7.4. Диссипативные структуры

Система может быть в целом неравновесной, но уже некото­рым образом организованной, упорядоченной. Такие структуры И. Пригожин назвал диссипативными структурами (от латинско­го dissipatio — разгонять; рассеивать свободную энергию). Дис­сипативные структуры — это такие открытые системы, в кото­рых при больших отклонениях от равновесия возникают упоря­доченные состояния. При этом энтропия должна возрастать; изменяются и другие термодинамические функции системы, что свидетельствует в целом о сохранении ее хаотичности. Диссипа­ция как процесс затухания движения, рассеяние энергии, ин­формации играет конструктивную роль в образовании структур в открытых системах. В большинстве случаев диссипация реализу­ется как переход избыточной энергии в тепло. Таким образом, для нелинейной системы с диссипацией практически невозмож­но предсказать конкретный путь развития такой системы, так как реальные начальные условия никогда не могут быть заданы точно, а бифуркации тем и характерны, что даже малые возму­щения могут сильно изменить ход событий.

7.5. Ячейки Бенара

Можно привести еще два ставших уже классическими приме­ра упорядочения структуры из хаотического движения. Первый пример относится к гидродинамической неустойчивости в жид­кости, открытой в 1900 г. Бенаром. На поверхности жидкости при определенных условиях возникает диссипативная простран­ственная структура, названная ячейками Бенара. Для наглядности опишем опыт Бенара на «бытовом» уровне. На подогреваемую снизу сковороду наливают масло с металлическими опилками, и поэтому вверху образуется тяжелый слой. За счет подогрева, т.е. возникающего градиента температур, в результате действия сил: тяжести и выталкивающей архимедовой, — подогретые легкие и тяжелые верхние слои стремятся поменяться местами. До како­го-то момента этим внутренним движениям противодействует внутреннее трение — вязкость (поэтому для наглядности и было выбрано масло), но при достижении некоторой критической разности температур, так же, как в модели атмосферы Лоренца, возникает организованный конвенционный поток, и поверхно­стный слой масла вдруг, скачком, разделяется на правильные шестиугольные ячейки, напоминающие пчелиные соты, которые можно увидеть, покачивая сковородку. С позиции физики про­изошел фазовый переход — образовалась новая структура, но переход не равновесный, а неравновесный, требующий подвода внешней энергии.

7.6. Реакции Белоусова — Жаботинского

Второй пример относится к самопроизвольным периодическим химическим реакциям, впервые открытым Б. Белоусовым в 1951 г., в которые никто из химиков не хотел поверить, так как из традиционной химии известно, что химические реакции не­обратимы. Поэтому при жизни Белоусова результат не был опуб­ликован. Условием публикации было требование редакторов научных журналов теоретического объяснения механизма явле­ния, что само по себе неправильно и несправедливо. Как и в предыдущих моделях Лоренца и Бенара, суть периодических ре­акций — в возникновении организованных потоков и структур, но только реализованных в химических реакциях, где важную роль играл специфический катализатор. При реакции окисления лимонной кислоты с таким катализатором в определенной по­следовательности возникали окислительно-восстановительные процессы, и раствор самопроизвольно периодически менял цвет. Подобные реакции в дальнейшем широко исследовали и ис­пользовали для разных веществ, и они получили название реак­ций Белоусова — Жаботинского. Ныне известны и другие колеба­тельные реакции, но реакция Белоусова — Жаботинского явля­ется в известном смысле исторической, поскольку она показала, что вдали от состояния равновесия вещество обретает новые свойства [23].

Сделаем маленькое историко-психологическое отступление. Мы часто читаем и знаем о драматических историях великих за­рубежных ученых, их идеях, заблуждениях и непризнании их современниками (Эйнштейн, Больцман, Пуанкаре и многие дру­гие), но не замечаем или забываем о своих собственных великих соотечественниках, живущих рядом в нашем пространстве "и вре­мени. Так, для меня в 1959 г., когда я работал, «ходил», как го­ворят о себе «морские волки», на первом нашем атомоходе «Ле­нин» в Арктике, было открытием (не географическим), что автор открытого им (географически) пролива русский гидрограф Б. Вилькицкий (1885—1961) еще жив, но находится в эмигра­ции, и, естественно, по этой причине, как и упоминавшийся уже замечательный наш физик Г. А. Гамов, в нашей прессе (и не только научной) не упоминался. Так случилось, к сожалению, и с Б. Белоусовым, не получившим при жизни (он умер в 1970 г.) достойного признания своего открытия. Как писал Н. Климон- тович [13] про Белоусова, «комбриг в отставке, человек прекрас­ного естественно-научного образования и великолепный химик- организатор», лишь в 1980 г. был отмечен Ленинской премией в области химии.

Реакции, приводящие к временным структурам в химии, могут быть отнесены к колебательным реакциям — автоката­литическим по химической терминологии или к автоволновым процессам по физической терминологии. В автокаталитических реакциях продукты каталитически ускоряют саму реакцию и скорость ее растет с ростом концентрации ее продуктов. Авто­волны — самоподдерживающиеся волны, которые распространя­ются в активных средах с распределенной запасенной энергией, или в таких, в которых подводится энергия извне. За счет об­ратной связи между отдельными стадиями сложной реакции или любыми частями самоорганизующейся системы автоволны могут поддерживать свои характеристики. Автоволновые про­цессы, которые относят к самоорганизующимся процессам, по­лучили свое развитие в работах представителей русской школы теории колебаний, в том числе в нелинейных средах, Л. Ман­дельштама (1879—1944), А. Андронова (1901—1952), Р. Хохлова (1926—1977), С. Ахманова. Можно даже считать, что это был «русский подход» к проблемам самоорганизации. Они. имеют более глубокий смысл, поскольку на их основе анализируют многие процессы в природе и обществе, не только при химиче­ских реакциях, в том числе и в процессах горения и окисления, передачи информации, например, в биологии, географии, эт­нографии, социологии и других науках. Отметим, что Приго- жин и его школа, занимающаяся неравновесной термодинами­кой, избегают синергетической терминологии, введенной Хаке- ном для динамики неустойчивых структур.