Самоорганизация в неравновесных системах - Николис Г.
Скачать (прямая ссылка):
ной) и, следовательно, с расстояниями иорялка Ю2* см (расстояние до горизонта событий, т. е. самое дальнее расстояние, с которого может бытн воспринят какой-либо физический сигнал). Наконец, в последнее время был открыт ряд новых свойств, относящихся к самому характеру физического мира.
Классическая физика подчеркнилот устойчивость, постоянство окружающего нас мира. Сегодня очевидно, что это справедливо лишь в некоторых довольно редких случаях. В самом деле, мы повсюду сталкиваемся с эволюционными процессами, приводящими к возрастанию разнообразия и сложности. Этот сдвиг в нашем видении, физического мира приводит к необходимости развития таких областей физики и математики, которые могли бы представлять интерес в связи с изучением эволюционных процессов. Основная цель данной монографии—познакомить читателя с такими научными направлениями, связанными с проблемой самоорганизации в физических или биологических системах.
Классическая механика достигла огромных успехов п решении задач, касающихся вычисления траекторий, Сфера приложений механики значительно расширилась после тот, как были сформулированы квантовая механика н теория относительности. Однако стандартная формулировка динамики, л алее обобщенная должным образом, не делает различия между прошлым и будущим. Иными словами, механика допускает движение во Времени как «вцеред», так н «назад». Что же касается эволюционных процессов, то оказывается, что их невозможно описать каким-либо нетривиальным способом без непосредственного введения направления времени. Отсюда ясна необходимость нового теоретического аппарата.
10
Общее «ведение
В этой книге ми не будем обсуждать связь между направлением времени и динамикой, так как Это потребовало Сен привлечения сложного матемзтнческого аппарата. Мы ограничимся лишь упоминанием того факта, что необрзтимость, в той мере, в какой она связана с направлением времени, ни в коем случае не противоречит законам динамики — напротив, она следует из этих ззконоз, если только достигнута достаточная степень «сложности» *).
Независимо от динамики, идея эволюции была введена в фнзлку а XIX в. в виде так называемого второго закона термодинамики. На янсто феноменологическом уровне «обратимые» а «необратимые» процессы различаются фундаментальным образом. В качестве примера необратимого процесса можно привести теплопроводность, приводящую к однородному распределению температуры, если только это совместимо с граничными условиями. Примером обратимого процесса может служить распространение волны, рассматриваемое при пренебрежении трением и энергетическими потерями. Второй чакон термодинамики устанавливает критерий, позволяющий различать обратимые и необратимые процессы, а именно при его формулировке вводится новая функция, энтропия, которая возрастает п случае необратимых процессов.
Драматическая формулировка этого закона принадлежит Клау.знусу, согласно которому «энтропия Вселенной возрастает». Из этого утнержденпя следует, что Вселенная движется к «тепловой смерти». Это, однако, не согласуется с наблюдениями над Вселенной в ее современном состоянии, а также с ныводамн, которые можно сделать из известного нам прошлого Вселенной. Как уже упоминалось, наблюдается непрерывное развитие разнообразия, эволюция в направлении возникновения более сложных форм. Примечательно, что идея эволюции, вошедшая в физику посредством второго закона термодинамики, почти одновременно (в XIX в.) была сформули-ронана **) в биологии н социологии***). Однако, как мы увидим ниже, интерпретация этой концепции в разных науках была совершенно разлнчной-
Обрисусм вкратце основные стадии развития термодинамики. Согласно второму закону, изолированная система со временем достигает состояния термодинамического равновесия, которое
") Prigogine /., Grecos Л. P.. George С. ['roe. Nat. Acad. Sci. (USA), 7,1, 1802 (19761; Celesli.il Mech., в печати.
**) Darwin С, The Origin of Species. John Murray. London. 1859.
Spencer H.. Study of Sociology, Paul Kvgaii, London. 1004. ***) Следует отметить, ino в социологию эволюционные iin,e|i еще ранее SiJ.iii введены К, л1арксом. См, по этчму поводу Ленин В. И. Поли. собр. соч., над 5, т. I, с. 139. — Прим. рад.
Общге eeeawue
11
соответствует максимальному значению энтропии. Ii наиболее общей формулировке этот закон применим как к равновесным, так и к неравновесным ситуациям. Тем не менее большинство основных результатов классическом термодинамики, сформулированной н XIX н., относится к равновесным состояниям. Хороши известными примерами могут служите иракило фаз Гиббса или закон действующих масс, которые иходят в любой начальный курс физической химии.
Объясняется .чго, в частности, тем, что неравнопесность рассматривалась как некоторое возмущение, временно препятствующее возникновению структуры, отождествляемой с упорядоченностью в равновесном состоянии. Так, чтобы вырастить красивый кристалл, необходимы почти равновесные условия, а чтобы получить хороший к. п. д. тепловой машины, требуется минимизировать необратимые процессы, такие, как трепне H тепловые потери. Ситуация резко изменилась с момент;] 01крытня Опзагером соотношений взаимности *), которые подтвердили полезность термодинамических методов по крайней мере вблизи равновесия.
