Физика процессов эволюции - Эбилинг В.
Скачать (прямая ссылка):
Все эти процессы, имевшие огромное значение в ходе эволюции Метагалактики, Земли и жизни, основаны на термодинамических неустойчивостях и могут быть интерпретированы как фазовые переходы первого рода. Термодинамическая первопричина этих процессов состоит в том, что неоднородные пространственно структурированные конфигурации при определенных условиях термодинамически выгоднее, чем однородные конфигурации. Рассмотрим прежде всего условия термодинамической стабильности, следующие из второго начала термодинамики.
естественно, всегда встречаются различные виды с Ni » 1, речь идет о сильно неравновесных условиях, которые могут поддерживаться лишь с помощью экспорта или импорта свободной энергии (энтальпии).
Мы ограничились изложением одной специальной модели и лишь в общих чертах коснулись той большой роли, которую термодинамика играет в современной экологии (Morowitz, 1978). Термодинамику часто рассматривают как своего рода логику экологических процессов, которая определяет не то, что происходит в действительности, а то, что может произойти (Conrad, 1977). Большой интерес представляют попытки придать с помощью термодинамики точный смысл различным довольно расплывчатым экологическим понятиям, например, понятию экологической эффективности (Слободкин, I960; Conrad, 1973, 1977).
Глава 4
Неустойчивости и пространственно-временные структуры
Природе заглянуть в нутро Лишь изредка счастливчику дано.
Вильгельм Буш
4.1. Термодинамические неустойчивости
Наличие запаса высокоценной энергии или постоянного экспорта энтропии являются термодинамическими условиями самоорганизации и эволюции. Но «пусковыми кнопками» процессов в каждом конкретном случае служат определенные неустойчивости системы. Новые макроскопические структуры образуются при усилении микроскопических флуктуаций в неустойчивых системах. Николис и Пригожин назвали этот механизм «порядком через флуктуации». Как правило, усиление флуктуаций связано с нарушением определенных симметрий системы. Во второй главе было рассказано о том, как ранние этапы эволюции Метагалактики развертывались как целая серия нарушающих симметрию неустойчивостей. К числу их относится и нарушение симметрии между материей и антиматерией. Симметрия ранней Метагалактики относительно пространственных трансляций была нарушена лишь на гораздо более поздней стадии эволюции. Первоначально фотоны и материя в виде вещества были распределены равномерно — плотность массы была постоянной. Но со времен Ньютона известно, что однородное распределение гравитирующих масс неустойчиво относительно флуктуаций плотности. Пока температура материи составляет несколько тысяч или даже миллионов Кельвин, эти неустойчивости не работают. Как показывает оценка (2.19), температура через 1017с от начала Вселенной (что соответствует примерно одному миллиарду лет после Большого Взрыва) падает ниже 100 К. В этом холодном газе, в котором кинетическая энергия частиц меньше 0,01 эВ, в игру вступают гравитационные силы притяжения и междуатомные взаимодействия. Материя в виде вещества собирается в «капли».
Процесс образования «капель» из гравитирующей материи напоминает кап-леобразование в переохлажденном паре. Как показано в разд. 2.4, конденсация капель и образование обширных водоемов играет большую роль в ранней истории Земли. С высокой вероятностью можно утверждать, что жизнь зародилась в водной фазе. При биогенезе также происходит образование коацерватов или микросфер, т. е. капель с повышенным содержанием неких химических соединений, возникающих в протосупе при разделении веществ, и этот процесс играет важную роль.
Все эти процессы, имевшие огромное значение в ходе эволюции Метагалактики, Земли и жизни, основаны на термодинамических неустойчивостях и могут быть интерпретированы как фазовые переходы первого рода. Термодинамическая первопричина этих процессов состоит в том, что неоднородные пространственно структурированные конфигурации при определенных условиях термодинамически выгоднее, чем однородные конфигурации. Рассмотрим прежде всего условия термодинамической стабильности, следующие из второго начала термодинамики.
1. Замкнутая система (Е = const, V = const). Из неравенства
dS = d,S ^ 0 (4.1)
следует, что энтропия возрастает или в предельном случае остается постоянной:
S —> max. (4.2)
Условие равновесия имеет вид
(6S)s,v = О, (4.3)
а условие устойчивости —
№)я,г<0- (4Л)
Замкнутая система устойчива, если каждое конечное изменение состояния приводит к уменьшению энтропии.
2. Изоэнтропийно-изохорическая система. Аналогичным образом получаем для энергии условия равновесия и устойчивости
Е —* min, (6E)s,v — 0, (S2E)sv> 0. (4.5)
