Книга: Естествознание. Базовый уровень. 11 класс

§ 13 Самоорганизующиеся системы

§ 13 Самоорганизующиеся системы

Вернёмся к вопросам, связанным с термодинамикой и термодинамическими системами. Мы знаем, что в том случае, когда система изолирована от внешней среды, в ней либо не происходит никаких процессов, либо происходят процессы, сопровождающиеся ростом энтропии и увеличением хаоса. Именно такие системы изучает классическая термодинамика. Но в действительности нам почти никогда не приходится иметь дело с изолированными системами. Все живые организмы – это открытые системы, которые постоянно поглощают и выделяют вещество и энергию. Неживые системы тоже в большинстве своём являются открытыми – энергия, приходящая от Солнца, нагревает моря или скалы, что приводит к испарению воды и изменениям скорости некоторых химических реакций (рис. 22). Представим себе систему, которая поглощает из некоторой области окружающей среды вещество или энергию и одновременно отдаёт это вещество или энергию в другую область окружающей среды. Тогда мы говорим, что через систему проходит поток вещества или энергии. Например, если предмет подогревать с одной стороны и одновременно охлаждать с другой, то через него будет непрерывно проходить поток теплоты.

Рис. 22. Перистые облака являются примером самоорганизующейся системы в неживой природе

Река представляет собой поток воды, постоянно переносимый от высоко расположенного истока к находящемуся ниже устью. Открытые системы не находятся в равновесии с окружающей средой, потому что в случае равновесия не будет существовать входящих и выходящих потоков. Такие системы называют неравновесными, а науку, которая их изучает, называют термодинамикой неравновесных систем. Впервые разработкой теории таких систем занялся в начале 30-х гг. XX в. норвежско-американский физик Ларс Онзагер (1903–1976), а наибольший вклад в её развитие внёс бельгийский физик и химик российского происхождения Илья Романович Пригожин (1917–2003)(рис. 23).

Рис. 23. И. Р. Пригожин

Когда значения физических величин в системе не очень отличаются от тех, которые существуют в окружающей среде, говорят, что система находится близко к равновесию. В этом случае проходящие через неё потоки будут прямо пропорциональны вызывающей их причине. А причина, как вам уже известно, заключается в том, что между участками системы и окружающей её среды существуют определённые различия: электрические заряды движутся благодаря разности потенциалов источника тока, ветер дует из-за перепада давления в разных участках атмосферы и т. д. Если такие различия не слишком велики, то скорости потоков пропорциональны силе действующих факторов. Примерами могут служить закон Ома, где сила тока пропорциональна разности потенциалов, или закон, согласно которому скорость передачи теплоты от горячего тела к холодному пропорциональна разности их температур. Если все входящие в систему потоки равны всем выходящим потокам, то говорят, что система находится в стационарном состоянии. Наглядным примером стационарного состояния служит бассейн, в который за единицу времени поступает столько же воды, сколько из него вытекает. Уровень воды в этом бассейне всегда будет оставаться постоянным, хотя бассейн, несомненно, является открытой системой и постоянно обменивается веществом (водой) с окружающей средой. Очень важно, что потоки в таких системах обладают очень большой устойчивостью. Если их течение будет временно нарушено каким-либо случайным воздействием (например, в медленно текущую реку бросить камень), то через непродолжительное время порядок будет восстановлен (равномерное движение воды в реке будет продолжаться).

Однако в том случае, когда различия, вызывающие потоки, становятся слишком велики, т. е. когда системы становятся сильно неравновесными, такая пропорциональность исчезает, а вместе с ней исчезает и устойчивость равномерного движения потоков.

Рис. 24. Горный поток (А) и равнинная река (Б)

Сравним поверхность воды в медленно текущей равнинной реке и в мчащемся горном потоке (рис. 24). В первом случае скорость течения невелика, и все слои воды движутся почти параллельно друг другу. На поверхности воды не обнаруживается никаких выпуклостей и впадин. Такое течение называют ламинарным. Если же мы посмотрим на горный поток, то увидим на его поверхности сложный рисунок с поворотами, завихрениями и другими признаками неравномерности течения. Причём такой рисунок будет довольно устойчивым и будет сохранять свой вид в течение долгого времени, несмотря на то что через этот участок ежесекундно проносится огромное количество воды. Это значит, что траектории этих слоёв воды подчиняются не простому закону «двигайся сверху вниз», а каким-то более сложным правилам, которые организуют эти траектории. Это означает, что в потоке возникает самоорганизация.

В лабораторных условиях можно наблюдать поразительный пример движения масла, приводящего к спонтанной самоорганизации. Такой опыт можно провести даже на собственной кухне. Возьмите сковороду с плоским дном, налейте в неё немного масла, смешанного с каким-нибудь порошком для того, чтобы было заметно движение жидкости, и поставьте её на слабый огонь. Нижний слой масла будет разогреваться в первую очередь, возникнет разница температур между дном и поверхностью масла и движение масла от дна к поверхности. Охладившись на поверхности, остывшие участки масла будут опускаться вниз.

Рис. 25. Ячейки Бенара и схема их образования

Вначале это движение будет хаотичным. Но когда различие температур в глубоком и поверхностном слое достигнет определённого уровня, движение участков масла станет согласованным. Мы увидим, как на поверхности жидкости образуются правильные шестиугольные ячейки, в середине которых частицы порошка движутся вверх, а по краям, т. е. на местах соприкосновения этих ячеек, – вниз. Эти ячейки называются ячейками Бенара, по имени впервые описавшего их исследователя (рис. 25). С точки зрения термодинамики Больцмана вероятность такого упорядоченного состояния почти равна нулю. И всё же самоорганизация происходит!

В чём причина такого странного и даже невероятного явления? Проще ответить на этот вопрос, используя вместо традиционного для физики слова «причина» непринятое для этой науки понятие «цель». Тогда вопрос надо поставить так: зачем это происходит? Очевидно, что такое упорядоченное движение молекул обеспечивает более эффективную теплопередачу, так как молекулы не сталкиваются друг с другом, т. е. «не путаются друг у друга под ногами». Воспользуемся аналогией, предложенной Г. Хакеном, о котором мы ещё будем упоминать в дальнейшем (рис. 26). «Представим себе бассейн, в котором люди плавают из одного конца в другой. Если пловцов очень много, то они будут постоянно оказываться друг у друга на пути. Чтобы избежать подобной сутолоки в открытых бассейнах, переполненных желающими искупаться в жаркий день, некоторые смотрители запускают пловцов по кругу, так что они теперь мешают друг другу гораздо меньше. Коллективное движение по кругу «предписано» пловцам смотрителем бассейна, однако не исключено, что они и сами могли додуматься до чего-то подобного: сначала, возможно, в этом участвовали всего несколько человек, но со временем к ним присоединились бы и другие – те, кому эта идея понравилась бы и такой способ плавания оказался бы удобнее. Так, в конце концов, может возникнуть коллективное движение; поскольку это происходит при отсутствии внешнего организатора, можно говорить о самоорганизации. Пример с жидкостью показывает, что и Природа поступает точно так же».

Рис. 26. Бассейны с хаотично плавающими людьми (А) и людьми, плавающими по кругу (Б)

Каким же образом происходит самоорганизация движения молекул? Считается, что это происходит в результате того, что в хаотическом движении молекул могут случайно возникать «микроупорядоченности». Большая их часть оказывается бесполезной и быстро разрушается. Однако если движение случайно сложившейся группы молекул оказывается более выгодным, то к этой группе начинают присоединяться другие молекулы. Упорядоченный процесс разрастается и в конце концов захватывает всю систему.

Для того чтобы быть самоорганизующимися, физические структуры должны постоянно поглощать и выделять, т. е. пропускать через себя, большое количество энергии. Такие структуры называют диссипативными (от «диссипация» – рассеивание), потому что они поглощают и рассеивают энергию. В следующем параграфе мы рассмотрим устройство лазеров – одной из используемых в практике диссипативных систем.

1. Сравните изолированные и открытые системы. Какие из них более распространены в природе?

2. Приведите пример системы, через которую проходит поток вещества и энергии.

3. Дайте определение стационарного состояния открытой системы.

4. Чем отличается движение воды в горном потоке от её течения в равнинной реке?

5. Используя рисунок 25, объясните, как происходит образование ячеек Бенара.

6. Что такое диссипативные структуры?

Используя материал параграфа, организуйте и проведите работу по получению ячеек Бенара. Сфотографируйте или снимите на видео результат вашего эксперимента.