Динамика возникновения диссипативных структур

Как уже отмечалось в п. 3.4, 3.5, главах 4-7, для возникновения структур, составленных из тех или иных элементов, необходимо существование достаточно прочных связей между этими элементами. Для образования таких связей необходима возможность диссипации, рассеяния, передачи в окружающую среду энергии связи. Необходима внешняя «окружающая среда» и в ней должна быть какая-то исходная неоднородность, к которой переходит часть энергии извне. Для примера рассмотрим явления во Вселенной.

Первопричина структурирования нашей Вселенной -в ее исходной неоднородности во времени, проявленной в пространственных масштабах. Вселенная расширяется и остывает, энергия рассеивается, энтропия растет, но это расширение ведет к появления потока рассеяния, непрерывного движения и направленного изменения состояния вещества. Этот поток и привел к образованию макроскопических неоднородностей — структур всех масштабов.

Астрономы наблюдают крупномасштабные пространственные неоднородности во Вселенной, точнее, в Метагалактике: материя сконцентрирована в звездах, звезды — в галактиках, галактики в скоплениях и сверхскоплениях, и только в масштабах, значительно больших, чем размеры сверхскопления (это сотни мегапарсек или сотни миллионов световых лет), Метагалактика пространственно однородна.

Неоднородность, структурированность отдельных частей Метагалактики связана с их конечностью и открытостью: для каждой такой части можно говорить о внешней среде, с которой происходит обмен энергией и энтропией. Микронеоднородности, флуктуации возникают и исчезают непрерывно, случайным образом, из-за принципиально вероятностной природы микропроцессов и процессов в больших стохастических системах. Для превращения же флуктуаций в макронеоднородности и в сложные, развитые структуры необходим направленный поток энергии и вещества, который изначально и задается рассеянием при расширении.

При возникновении и усложнении структуры происходит локальное (местное) возрастание порядка и, соответственно, уменьшение энтропии данной структуры, тогда как в большем масштабе в системе, включающей также и часть внешней среды, энтропия возрастает. Из того, что нам известно к настоящему времени, следует, что все структуры во Вселенной возникли в результате протекания процессов диссипации первоначально концентрированной тепловой энергии. При этом энтропия Вселенной в целом непрерывно возрастала, каждое местное уменьшение энтропии при возникновении упорядоченных структур с избытком компенсировалось ее увеличением за счет рассеяния энергии (следует отметить, что не существует закона сохранения энтропии, а отмечается всего лишь ее непрерывное возрастание).

Практически все наиболее сложные структуры вокруг нас - это структуры диссипативные, они могут существовать только при наличии непрерывного «сквозного» потока энергии или вещества. Простейший, классический пример диссипативной структуры — это уже обсуждавшиеся ячейки Бенара — правильные шестигранные конвективные ячейки, возникающие в плоском слое жидкости, подогреваемой снизу. Внутренняя структура Земли — также диссипативная структура, порожденная конвективным переносом тепла и подвижных легких компонентов вещества из глубины к поверхности (обсуждалось ранее в связи с проблемой начала жизни и возникновения кислорода в атмосфере Земли). Структура земной поверхности — результат как внутриземных диссипативных процессов, так и потока солнечной энергии.

Как же возникают структуры на фоне диссипации? Ведь естественные процессы — это самопроизвольно протекающие процессы, связанные с возрастанием энтропии, а производство энтропии эквивалентно производству беспорядка и связано с разрушением структур?

Противоречия здесь нет. Возникновение диссипатив-ных структур связано с производством избыточной энтропии. При определенных условиях, вдали от равновесия, неравновесная стационарная система становится неустойчивой и естественным образом переходит в новое, более организованное состояние (с меньшей энтропией). Оно обеспечивает, в целом, более эффективное, «избыточное», производство энтропии в претерпевшей изменения системе. Так, например, бенаровская конвекция на несколько порядков более эффективный способ переноса и рассеяния тепла, чем теплопроводность. Такие перестройки происходят на макроскопическом уровне, и механизм их заключается в разрастании некоторых определенных случайно возникающих флуктуаций. Задача описания и объяснения возникновения наблюдаемых структур распадается на две: описание природы и механизма возникновения первичных флуктуаций и описание механизма превращения их в макроскопические структуры.

Наглядными примерами диссипативных структур, кроме ячеек Бенара, вихрей Тейлора в течении Куэйта, являются, например, еще такие природные явления, как циклоны, торнадо (смерчи) в атмосфере, а также некоторые облачные структуры. Все это конвективные структуры, резко увеличивают эффективность диссипации тепловой энергии и, значит, эффективность производства энтропии. Диссипативными структурами в принципе той же природы, хотя и неизмеримо более сложными, являются все живые существа и экологические системы, поддерживающие свое существование путем непрерывного обмена веществом и энергией с внешней средой — выбросом из себя энтропии, поглощением негэнтропии.

Но не только мир полон диссипативных структур, вокруг нас в изобилии находятся и равновесные структуры, существующие вне потока энтропии, например, кристаллы. Для их существования в настоящий момент не нужно поступления и рассеяния энергии и увеличения энтропии, однако для возникновения таких структур все это было необходимо и все это они прошли в прошлом. Кристаллы растут как динамические структуры в условиях диссипации и за их совершенную организацию заплачено увеличением энтропии в окружающей среде.

Вспомним то, что ранее (в главе 3 и в п. 9.7) было написано о роли второго начала термодинамики в эволюции мира. Второе начало утверждает, что в любой изолированной системе самопроизвольно протекают только процессы, ведущие к выравниванию температур и концентраций, рассеиванию и понижению качества энергии. Такие процессы необратимы. В результате должны затухать все процессы и разрушаться все структуры. То, что наш мир структурирован и в нем протекают активные процессы, вступило в противоречие с существовавшей концепцией стационарной Вселенной: существующая вечно Вселенная должна быть «мертвой».

До середины XX века этот парадокс разрешался допущением, что второй закон термодинамики не имеет силы в масштабах всей Вселенной, что существуют не известные нам процессы, не подчиняющиеся этому закону, которые поддерживают стационарность наблюдаемой Вселенной. Сейчас стало ясно, что Вселенная нестационарна, что наша Вселенная имеет начало и конец и противоречия со вторым законом термодинамики нет. Все существующие во Вселенной неоднородности, мезо- и крупномасштабные структуры — результат ее нестационарности, расширения, и связанное с ними локальное понижение энтропии в отдельных частях мира не вступает в противоречие с общим ее возрастанием. Микронеоднородности постоянно возникают случайным образом, превратиться же в сложные макроструктуры они могут лишь при наличии сквозного потока вещества и энергии, обусловленного диссипацией.

Итак, мир живет в условиях диссипации, за все высокоорганизованные структуры он платит увеличением хаоса и снижением качества энергии и когда-то все это, возможно, закончится. Встает вопрос: а как же все это началось? Как сконцентрировался тот огромный запас энергии высокого качества, который сейчас расходуется?

Сейчас наша Вселенная разрастается, тогда как 13-17 млрд лет назад вся она была сосредоточена в ничтожно малом объеме (в сингулярности) и находилась в таком состоянии, которое современная наука описывать не умеет. Вселенную, точнее Метагалактику в целом, мы можем рассматривать только как изолированную систему, которая расходует запас энергии «высокого качества» (эта энергия теряет качество, диссипирует), обеспечивая «жизнь» Вселенной. Если взять любой ограниченный объем во Вселенной, он будет представлять собой неизолированную, открытую, систему, которая взаимодействует с окружающей средой. В открытой системе, которая непрерывно обменивается веществом и энергией с окружающей средой, этот обмен может обеспечить локальное (местное) увеличение порядка и усложнение структур, включающих, в частности, области временной концентрации энергии, диссипация которой создает условия для возникновения структур следующего, более высокого порядка. Такие области часто в первом приближении могут рассматриваться как изолированные.

Пример такой ограниченной в пространстве области, которую можно считать изолированной, пренебрегая в первом приближении любыми взаимодействиями с окружающей средой, являет собой наша Солнечная система. В таком приближении эта система является чисто диссипативной, и только диссипация определяет ее эволюцию, которая поэтому достаточно детально проанализирована астрофизиками.