6.Объясните модель пульсирующей Вселенной.

7.Какие еще сценарии происхождения Вселенной Вы знаете?

8.Как развивалась Вселенная после Большого Взрыва?

9.Как можно оценить возраст Вселенной?

10.Какую можно дать классификацию элементарных частиц? Как выглядит современная картина строения вещества?

11.Что такое космомикрофизика?

12.Какие фундаментальные взаимодействия и их константы Вы знаете?

13.Опишите структуру материи Вселенной. Что такое элементарные частицы?

14.В чем состоит идея «великого объединения полей»?

15.Как связан антропный принцип с «подгонкой» фундаментальных констант и устойчивостью Вселенной?

16.Как Вы понимаете иерархическую структуру материи и уровни организации Вселенной?

17.Что такое черная дыра?

18.Что надо понимать под античастицами и антивеществом? Какие доказательства известны, что вещества во Вселенной больше, чем антивещества?

19.Что можно сказать о механизме образования и эволюции звезд?

20.Что описывает главная последовательность и какова классификация звезд?

21.Какие схемы образования элементов во Вселенной Вы знаете?

ЛИТЕРАТУРА

6, 8, 17, 18, 26, 28, 32, 35, 39, 44, 47, 50, 56, 61, 78, 84, 86, 97, 100, 101, 104, 112, 121, 122, 133, 142, 148.

181

Глава 7. ПРОБЛЕМА «ПОРЯДОК—БЕСПОРЯДОК» В ПРИРОДЕ И ОБЩЕСТВЕ. СИНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Мир беспорядочно усеян формулами.

П. Валери

Я склонен думать, что случайность — более фундаментальная концепция, нежели причинность.

М. Борн

Термодинамика — старая властная тетка, которую все недолюбливают, но которая всегда права.

Физическая шутка

В эпохах, умах, коридорах, где разум, канон, габарит, — есть области, скрывшись в которых разнузданный хаос царит.

И. Губерман

Рассматривать и изучать явления, связанные с состояниями порядка и беспорядка в природе, естественно, начали достаточно давно, но только с введением физических моделей описания можно говорить о формировании некоторых количественных законов, известных в классической физике как термодинамика обратимых равновесных процессов.

Не останавливаясь здесь подробно на историко-познавательном аспекте создания и воплощения идей Н. Карно (1796—1832), Больцмана, Клаузиуса (1822—1888), Кельвина (У. Томсон) и многих других выдающихся творцов классической термодинамики (для этого мы и изучали когда-то физику), отметим, что из известных первого начала

δQ = dU + δΑ и второго начала

где δQ и δΑ — элементарные теплота и работа, dU — изменение внутренней энергии dT — изменение температуры, dS — изменение энтропии, со всей необходимостью вытекает, что в природе, точнее в предложенной физической модели происходящих в ней энергетических процессов, господствует тенденция к рассеянию энергии и выравниванию температуры. Кстати, американские студенты-физики, чтобы лучше помнить законы термодинамики, заучивают следующую фразу: «Если первый закон утверждает, что вы не можете выиграть, то второй закон говорит, что у вас даже нет шанса остаться при своих».

182

Связывая эти закономерности со статистическим (вероятностным) смыслом второго начала термодинамики:

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

термодинамической системы к равновесию, переход от более упорядоченных структур к беспорядку, хаосу. Кстати, формула для энтропии настолько знаменита, что написана в качестве эпитафии на надгробном камне на могиле Больцмана. И поэтому, вслед за Ю. Климонтовичем, справедливо спросить: если состояние вещества во Вселенной меняется в единственном направлении, то почему мы еще живем, поскольку мы знаем, что дарвиновская парадигма эволюции жизни — от простых форм к сложным, более упорядоченным, противоречит этой физической модели?!

Установление законов классической термодинамики Больцманом сыграло, конечно, огромную революционную роль в физике и технике XIX в., и было предложено называть этот век веком Больцмана, однако сам Больцман предложил считать XIX век — веком Дарвина. Это говорит не только о скромности Больцмана, но и понимании им неудовлетворительности своей теории для объяснения явлений природы. Тем самым он поставил принцип биологической эволюции на первое место. Долгое время такое положение, когда физика не объясняла биологическую эволюцию, оставалось очередным парадоксом естественных наук. Но пути преодоления этого кризиса были найдены в расширении представления о природных объектах и системах как о замкнутых с протеканием в них равновесных и обратимых процессов на более реальный взгляд, что такие системы являются открытыми и происходит обмен энергией, веществом и информацией между ними и окружающей средой. Показано, что в природных системах происходят сложные и неоднозначные процессы самоорганизации материи с учетом коллективных и когерентных, т.е. взаимосогласованных, взаимодействий объектов.

7.1. Неравновесная термодинамика и синергетика

Синергетический подход к рассмотрению необратимых неравновесных процессов позволяет объединить дарвиновский и больцмановский подходы в современную парадигму эволюции природы. Отмечая разницу в подходах Дарвина и Больцмана,

183

можно подчеркнуть и то, что их объединяет: случайность процессов, происходящих как в живой, так и в неживой природе, что следует из вероятностного характера законов, которые описывают развитие систем. В 1945 г. Шрёдингер предположил, что в живом веществе «преобладает новый тип физических законов» [25]. В настоящее время существует несколько иное понимание ситуации: по-видимому, физические законы и для неживого и живого одинаковы. Разными являются лишь конкретные механизмы. И, кроме того, мы расширили физическую модель описания процесса в реальных системах.

Рассмотрим это несколько подробнее с использованием идей и терминологии И. Р. Пригожина [20, 21, 111, 112] по неравновесной термодинамике и Г. Хакена (р. 1927) по механике неустойчивых систем. Из классической термодинамики (во времена Больцмана она была неклассической физикой) следовало, что рост энтропии всегда означал необратимость термодинамического процесса. Известно, что применение классической термодинамики Больцмана в космологии приводило к представлениям о «тепловой смерти» Вселенной и противоречило всем имеющимся сценариям происхождения Вселенной: от древних миров и представлений античной науки до современных и подчас экстравагантных астрофизических моделей. Гипотеза о «тепловой смерти» Вселенной возникла из представления о выравнивании температур и установлении полного равновесия во всей Вселенной согласно второму закону равновесной термодинамики. В рамках этой термодинамики ошибочное представление преодолевалось идеей, что распределение вещества во Вселенной вследствие гравитации не соответствует максимуму энтропии, потому, что не является наиболее вероятным. Существующие во Вселенной процессы и в будущем не приведут к однородному изотермическому состоянию — «тепловой смерти».

Все эти модели говорят о возникновении Вселенной из хаоса и отрицают рост беспорядка в дальнейшей эволюции Вселенной. Вывод о росте беспорядка противоречит также и химическому, и биологическому развитию систем. Уместно подчеркнуть, что в отличие от различных механик (ньютоновской, квантовой и релятивистской) рост энтропии по второму началу выделяет направление термодинамических процессов, что и означает, что время течет только в одном направлении. Необратимые процессы подтверждают «стрелу времени»!

184

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

Новый синергетический подход означает необходимость рассмотрения физики процессов в открытых системах, из которых состоит весь реальный мир, и проявляющихся в живой и неживой природе, а также и в общественных и социальных системах. Для этого понадобились новые идеи, новые образы и новые понятия, а также естественный пересмотр старых понятий. Прежде всего это относится к представлению хаоса и порядка. Интуитивно хаос определяют от противного: хаос — это то, что отличается от порядка, некоей структуры. А под структурой понимается какой-то объект, система, обладающие устойчивостью, жесткостью связей внутри них, способностью вследствие этого сопротивляться внешним и внутренним изменениям, как бы не изменяясь в целом. В качестве примеров можно привести регулярную кристаллическую решетку твердых тел и нерегулярную структуру живого организма, состоящую из разнородных живых клеток, но организованных в нем по сложному плану.

7.2. Динамика хаоса и порядка

Однако выяснилось, что на самом деле хаос — не отсутствие структуры, а тоже структура, но определенного типа. Это впервые было отмечено в работах Э. Лоренца, который в 1963 г. попытался математически описать на основе тепловой конвекции в атмосфере и с учетом земного тяготения глобальные метеорологические процессы на нашей планете. Было показано, что хаотический процесс может быть описан математически — довольно сложными нелинейными уравнениями, с привлечением численных компьютерных расчетов, что означает наличие в нем некоего внутреннего порядка, пусть и достаточно сложного. В расчетах Лоренц применил метод математического моделирования с использованием трех дифференциальных нелинейных уравнений.

В действительности в открытых системах ввиду их сложности возможно образование различных структур. Поэтому имеет смысл рассматривать степень неупорядоченности той или иной структуры и количественные критерии упорядоченности или хаотичности различных состояний открытых систем. В качестве критериев можно было бы ввести, например, меру беспорядка и меру порядка, между которыми должны быть гармонические соотношения целого и его частей по «золотому сечению» Леонардо

185

да Винчи. Эти две меры могут быть выражены через известный закон сохранения субстанции системы:

А+ В = 1,

который в принципе отражает устойчивость системы через ее элементы А и В. Одно связано с другим — это опять же некая аналогия с уже рассмотренным в гл. 2 принципом неопределенности Бора.

Отсюда вытекает, что понятие структуры становится ключевым для теории самоорганизации и, следовательно, для синергетики — понятие, которое ввел Г. Хакен. Оно означает совместное действие, совместное привлечение и исследование различными методами многих явлений на основе общего подхода. С точки зрения физики синергетические процессы можно трактовать и как совместные, коллективные и когерентные взаимодействия микро- и макрообъектов и применять эти представления к описанию процессов в природе и обществе.

Можно считать, что процессы самоорганизации участвуют в эволюции систем наряду с процессами деградации. Здесь важен критерий самоорганизации, связанный также со стремлением системы к равновесию или неравновесию, устойчивому или неустойчивому состоянию, причем далеко не всегда равновесное должно ассоциироваться с устойчивостью. Оказалось, что и вдали от равновесия могут образовываться устойчивые структуры, и неравновесные структуры могут быть устойчивыми.

7.3. Модель Э. Лоренца

Рассмотрим качественно модель атмосферных процессов Э. Лоренца. Конвективное движение молекул воздуха в атмосфере возникает в результате совместного действия гравитационного поля Земли и градиента температур, создаваемого внешним источником тепла, например, океаном, нагретым Солнцем. В результате создаются конвективные потоки нагретого воздуха вверх и холодного воздуха — вниз. Это типичный хаотический процесс, т.е. неорганизованный и случайный. Однако ситуация может существенно измениться, если градиент температуры случайно превысит некоторое критическое значение. Тогда в общей атмосфере могут образовываться такие зоны, области, внутри

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

которых теплый воздух поднимается вверх, а по краям этих зон

186

холодный воздух движется вниз. Это приводит к саморегуляции теплового потока, и в целом возникает уже упорядоченное макроскопическое движение воздуха. Хаотическое движение становится упорядоченным. Хаос превращается в порядок! (Перестройка характера движения самоорганизации происходит благодаря внутренним свойствам самой системы при наличии внешней подпитки системы энергией.)

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

187

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 окислительновосстановительные 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].

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.