Особенности эволюции неравновесных систем

Наука — самое важное, самое прекрасное и самое нужное в жизни человека.

А. П. Чехов

Законы термодинамики, являющиеся обобщением большого количества экспериментального материала, опыта, утверждают, что изолированная, замкнутая система со временем приходит в положение равновесия. С молекулярно-кинетической точки зрения положению равновесия отвечает состояние максимального хаоса. При удалении от равновесия состояние становится

все более неустойчивым, и даже малые изменения какого-либо параметра могут перевести систему в новое состояние. Поэтому при изучении образования новых структур от замкнутых систем следует перейти к рассмотрению систем открытых, которые могут обмениваться с окружающей средой веществом или энергией, т. е. неравновесным состояниям. Отличия неравновесной структуры от равновесной заключаются в следующем:

1. Система реагирует на внешние условия (гравитационное, электромагнитное поля и т. п.).

2. Поведение системы случайно и не зависит от начальных условий, т. е. не зависит от предыстории.

3. Приток энергии создает в системе порядок, и, стало быть, энтропия уменьшается.

4. Наличие в развитии системы бифуркации — переломной точки в развитии системы.

5. Когерентность — система ведет себя как единое целое, как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил.

Таким образом, различают области равновесности и неравновесности, в которых может пребывать система. Ее поведение при этом существенно меняется.

Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе, при которой происходит переход от хаоса к порядку. Эволюция неживой природы является сложным вероятностным процессом с весьма варьирующимся соотношением детерминированных и стохастических компонентов, и поэтому ее общий ход в чем-то непредсказуем. Непредсказуемость эволюции не абсолютная. Одни детали предвидеть невозможно, другие можно предвидеть с большей или меньшей достоверностью, где слишком многое зависит от обстоятельств, объективно случайных по отношению к ходу процесса.

Эволюция системы должна удовлетворять следующим трем требованиям:

1) в развитии системы наблюдается необратимость, выражающаяся в нарушении симметрии между прошлым и будущим;

2) возникает необходимость введения при рассмотрении развития понятия "событие";

3) некоторые события должны обладать способностью изменять ход эволюции.

При этом основными условиями формирования новых структур являются следующие: 1) открытость системы; 2) нахождение ее вдали от равновесия; 3) наличие флуктуации в системе.

Чем сложнее система, тем больше многочисленные типы флуктуации, угрожающих ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью, и неустойчивостью, возникающей из-за флуктуации, зависит порог устойчивости системы. Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В ней система становится неустойчивой относительно флуктуаций и может перейти к новой области устойчивости, т. е. к образованию новой более сложной системы. Система как бы колеблется перед выбором одного из нескольких путей ее эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке началом эволюции в совершенно новом направлении, которое резко изменит все ее поведение. Это и есть событие.

В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остается от системы, на новый путь развития, а после того как один из многих возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм — и так до следующей точки бифуркации. В судьбе системы случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга.

Главенствующую роль в эволюции окружающего мира играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность, т. е. все системы непрестанно флуктуируют. В особой точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который называют диссипативной структурой. Новые структуры

называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят. Диссипативные структуры существуют лишь постольку, поскольку система диссипирует (рассеивает) энергию и, следовательно, производит энтропию. Из энергии возникает порядок с увеличением общей энтропии. Таким образом, энтропия — не просто безостановочное соскальзывание системы к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации (как думали сторонники "тепловой смерти Вселенной"), а при определенных условиях становится прародительницей порядка. С одними и теми же граничными условиями оказываются совместимыми множество различных диссипатив-ных структур. Это — следствие нелинейного характера сильно неравновесных ситуаций. Малые различия могут привести к крупномасштабным последствиям. Следовательно, граничные условия необходимы, но недостаточны для объяснения причин возникновения структуры. Необходимо также учитывать реальные процессы, приводящие к "выбору" одной из возможных структур. Именно поэтому (а также в силу некоторых других причин) приписывают таким системам определенную автономию или самоорганизацию.