История науки

Принципы описания поведения открытых систем, обменивающихся энергией, стали разрабатываться под влиянием ряда технических приложе­ ний, когда допущения о равновесном состоянии и изолированности оказы­ вались невозможными.

Диссипативными называют такие открытые системы, в которых прирост энтропии в единицу времени в единице объема отличен от нуля. Упорядо­ ченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе нерав­ новесных необратимых процессов, называют диссипативными структурами. Эти структуры возникают при рассеянии энергии (лат. dissipatio — «разго­ нять»). Без диссипатии, то есть рассеяния свободной энергии и создаваемых в системе неоднородностей, новые структуры возникнуть не могут.

Линейной называют систему, свойства которой не зависят от воздей­ ствия, оказываемого на систему. Процесс самоорганизации предполагает нахождение системы вдали от точки равновесия, когда свойства системы оказываются зависящими от воздействующих сил. Неравновесное состоя­ ние рассматривается синергетикой как основной источник упорядоченно­ сти. Нелинейные системы описываются нелинейными уравнениями, име­ ющими более одного качественно различных решения. Это означает, что система может развиваться совершенно различными путями.

Для понимания принципов самоорганизации рассмотрим несколько ставших классическими примеров.

Первый пример может быть представлен опытом, называемым иногда «яичница Бенара». В 1900 г. X. Бенар описал получение в широком сосуде не­ которой организованной структуры из налитой в сосуд ртути при нагревании сосуда (сковорода на плите). Структура напоминала пчелиные соты. Вместо ртути, как выяснилось, можно использовать, например, растительное масло. При определенном нагреве слоя ртути, он распадался на одинаковые шести­ гранные призмы, названные «ячейками Бенара», с определенными размера­ ми граней и соотношением между стороной и высотой. В центральной части каждой призмы жидкость поднималась вверх, по граням спускалась. В состо­ янии, близком к равновесному, когда перепад температуры между верхним и нижним слоями ртути невелик, ничего особенного не происходит. Но при значительном увеличении температуры возникает неустойчивое состояние, которое переходит в новое устойчивое, но с такой организацией, которая обеспечивает максимальную скорость тепловых потоков. Прежняя структу­ ра оказалась неспособной обеспечить достаточную скорость передачи тепла. Новое состояние является равновесным, то есть тепла отводится столько же, сколько подводится, но избыток энтропии расходуется на поддержание упо­ рядоченности структуры, энтропия которой выше, чем у изначальной.

Другим примером самоорганизации является химическая реакция Бело­ усова — Жаботинского, открытой в 1951 г. Борисом Петровичем Белоусовым. В этой реакции, происходящей в растворе серной и малоновой кислот суль­ фата церия и бромида калия при добавлении в качестве индикатора ферроина, самоорганизация проявляется в образовании в жидкой среде концент­ рических волн и в периодическом изменении цвета раствора. Период изме­ нения в течении реакции сохраняется. Попытки опубликовать результаты

проходят через активный элемент многократно и поэтому получают наи­ большее усиление. Вследствие этого излучение лазера является направлен­ ным. Из когерентности излучения лазера следует, что оно является также поляризованным и монохроматическим. Самоорганизация при работе ла­ зера как раз и проявляется в предании излучению этих свойств, отличаю­ щихся высокой степенью организации, то есть упорядоченности: излучение происходит практически на одной длине волны, его структура упорядочена во времени (временная когерентность) и в пространстве (пространственная когерентность). Необходимые условия самоорганизации обеспечиваются: инверсное состояние далеко от равновесного и нелинейно, система является открытой (получает и отдает энергию) и диссипативной (энергия, создава­ емая в активном элементе, рассеивается).

И наконец, еще один пример самоорганизации — переход от однородной к структурной Вселенной. Через 500 тыс. лет после Большого Взрыва, как мы уже отмечали, Вселенная остыла примерно до 3000 К. При такой температуре ни одно из четырех фундаментальных взаимодействий не обеспечивало дальнейших пре­ образований. Образовалась однородная среда, в которой тем не менее проявля­ лись принципы самоорганизации. Развивающаяся Вселенная открыта (обмени­ вается энергией с окружающей средой —вакуумом) и диссигнативна, то есть рас­ сеивает энергию. Состояние Вселенной было неравновесным, поскольку она состояла из трех не взаимодействующих между собой частей —лептонов, фото­ нов и барионного вещества, имеющих различную температуру.

Идеи самоорганизации Вселенной находятся в настоящее время в стадии развития, но сам принципиальный подход к этой проблеме с позиции само­ организации по современным представлениям является обнадеживающим.

При самоорганизации система проходит через так называемые точки бифур­ кации, представляющие собой критическое значение параметров системы при переходе от неустойчивого состояния к принципиально новому, устойчивому. В опыте Бенара, к примеру, точка бифуркации определяется критическим зна­ чением температуры. С точки зрения математики точке бифуркации соответ­ ствует более одного решения нелинейного уравнения, описывающего систе­ му. Практически это означает, что в точке бифуркации система имеет возмож­ ность перехода в одно из нескольких возможных устойчивых состояний. В ка­ кое именно состояние она перейдет — дело случая, но после качественного скачка — «назад дороги нет». Произошедший скачок необратим.

Таким образом, в развитии системы можно выделить две фазы — непре­ рывную эволюцию, протекающую плавно, ход которой закономерен (детер­ минирован), и случайную фазу, соответствующую переходу через точку би­ фуркации. Перелистаем несколько страниц книги назад и обратим внима­ ние на рис. 3.19, показывающий хронологию возникновения катастроф в ис­ тории Земли. Точки бифуркации соответствуют катастрофам, происходив­ шим на Земле. В этих точках создавалась критическая ситуация, требующая перехода Природы в новое качество. Между точками бифуркации эволюци­ онный процесс протекал сравнительно плавно.

Кпринципам самоорганизации привела неравновесная термодинамика

И.Пригожина, но сегодня ясно, эти принципы могут быть распространены на

Вернадский в своем учении о биосфере изучал не жизнь с биологической точ­ ки зрения, а живое вещество как совокупность живых организмов, населяющих нашу планету. В таком понимании биосфера представляется целостной систе­ мой живого вещества, соединяющего в своем развитии эволюцию живых орга­ низмов и человека с эволюцией Земли. Живое вещество, участвующее в плане­ тарных процессах, Вернадский характеризовал химическим составом, весом, ско­ ростью размножения, ростом и воздействием на окружающую природу.

Исключительна роль живого вещества в создании атмосферы. Она практи­ чески всецело создается живым веществом и удерживается в неизмененном со­ стоянии миллиарды лет.

Наиболее активную роль в биосфере выполняет человечество, являюще­ еся частью биосферы. С развитием науки и техники оно получает все боль­ шие возможности вмешательства в естественные процессы развития приро­ ды. За сравнительно короткий геологический период, прошедший после появления первых орудий труда, человечество до неузнаваемости измени­ ло лик планеты. Вмешательство в биосферу стало особенно разрушительным

впоследнее столетие.

ВXX веке темп роста населения резко увеличился. Численность населе­ ния на нашей планете за последние сорок лет удвоилась и составляет уже более 6 млрд, человек. Очевидно, что с ростом населения влияние человечества на био­ сферу усилится и обострит те проблемы, которые уже существуют. Это, прежде всего, загрязнение атмосферы и изменение климата на нашей планете, истоще­ ние сырьевых и водных ресурсов, загрязнение окружающей среды, уничтожение лесов, истощение почв, рост генетической неполноценности человека.

Вот лишь некоторые аспекты этих проблем.

Колоссальный рост потребления энергии человечеством можно назвать энергетической наркоманией. Начиная с 1950 г., потребление энергии уве­ личилось более чем в 4 раза. Все производители энергии — тепловые элек­ тростанции (63%), гидроэлектростанции (20%) и атомные электростанции (17%) наносят огромный ущерб окружающей среде. Выбросы в атмосферу углекислого газа теплоэлектростанциями приводит к парниковому эффек­ ту и потеплению климата, что в свою очередь грозит подъемом уровня ми­ рового океана и затоплением огромных территорий. В связи с потеплением будут расширяться районы пустынь. Гидроэлектростанции ухудшают эко­ логическую обстановку в реках, теряются пойменные земли. После Черно­ быльской катастрофы, принесшей огромный экологический кризис, все очевиднее становится опасность, таящаяся в ядерной энергетике. Говоря о последствиях ядерных катастроф, — их масштабы трудно переоценить, от­ метим, что только захоронение радиоактивных отходов составляет пробле­ му огромной сложности. От загрязнения почв, воды, атмосферы страдают легкие планеты — лес. Площадь лесов ежегодно уменьшается на 1-2%. Леса уничтожаются болезнями, лесными пожарами, вырубками. Особенно быс­ тро уменьшается площадь тропических лесов, в которых сосредоточено око­ ло 60% существующих на Земле видов растений и животных.

Истощается плодородие почв, что связано с несовершенством техноло­ гии их обработки.