К содержанию
1.2. "ПОРЯДОК ИЗ ХАОСА"
Так называется известная книга нобелевского лауреата И.Р.Пригожина, написанная
им в соавторстве с историком науки И.Стенгерс. Это название буквально
в двух словах характеризует суть исследований, начатых этим замечательным
ученым в пятидесятые годы нашего столетия и завершившихся созданием особой,
неравновесной термодинамики.
Классическая термодинамика, которую Больцман пытался обосновать с помощью
классической же механики, описывает только поведение строго изолированных
систем, близких к состоянию термодинамического равновесия, отклоняющихся
от него лишь в пределах чисто статистических флуктуаций. В таких системах
могут происходить только процессы деструктивного характера, сопровождающиеся
неуклонным возрастанием энтропии. Однако повсеместно в природе наблюдаются
и процессы самоорганизации вещества, самопроизвольного возникновения из
хаоса неравновесных, так называемых диссипативных структур. Наиболее яркими
примерами подобных процессов могут служить явления самозарождения жизни
и биологической эволюции.
Означает ли это, что в некоторых случаях второе начало термодинамики может
нарушаться? Острая дискуссия на эту тему длилась многие годы и, в конце
концов, завершилась победой сторонников строгого соблюдения фундаментальных
законов природы. Но при этом был сделан ряд существенных уточнений, касающихся
не самих законов, а границ их применимости к реальным системам. Так сказать,
не самой структуры научного языка, а смысла используемых в нем слов. Например,
ревизии пришлось подвергнуть смысл понятия "хаос".
Хаос, царящий в равновесных системах, носит сугубо статистический характер,
и мы говорим лишь о вероятности отклонения системы от состояния равновесия.
Реакция такой системы на то или иное возмущающее воздействие линейна -
она прямо пропорциональна возмущающей силе и стремится вернуть систему
в прежнее состояние. Так, если по гладкой трубе с небольшой скоростью
течет жидкость, то в ней случайно возникают малые завихрения, но эти завихрения
сами собой гасятся, и в целом поток остается упорядоченным, ламинарным.
Но если система сильно неравновесна, то есть обладает значительным избытком
свободной энергии, то в ней может возникать хаос особого рода, называемый
динамическим; реакция такой системы на возмущающие воздействия нелинейна
и может быть сколь угодно большой при сколь угодно малом первичном возмущении.
Так, если скорость движения жидкости по трубе превышает некоторую критическую
величину, то малейшая неоднородность потока немедленно приведет к катастрофическому
превращению ламинарного потока в неупорядоченный, турбулентный.
Однако, динамический хаос замечателен тем, что за внешне совершенно непредсказуемым
поведением системы кроется строгий детерминизм - все происходящие в ней
процессы можно математически рассчитать с любой требуемой точностью. Еще
одна особенность такого хаоса заключается в том, что он может служить
источником самозарождения строго упорядоченных структур. Например, в турбулентном
потоке могут возникать устойчивые вихри - подобные вихри (так называемую
"дорожку Кармана") можно наблюдать за быстро плывущей лодкой.
|