Порядок и хаос в природе

Порядок и хаос в природе.

В природе не существует абсолютно точных однозначных связей, которые рассматриваются динамическими теориями (механика, термодинамика, теория относительности). В реальных процессах всегда происходят неизбежные отклонения от необходимых средних величин - случайные флуктуации, которые только при определенных условиях не играют существенной роли и могут не учитываться. Динамическое описание не пригодно, когда флуктуации значительны и невозможно рассматривать необходимое в отрыве от случайного, которое рассматривается статистическими теориями (классическая статистическая физика, квантовая механика,

 генетика. В динамических приближениях необходимость выступает в форме, огрубляющей ее связь со случайностью.

Применяя сверхчувствительный манометр, можно обнаружить непрерывные колебания

(флуктуации) давления около некоторого среднего значения.

При малом числе молекул N флуктуации давления

будут сравнимы с величиной самого давления p, и в предельном случае одной

молекулы теряет всякий смысл само понятие давления, также как и понятие

плотности газа r или среднего числа молекул в единице объема n. При большом же

числе молекул эти флуктуации будут относительно малы.

В таком случае отклонения мгновенных измеряемых значений давления р от p

будут ничтожно малы и можно считать, что давление газа практически постоянно и

Основное уравнение состояния идеального газа (динамический закон): р = nkT,

где k = 1,38 Ч 10-23 Дж/ К -  постоянная N=b2. Больцмана, Т - абсолютная температура (К).

Взаимосвязь между плавным эволюционным развитием, описываемым динамическими законами, и самоорганизацией в точках перехода, описываемой статистическими законами, отражает взаимосвязь порядка и хаоса. Соотношение между статистическими и динамическими закономерностями подчиняется принципу соответствия: более общие статистические законы переходят в динамические в предельном случае малых флуктуаций.

При возникновении высокоупорядоченной кристаллической структуры и при ее плавлении не требуется никаких дополнительных управляющих действий надсистемы. Атомы укладываются сами собой, причем из хаотической структуры жидкости самопроизвольно возникает в высшей степени упорядоченная структура.

Наряду с равновесными структурами, которые хорошо описываются в рамках равновесной термодинамики, широко распространенными являются такие упорядоченные структуры, как вихри в потоке воды, объекты живой природы, а также антропогенные объекты самого различного характера - от лазеров до поселков и городов.

Диссипативные структуры - открытые системы, взаимодействующие с внешней средой. Поток энергии через первоначально однородную среду выводит ее из состояния устойчивого равновесия, развитие неустойчивости может быть скомпенсировано последующей самоорганизацией и система перейдет в устойчивое неоднородное состояние. Система попадает в динамическое равновесие, в котором стохастические и неустойчивые движения всех подсистем согласованы между собой благодаря их коллективному взаимодействию.

Эффект Бенара как явление самоорганизации можно наблюдать с помощью следующего простого устройства: на сковородку диаметром около 20 см, подогреваемую снизу горячей водой, наливается слой минерального масла толщиной примерно 0,5 см. Чтобы увидеть потоки в жидкости, к маслу подмешиваются мелкие алюминиевые опилки.

Эффект Бенара

При достижении критического градиента в жидкости возникают потоки и образуются красивые шестиугольные ячейки. В центре ячейки конвекционный поток движения вверх, а по краям - вниз. Во всех ячейках процесс один и тот же. По сравнению со слабо неоднородным распределением параметров в покоящейся жидкости конвекционные ячейки являются более высокоорганизованной структурой, образовавшейся в результате коллективного движения молекул в жидкости.

Ячейки Бенара в миниатюре воспроизводят условия, необходимые для существования жизни на Земле. Жизнь на Земле стала возможна лишь благодаря  негэнтропии солнечного излучения. Внутренняя структура, или

самоорганизация, поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии. Отрицательная энтропия называется   негэнтропией. Сфера жизни на Земле - это упорядоченная структура, которая питается негэнтропией.

Растительный мир на Земле представляет собой диссипативную структуру, существующую благодаря негэнтропии солнечного излучения. Вследствие процесса фотосинтеза рассеиваемое растительным покровом солнечное излучение уходит с пониженной негэнтропией, имея более низкое качество, чем в случае рассеяния с поверхности "голого" земного шара.

Диссипация энергии в жидкости будет зависеть от отношения площади ячейки к ее объему. Чем меньше это отношение, тем меньше диссипация энергии. Нетрудно убедиться, что это отношение минимально именно для шестигранных ячеек. Ячейки Бенара похожи на пчелиные соты, форма которых обеспечивает наибольшую вместимость при наименьших затратах материала. Шестигранные ячейки, как видим, не случайность, а оптимальное решение, найденное природой.

Действительно, энергия солнечного излучения поступает на Землю из высокотемпературного источника (температура поверхности солнца Т1 = 6000 К), а уходит в космическое пространство при низкой температуре (температура Земли Т2 = 300 К). Если предположить, что в среднем энергия на Земле не накапливается, то поток энтропии от Солнца на Землю будет меньше потока энтропии от Земли в космическое пространство.

Совместимость второго начала термодинамики со способностью к самоорганизации - одно из крупнейших достижений современной термодинамики. Стационарная  неравновесная система, имеющая диссипативную структуру, должна потреблять отрицательную  энтропию.

 Жизнь более не выглядит как островок сопротивления второму началу термодинамики или как деятельность каких-то демонов Максвелла. Она возникает теперь как следствие общих законов физики с присущей ей специфической кинетикой химических реакций, протекающих в далеких от равновесия условиях. Благодаря этим специальным кинетическим законам потоки энергии и вещества создают флуктуационный и структурный порядок в открытых системах"  И.Пригожин

Э. Шредингер красочно охарактеризовал эту ситуацию как "добывание упорядоченности из окружающей среды". С законом возрастания энтропии здесь, естественно, все в порядке.

Солитоном называют группу волн разной длины (волновой пакет), дисперсионное расплывание которых скомпенсировано их взаимным притяжением. Это некий пространственный винт, примером которого является смерч или торнадо. Солитоноподобными оказались многие природные явления - еловые шишки, подсолнечник, листья растений и т. д. Если проследить перемещение рыбы, птицы или змеи, то можно увидеть, что движение плавника, крыла и хвоста тоже солитоноподобно. Выяснилось, что все созданные человеком типы энергетических машин (поршневых, центробежных, осевых) устроены по принципу солитона.

Если корабль, плывущий по спокойной водной поверхности, резко затормозит, то по воде может побежать уединенная волна (солитон), которая вследствие взаимодействия с водной поверхностью рано или поздно исчезнет. Однако если бы водная поверхность была ограждена движущимися отражающими стенками, то в принципе могла бы возникнуть ситуация, когда кинетическая энергия стенок скомпенсировала бы энергетические потери волны на трение.

Выводы

В природе не существует абсолютно точных однозначных связей, которые рассматриваются динамическими теориями. В реальных процессах всегда происходят неизбежные отклонения от необходимых средних величин - случайные флуктуации, которые только при определенных условиях не играют существенной роли и могут не учитываться. Динамическое описание не пригодно, когда флуктуации значительны и невозможно рассматривать необходимое в отрыве от случайного. Самоорганизация и хаос, или в более общем смысле - порядок и беспорядок - это основные структурные характеристики материи. Открытая (диссипативная) система самоорганизуется, если стохастические и коллективные эффекты уравновешиваются.

 Динамический хаос содержит гармонию. Самоорганизация рождает структуру из хаоса. Мир в целом, от момента его рождения  и до наших дней, представляет гигантский пространственно-временной фрактал, возникший в точке Большого взрыва.