- •Ilya Prigogine, Isabelle Stengers
- •От издательства
- •К советскому читателю
- •Наука и изменение (предисловие)
- •Предисловие к английскому изданию новый диалог человека с природой
- •Введение вызов науке
- •Часть первая. Иллюзия универсального Глава 1. Триумф разума
- •1. Новый Моисей
- •2. Дегуманизованный мир
- •3. Ньютоновский синтез
- •4. Экспериментальный диалог
- •5. Миф у истоков науки
- •6. Пределы классической науки
- •Глава 2. Установление реального
- •1. Законы Ньютона
- •2. Движение и изменение
- •3. Язык динамики
- •4. Демон Лапласа
- •Глава 3. Две культуры
- •1. Дидро и дискуссия о живом
- •2. Критическая ратификация научного знания Кантом
- •3. Натурфилософия. Гегель и Бергсон
- •4. Процесс и реальность: Уайтхед
- •5. Ignoramus et Ignorabimus — лейтмотив позитивистов
- •6. Новое начало
- •Часть вторая. Наука о сложности Глава 4. Энергия и индустриальный век
- •1. Тепло — соперник гравитации
- •2. Принцип сохранения энергии
- •3. Тепловые машины и стрела времени
- •4. От технологии к космологии
- •5. Рождение энтропии
- •6. Принцип порядка Больцмана
- •7. Карно и Дарвин
- •Глава 5. Три этапа в развитии термодинамики
- •1. Поток и сила
- •2. Линейная термодинамика
- •3. Вдали от равновесия
- •4. За порогом химической неустойчивости
- •5. Первое знакомство с молекулярной биологией
- •6. Бифуркации и нарушение симметрии
- •7. Каскады бифуркаций и переходы к хаосу
- •8. От Евклида к Аристотелю
- •Глава 6. Порядок через флуктуации
- •1. Флуктуации и химия
- •2. Флуктуации и корреляции
- •3. Усиление флуктуаций
- •4. Структурная устойчивость
- •5. Логистическая эволюция
- •6. Эволюционная обратная связь
- •7. Моделирование сложности
- •8. Открытый мир
- •Часть третья. От бытия к становлению
- •Часть третья. От бытия к становлению Глава 7. Переоткрытие времени
- •1. Смещение акцента
- •2. Конец универсальности
- •3. Возникновение квантовой механики
- •4. Соотношения неопределенности Гейзенберга
- •5. Временная эволюция квантовых систем
- •6. Неравновесная Вселенная
- •Глава 8. Столкновение теорий
- •1. Вероятность и необратимость
- •2. Больцмановский прорыв
- •3. Критика больцмановской интерпретации
- •4. Динамика и термодинамика — два различных мира
- •5. Больцман и стрела времени
- •Глава 9. Необратимость — энтропийный барьер
- •1. Энтропия и стрела времени
- •2. Необратимость как процесс нарушения симметрии
- •3. Пределы классических понятий
- •4. Возрождение динамики
- •5. От случайности к необратимости
- •6. Энтропийный барьер
- •7. Динамика корреляций
- •8. Энтропия как принцип отбора
- •9. Активная материя
- •Заключение. С земли на небо: новые чары природы
- •1. Открытая наука
- •2. Время и времена
- •3. Энтропийный барьер
- •4. Эволюционная парадигма
- •5. Актеры и зрители
- •7. За пределами тавтологии
- •8. Созидающий ход времени
- •9. Состояние внутреннего мира
- •10. Обновление природы
- •Примечания Введение
- •Глава 1
- •Глава 2
- •Глава з
- •Глава 4
- •Глава 5
- •Глава 6
- •Глава 7
- •Глава 8
- •Глава 9
- •Заключение
- •Естествознание и развитие: диалог с прошлым, настоящим и будущим (послесловие)
- •Именной указатель
- •Предметный указатель
- •Оглавление
6. Бифуркации и нарушение симметрии
Рассмотрим теперь более подробно, как возникает самоорганизация и какие процессы начинают происходить, когда ее порог оказывается превзойденным. В равновесном или слабо неравновесном состоянии существует только одно стационарное состояние, зависящее от значений управляющих параметров. Обозначим управляющий параметр через ППП (им может быть, например, концентрация вещества В в «брюсселяторе», описание которого приведено в разд. «За порогом химической неустойчивости»). Проследим за тем, как изменяется состояние системы с возрастанием значения В. Увеличивая концентрацию В, мы как бы уводим систему все дальше и дальше от равновесия. При некотором значении В мы достигаем порога устойчивости термодинами-
216
ческой ветви. Обычно это критическое значение называется точкой бифуркации. [На особую роль этих точек обратил внимание Максвелл, размышляя над отношением между детерминизмом и свободой выбора (см. гл. 2 разд. «Язык динамики»).]
Рис. 10. Бифуркационная диаграмма. Стационарные значения переменной Хпредставлены на диаграмме как функции параметра бифуркации.. Сплошные линии соответствуют устойчивым, штриховые — неустойчивым стационарным состояниям. Чтобы достичь ветвиD,необходимо выбрать начальную концентрациюХ0выше значенийX,соответствующую ветвиЕ.
Рассмотрим некоторые типичные бифуркационные диаграммы. В точке бифуркации В термодинамическая ветвь становится неустойчивой относительно флуктуации (см. рис. 10). При критическом значении с управляющего параметра система может находиться в трех различных стационарных состояниях: С, Е и D. Два из них устойчивы, третье неустойчиво. Очень важно подчеркнуть, что поведение таких систем зависит от их предыстории. Начав с малых значений управляющего параметра и медленно увеличивая их, мы с большой вероятностью опишем траекторию АВС. Наоборот, начав с больших значений концентрации Х и поддерживая постоянным значение управляющего параметра , мы с высокой вероятностью придем в точку D. Таким обра-
217
зом, конечное состояние зависит от предыстории системы. До сих пор история использовалась при интерпретации биологических и социальных явлений. Совершенно неожиданно выяснилось, что предыстория может играть роль и в простых химических процессах.
Рис. 11. Симметричная бифуркационная диаграмма. Х как функция параметра бифуркации.При<ссуществует только одно стационарное состояние, которое устойчиво. При>ссуществуют два стационарных состояния при любом значении(прежнее устойчивое стационарное состояние теряет устойчивость).
Рассмотрим бифуркационную диаграмму, изображенную на рис. 11. От предыдущей диаграммы она отличается тем, что в точке бифуркации появляются два устойчивых решения. В связи с этим, естественно, возникает вопрос: по какому пути пойдет дальнейшее развитие системы после того, как мы достигнем точки бифуркации? У системы имеется «выбор»: она может отдать предпочтение одной из двух возможностей, соответствующих двум неравномерным распределениям концентрации Х в пространстве (рис. 12, 13).
Каждое из этих распределений зеркально симметрично другому: на рис. 12 концентрация Х больше справа, на рис. 13 — слева. Каким образом система выбирает между правым и левым? В этом выборе неизбежно присутствует элемент случайности: макроскопическое уравнение не в состоянии предсказать, по какой траектории
218
Рис. 12, 13. Два возможных пространственных распределения концентрации компоненты X,соответствующие двум ветвям на бифуркационной диаграмме (рис. 11). Рис. 12 отвечает «правой» структуре: концентрацияХв правой части выше, чем в левой. Рис. 13 отвечает «левой» структуре.
пойдет эволюция системы. Не помогает и обращение к микроскопическому описанию. Не существует также различия между правым и левым. Перед нами — случайные явления, аналогичные исходу бросания игральной кости.
Можно было бы ожидать, что при многократном повторении эксперимента при переходе через точку бифуркации система в среднем и половине случаев окажется в состоянии с максимумом концентрации справа, а в половине случаев — в состоянии с максимумом концентрации слева. Возникает другой интересный вопрос. В окружающем нас мире некоторые простые фундамен-
219
тальные симметрии нарушены10. Кто не замечал, например, что большинство раковин закручено преимущественно в одну сторону? Пастер пошел дальше и усмотрел в дисимметрии, т. е. в нарушении симметрии, характерную особенность жизни. Как теперь известно, молекула самой важной нуклеиновой кислоты ДНК имеет форму винтовой линии, закрученной влево. Как возникает такая дисимметрия? Один из распространенных ответов на этот вопрос гласит: дисимметрия обусловлена единичным событием, случайным образом отдавшим предпочтение одному из двух возможных исходов. После того как выбор произведен, в дело вступает автокаталитический процесс и левосторонняя структура порождает новые левосторонние структуры. Другой ответ предполагает «войну» между лево- и правосторонними структурами, в результате которой одни структуры уничтожают другие. Удовлетворительным ответом на этот вопрос мы пока не располагаем. Говорить о единичных событиях вряд ли уместно. Необходимо более «систематическое» объяснение.
Недавно был открыт еще один пример принципиально новых свойств, приобретаемых системами в сильно неравновесных условиях: системы начинают «воспринимать» внешние поля, например гравитационное поле, в результате чего появляется возможность отбора конфигураций.
Каким образом внешнее (например, гравитационное) поле сказалось бы на равновесной ситуации? Ответ на этот вопрос дает принцип порядка Больцмана: все зависит от величины отношения — потенциальная энергия/тепловая энергия. Для гравитационного поля Земли эта величина мала. Чтобы достичь сколько-нибудь заметного изменения давления или химического состава атмосферы, нам понадобилось бы взобраться на достаточно высокую гору. Но вспомним ячейку Бенара. С точки зрения механики ее неустойчивость обусловлена повышением центра тяжести вследствие теплового расширения. Иначе говоря, в эффекте Бенара гравитация играет существенную роль и приводит к новой структуре, несмотря на то что толщина самой ячейки Бенара может достигать лишь нескольких миллиметров. Действие гравитации на столь тонкий слой жидкости было бы пренебрежимо малым в равновесной ситуации, но в неравновесной ситуации, вызванной градиентом темпера-
220
тур, приводит даже в таком тонком слое к наблюдаемым макроскопическим эффектам. Неравновесность усиливает действие гравитации11.
В уравнении реакции с диффузией включение гравитации скажется на диффузионном потоке. Как показы
Рис. 14. «Вынужденная» бифуркация, индуцированная внешним полем. На диаграмме концентрация Хпредставлена как функция параметра. В отсутствие внешнего поля произошла бы симметричная бифуркации, показанная пунктирной линией. Критическое значение параметра бифуркации обозначено с.Устойчивая ветвьb)находится на конечном расстоянии от ветви a).
вают подробные вычисления, влияние гравитации становится особенно ощутимым вблизи точки бифуркации невозмущенной системы. Это позволяет нам, в частности, утверждать, что очень слабые гравитационные поля могут приводить к отбору структур.
221
Рассмотрим снова систему с бифуркационной диаграммой, изображенной на рис. 11. Предположим, что в отсутствие гравитации, т. е. при g=0, мы имеем, как на рис. 12 и 13, асимметричную конфигурацию «снизу вверх» и ее зеркальное отражение — конфигурацию «сверху вниз». Оба распределения равновероятны, но если включить g, то бифуркационные уравнения изменятся, так как поток диффузии будет содержать член, пропорциональный g. В результате мы получим диаграмму, изображенную на рис. 14. Исходная бифуркационная диаграмма исчезнет, сколь бы малым ни было включенное гравитационное поле. Одна структура а) на новой диаграмме возникает при увеличении параметра бифуркации непрерывно, другая b) достижима лишь при конечном возмущении. Следуя по ветви а), мы ожидаем, что и система будет изменяться непрерывно. Наши ожидания оправдаются при условии, если расстояние S между двумя ветвями велико по сравнению с амплитудой тепловых флуктуации концентрации X. Происходит то, что мы называем «вынужденной» бифуркацией. Как и прежде, вблизи критического значения с управляющего параметра может произойти самоорганизация. Но теперь одна из двух возможных структур предпочтительнее другой и подлежит отбору.
Важно отметить, что в зависимости от химического процесса, ответственного за бифуркацию, описанный выше механизм может обладать необычайной чувствительностью. Как уже упоминалось, вещество обретает способность воспринимать» различия, неощутимые в равновесных условиях. Столь высокая чувствительность наводит на мысль о простейших организмах, например о бактериях, способных, как известно, реагировать на электрические или магнитные поля. В более общем плане это означает, что в сильно неравновесной химии возможна «адаптация» химических процессов к внешним условиям. Этим сильно неравновесная область разительно отличается от равновесной, где для перехода от одной структуры к другой требуются сильные возмущения или изменения граничных условий.
Еще одним примером спонтанной «адаптивной организации» системы, ее «подстройки» к окружающей среде может служить чувствительность сильно неравновесных состояний к внешним флуктуациям. Приведем один пример12 самоорганизации как функции флуктуирую-
222
щих внешних условий. Простейшей из всех мыслимых химических реакций является реакция изомеризации АВ. В нашей модели вещество А может участвовать и в другой реакции: А+светA*A+тепло (молекула А, поглощая свет, переходит в возбужденное состояние A*, из которого возвращается в основное состояние, испуская при этом тепло). Мы предполагаем, что обе реакции происходят в замкнутой системе, способной обмениваться с внешним миром только светом и теплом. В системе имеется нелинейность, так как превращение молекулы В в молекулу А сопровождается поглощением тепла: чем выше температура, тем быстрее образуется А. Кроме того, чем выше концентрация А, чем сильнее А поглощает свет и преобразует его в тепло, тем выше температура вещества А. Таким образом, А катализирует образование самого себя.
Можно ожидать, что концентрация А, соответствующая стационарному состоянию, возрастет с увеличением интенсивности света, и действительно так и происходит. Но, начиная с некоторой критической точки, мы сталкиваемся с одним из типичных сильно неравновесных явлений: сосуществованием множественных стационарных состояний. При одних и тех же условиях (например, интенсивности света и температуре) система может находиться в двух различных устойчивых стационарных состояниях, отвечающих двум различным концентрациям А. Третье (неустойчивое) стационарное состояние соответствует порогу между двумя устойчивыми стационарными состояниями. Сосуществование стационарных состояний порождает такое хорошо известное явление, как гистерезис. Но это еще не все. Если интенсивность света вместо того, чтобы быть постоянной, начнет случайным образом флуктуировать, то наблюдаемая нами картина резко изменится. Зона сосуществования двух стационарных состояний расширится, и при некоторых значениях параметров станет возможным сосуществование трех стационарных устойчивых состояний.
В таких положениях случайная флуктуация во внешнем потоке, часто называемая шумом, — отнюдь не досадная помеха: она порождает качественно новые типы режимов, для осуществления которых при детерминистических потоках потребовались бы несравненно более сложные схемы реакций. Важно помнить и о том, что случайный шум неизбежно присутствует в потоках в
223
любой «естественной системе». Например, в биологических или экологических системах параметры, определяющие взаимодействие с окружающей средой, как правило, недопустимо считать постоянными. И клетка, и экологическая ниша черпают все необходимое для себя из окружающей их среды; влага, рН, концентрация со
Рис. 15. Явление «гистерезиса», возникающее, если значение параметра бифуркации bсначала возрастает, а затем убывает. Если система первоначально находится в стационарном состоянии, принадлежащем нижней ветви, то при возрастанииbона продолжает оставаться на нижней ветви. Приb=b2происходит перескок: система скачком переходит из состоянияQв состояниеQ',принадлежащее верхней ветви. И наоборот, если система первоначально находится в состоянии, принадлежащем верхней ветви, то при уменьшении bона продолжает оставаться на верхней ветви доb=b1,после чего скачком переходит из состоянияРв состояниеР'.Бистабильные режимы такого типа встречаются во многих областях науки и техники, например в лазерах, химических реакциях и биологических мембранах.
лей, свет и концентрация питательных веществ образуют непрестанно флуктуирующую среду. Чувствительность неравновесных состояний не только к флуктуациям, обусловленным их внутренней активностью, но и к флуктуациям, поступающим из окружающей среды, открывает перед биологическими исследованиями новые перспективы.