи точек бифуркации существенную роль играют флуктуации, кото­рые и определяют, какой из путей дальнейшего развития бу­дет избран.

Таким образом, самоорганизация заставляет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в раз­витии систем, в природе в целом. В развитии выделяются две |)азы: плавная эволюция, ход которой достаточно закономерен .. жестко детерминирован, и скачки в точках бифуркации, про­текающие случайным образом и поэтому случайно преде­ляющие последующий закономерный эволюционный этап плоть до следующего скачка в новой критической точке.

В том, что точки бифуркации - это не абстракция, имеет возможность убедиться каждый человек. У любого человека возникали ситуации, когда он стоял перед выбором своего дальнейшего жизненного пути и случайное стечение обстоя­тельств определяло этот путь. Например, человек собирался уехать учиться в другой город, но сломал себе ногу и должен был остаться дома. Так случай определил последующий жиз­ненный этап. Подобные примеры можно продолжить, каждый может привести их из своей жизни.

Важным моментом в разработке проблем неравновесной термодинамики является ее отношение к проблеме необрати­мости времени. Самоорганизация не подчиняется статистиче­ским законам, но при ее протекании в явном виде обнаружива­ется «стрела времени» - процесс скачка невозможно повернуть вспять. Классическая механика, основанная на динамических законах, не исключает возможности обращения времени. Так, поменяв в уравнениях, описывающих движение тела, знак плюс на минус перед временем и скоростью, мы получим опи­сание движения этого тела по пройденному пути в обратном направлении. И хотя весь наш опыт убеждает в невозможности повернуть время вспять, такая возможность теоретически не исключалась. Другое дело - статистические законы, в том чис­ле законы термодинамики. Для систем, состоящих из очень большого числа частиц, неизбежно вытекает однонаправлен­ность процессов природы.

Проблемами самоорганизации также занимается теория катастроф. Катастрофами называют скачкообразные измене­ния, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Эта теория дает универсальный метод исследования всех скачкообразных переходов, разры­вов, внезапных качественных изменений.

Сегодня картина мира выглядит так. Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого/ алгоритма заложена присущая материи способность к самоорганизации, проявляющаяся в критических точках системы Самая крупная из известных человеку систем - это развивающаяся Вселенная.

План семинарского занятия (2 часа)

1. Классическая и современная концепции развития в естествознании.

2. Сущность идеи самоорганизации материи.

3. Основы синергетики и неравновесной термодинамики.

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 264; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!