9. Явления саморазвития химических систем

в свете учения И. Пригожина* о необратимости

Выше было уже сказано, что разработанная И. Р. Пригожиным термодинамика необратимых процессов устра­няет запреты на эволюцию химических систем в направлении их упорядочения, налагаемые термодинамикой Р. Клаузиуса и Л. Больцмана. Ввиду того, что при обсуждении проблем хими­ческой эволюции и биогенеза в литературе чаще всего обращаются к одной из первых работ И. Пригожина, а именно к работе [11], в которой дана новая интерпретация второго начала термодина­мики, более поздние работы того же автора рассматриваются всего лишь как экстенсивное развитие работы [11]. Между тем

* Пригожин Илья Романович — бельгийский физик и физико-химик. Род. в 1917 г. в Москве. В 1942 г. окончил Брюссельский ун-т, работал там же, с 1947 г. профессор. Лауреат Нобелевской премии (1977). Иностранный член АН СССР.

211

подход Пригожина к проблеме химической эволюции — это не просто «новый термодинамический подход», как его нередко именуют. Это значительно более широкий общенаучный подход, который лишь для краткости мы назвали здесь «учением о необра­тимости».

Во-первых, «пригожинскую термодинамику» следует рассматри­вать не только как область термодинамики, объектом которой являются необратимые процессы, но как «обобщенную термодина­мику», по отношению к которой классическая термодинамика пред­ставляет собой частность.

Во-вторых, и физико-математические способы описания при­родных явлений, и философское толкование их далеко выходят за пределы даже и обобщенной термодинамики. Скорее они состав­ляют некое целостное учение, корни которого уходят и в естество­знание, и в философию. Сюда относятся, в частности, работы [31—34], содержание которых имеет не только естественно-науч­ный, но и ярко выраженный философский характер.

Нельзя не отметить, однако, что в работах Пригожина почти невозможно отграничить физико-математические аспекты от фило­софских. И те и другие методы познания природы выступают в этих работах удивительно слитно, во взаимном дополнении. Не упуская из виду специальную физико-математическую сторону работ Пригожина, нам хотелось бы здесь отметить в них методоло­гическую сторону, с которой связаны идеи не только об эволюции Природы, но и об эволюции науки о природе, о достижении такого уровня развития естествознания, на котором природа впервые воспринимается в необратимом движении по координате времени.

«Наука прошлого века завещала нам не только впечатляющие достижения,— говорит Пригожий,— мы унаследовали по меньшей мере два фундаментальных противоречия» [35, с. 41]. Одно из них — это противоречие между открытием в 1859 г. Ч. Дарвином законов биологической эволюции, указавших на стремление материи к усложнению, самоорганизации посредством флуктуации, отбора и необратимого зарождения новых структур, с одной стороны, и открытием в 1865 г. Р. Клаузисом закона возрастания энтропии, с другой. Согласно закону Клаузиса система приходит к равно­весию, необратимые же процессы — к остановке, а в целом систе­ма — к хаосу. «Другое противоречие, пожалуй, еще глубже»,— отмечает Пригожий. Оно состоит в полном пренебрежении поня­тием времени как в классической механике, так и в квантовой, несмотря на то, что они описывают движение. «Для нас, убежден-ных-физиков, различие между прошлым, настоящим и будущим — всего лишь иллюзия, хотя и довольно стойкая»,— приводит При-гожин слова А. Эйнштейна. «С другой стороны, для нас, обыкно­венных живых людей,— продолжает уже от себя Пригожий,— вре­мя в высшей степени реально. Это реальность нашего повседневно­го опыта, наших надежд и опасений, наконец, реальность нашей

212

ответственности за судьбы мира сегодняшнего и завтрашнего,— мира, меняющегося быстро и необратимо» [35, с. 42].

Разрешение обоих этих противоречий Пригожий видит в пере­ходе всей науки на новый уровень развития, более высокий, чем тот неклассический (или послеклассический) уровень, который ха­рактеризовался господством теории осносительности и квантовой механики.

Основными требованиями научного познания на этом уровне являются: 1) признание времени такой формой бытия, одно­мерность и асимметричность которой обусловливают всеобщую необратимость изменений, происходящих в мире; закрытые равно­весные системы рассматриваются в свете этого требования как частный случай всеобщего неравновесия; 2) положение о колеба­тельных процессах как одном из важнейших признаков высоко­организованных неравновесных систем, в частности колебательных реакций, или «химических часов»; 3) исследование «коллективной стратегии поведения» микросистем в единой макроскопической системе; 4) изучение природы изнутри с учетом того, что иссле­дователь является частью изучаемой системы.

«Вероятно, мы находимся лишь в начале долгого пути и только начинаем понимать природу,— говорит Пригожий.— На глазах ме­няется наука, меняются ее служители. Они становятся более, чем когда-либо, естествоиспытателями. Видимо, это — финал вели­кой научной революции, начатой в свое время Галилеем и Ньюто­ном» [35, с. 44].

Можно, конечно, согласиться и с этим утверждением Пригожи-на, если развитие естествознания рассматривать в очень крупном масштабе и видеть во всей его истории только два периода: натур­философский догалилеевский и собственно естественно-научный, начатый Галилеем и Ньютоном.

Но такой масштаб лишает нас возможности рассматривать ход развития науки более конкретно и с несравненно большим интере­сом. Исходя из тех же идей Пригожина, в послегалилеевском естествознании можно отчетливо различить такие три его блока, как: 1) классическое естествознание от Ньютона до Менделеева, 2) неклассическое естествознание, стержнем которого следует считать квантовую механику и квантовую электродинамику и 3) естествознание сегодняшнего дня с синергетической основой. Последовательность появления этих блоков представляет собой •иерархию трех уровней развития естествознания, происходящего как бы по спирали. Основным объектом исследования на первом уровне являются макротела и равновесные макросистемы, законы движения которых (механику Ньютона) естествоиспытатели рас­пространяют и на микромир, т. е. на все формы коллективизации атомов, рассматриваемых в качестве неизменных элементарных частиц размером 10~⁸—10~¹⁰ см. Главным же объектом естество­знания второго уровня служат микросистемы, характеризующиеся

213

непрерывным и, в общем случае, равновесным изменением эле­ментарных частиц размером 10~¹³—10~¹⁵ см, их взаимным превра­щением, аннигиляцией и т. д. Посредством законов квантовой ме­ханики и квантовой электродинамики естествоиспытатели на этом уровне развития науки пытаются объяснить физическую и хими­ческую организацию также и микромира. И, наконец, объектом естествознания третьего уровня являются вновь макросистемы, но изучаемые и понимаемые уже не только с позиций синтеза механики и квантовой механики, но плюс к этому еще с единых позиций историзма, самоорганизации материи, господства необра­тимости, с позиций, охватывающих как единое целое и макро-и микромиры.

В высшей степени интересной представляется эволюция методов научного познания в этой иерархии уровней: от жесткого детерми­низма через гейзенберговский принцип неопределенности к эволю ционным взглядам на причинность; от видения мира со стороны наблюдателя к изучению природы изнутри ее с учетом места и роли в ней человека; от равновесной статистической механики к неравно­весной, а в общем — от метафизических методов к диалектическим. И, может быть, наиболее резко выраженной формой диалектиза-ции научного познания в учении Пригожина выступает целостный подход к своему объекту — макросистеме как такому целому, кото­рое существует за счет когерентности «коллективной стратегии поведения» ее частей. Одно изучение частей, по Пригожину, не при­водит к адекватным представлениям о целом, и это глубоко диалектическое положение нельзя не рассматривать как подъем на новую ступень диалектизации познания по сравнению с кванто­вой механикой.

Иллюстрируя это положение на примере колебательных хими­ческих реакций, Пригожин говорит: «Ведь что в самом деле полу­чается? Основа колебательной реакции — наличие двух типов мо­лекул, способных превращаться друг в друга. Назовем один из них А (красные молекулы), другой В (синие). Мы привыкли думать, что химическая реакция — это хаотические, происходящие наобум столкновения частиц. По этой логике взаимные превраще­ния А и В должны приводить к усредненному цвету раствора со случайными вспышками красного или синего. Но когда условия далеки от равновесия, происходит совершенно иное: раствор в це­лом становится красным, потом синим, потом снова красным. По­лучается, будто молекулы как бы устанавливают связь между собой на больших, макроскопических расстояниях через большие, макроскопические отрезки времени. Появляется нечто похожее на сигнал, по которому все А или все В реагируют разом. Это • действительно неожиданность. Ведь мы привыкли считать, что мо­лекулы взаимодействуют только на близких расстояниях и ничего «не знают» о своих дальних соседях. А здесь система реагирует как единое целое. Такое поведение традиционно приписывалось

214

только живому — теперь же ясно, что оно возможно и у систем сравнительно простых, неживых» [35, с. 43].

Недаром И. Р. Пригожин называет открытие Б. П. Белоусовым колебательной реакции «одним из важнейших экспериментов наше­го века». Сказанное не означает, однако, того, что Пригожин пользуется лишь одним макроскопическим методом описания эво­люционных изменений. Нет, в его арсенале находятся и стохасти­ческие методы, и методы классической механики и квантовой ме­ханики.

В работах [31—33} Пригожин рисует картину поведения систем с большим числом взаимодействующих субъединиц (например, мо­лекул А и В) в одном случае вблизи состояния равновесия, а в дру­гом— при достаточно большом удалении от равновесия. В первом случае система обладает определенной устойчивостью, иммуните­том к возмущениям, и если эти возмущения оказываются не очень сильными, она возвращается к состоянию равновесия, ее структура разрушается. Во втором случае, при удалении от равновесия, систе­ма «теряет свой иммунитет к возмущениям», становится неустойчи­вой, и если эти возмущения (например, химические реакции с нели­нейными стадиями, в частности автокатализ) оказываются доста­точно сильными, то система достигает точки бифуркации (раз­ветвления), в которой отклик системы на возмущение становится неоднозначным, возврат к начальным условиям не обязательным. В таком случае происходит необратимый переход системы в новое, когерентное, состояние: система приобретает устойчивую диссипа-тивную структуру (т. е. структуру, образованную за счет диссипа­ции, рассеяния энергии). Суть когерентности здесь выражается все в той же «коллективной стратегии поведения» субъединиц системы. Система может далее пройти вторую точку бифуркации, третью и т. д.

Посредством понятия бифуркации Пригожин, как он сам вы­ражается, ввел в физику и химию «в известном смысле историю».

Значение работ Пригожина трудно переоценить. По-видимому, не будет преувеличением квалифицировать их как начало нового уровня научного познания природы. Для химии они означают открытие путей в область самоорганизующихся систем, находя­щихся не только и даже не столько в условиях нормальных темпе­ратур и давлений, сколько в экстремальных условиях. И замеча­тельно то, что они начали появляться со второй половины 1950-х го­дов, т. е. еще до того, как получили широкое развитие экспери-|ментальные работы в области химии экстремальных состояний, |в частности плазмохимии.

Как можно было бы расценить эмпирически полученные выводы Л. С. Полака о самоорганизации физико-химических систем [10] в условиях так называемой низкотемпературной плазмы (~ до 4000К), если бы они появились не в 1980-х, а в 1960-х го­рах? Л. С. Полак шел в своих исследованиях в области плазмо-

215

химии по существу параллельно линии исследований Пригожина, зная и цитируя последние. В самом начале 1970-х годов Л. С. По-лак разработал основные положения обобщенной неравновесной химической кинетики как «части физического учения об эволюции неравновесных систем» [36, с. 2]. По отношению к ней аррениусов-ская кинетика предстает такой же частностью, как больцмановская термодинамика по отношению к обобщенной термодинамике При­гожина. Но тем не менее открытие Л. С. Ползком целого ряда явлений «самоорганизации физико-химических систем» [10], явле­ний, которые он сам уподобляет предбиологической эволюции, скорее следует отнести к эмпирической процедуре, чем к теорети­ческому предвидению. Хотя нельзя не отметить того факта, что еще в 1972 г., говоря о «необходимости построения обобщенной (неравновесной) химической кинетики, вытекающей из развития различных направлений химии высоких энергий», Л. С. Полак сде­лал предположение, что «неравновесные плазмохимические процес­сы сыграли существенную роль в образовании аминокислот на ста­дии предбиологической химии в газовых оболочках планет» [36, с. 13]. Несмотря на то, что это предположение не может иметь строгих доказательств, от него, вероятно, протягиваются нити свя­зей к той работе Л. С. Полака [10], в которой с очевидностью доказана возможность изучать стадию предбиологической химии в плазмохимической лаборатории.

В заключение важно отметить, что в подходах к проблеме химической .эволюции у И. Р. Пригожина и А. П. Руденко есть много общего. Общим является отрицание актуалистических теорий и противопоставление им эмпирически обоснованных теорий, ре­шающих вопрос о возникновении порядка из хаоса, о саморазвитии открытых химических систем. Общим является также привлечение в качестве отправного пункта неравновесной термодинамики, ста­тистических, кинетических и информационных принципов, или ме­тодов, исследования. Различие же состоит главным образом в разных самоорганизующихся объектах и разных целях исследо­вания. У Пригожина такими объектами являются макросистемы, а основная цель исследования — доказательство принципиальной возможности самоорганизации. Концепция Пригожина не описы­вает химическую эволюцию с естественным отбором. Руденко, напротив, исследует самоорганизацию микросистем, преследуя цель реконструкции всего хода химической эволюции через естественный отбор вплоть до выяснения механизма ее тупиковых форм и биоге­неза. В этом смысле можно сказать, что теория Руденко предмет­нее отражает проблемы эволюционной химии как самостоятельной концептуальной системы. Эта теория может уже сегодня решать практические задачи освоения каталитического опыта живой при­роды и управления химическими процессами, относящимися к нестационарной технологии. Перед учением Пригожина такого рода задач сегодня поставить нельзя. Однако если говорить

216

о наиболее вероятных практических перспективах учения Пригожи-на применительно к химии, то они находятся, по-видимому, на пути исследования систем, далеких от равновесного состояния, скорее всего, на пути развития химии высоких энергий, в частности плазмохимической технологии.

Подробнее о формировании новых высокоэффективных техно­логий и интенсификации развития химического производства на основе теорий эволюционной химии см. в работах [10, 30, 37, 38]„ а также в гл. VI.