Глава 2 Потоки энергии и «самоорганизация» структур
Все обменивается на огонь и огонь на все, как на золото — товары, на товары — золото.
Гераклит
Несмотря на внешнее разнообразие, для большинство процессов переноса (тепла, вещества, электричества) имеются общие закономерности, которые связывают скорость того или иного процесса и силы, вызывающие этот процесс.
Например, перенос вещества (диффузионный поток вещества) в направлении Х по закону Фика имеет вид
где dC/dX — градиент концентрации диффундирующого вещества С. В уравнении слева — поток, или перенос;справа — движущая сила процесса переноса. Коэффициент пропорциональности — это коэффициент диффузии D, характеризующий природу явления переноса и определенные условия его протекания. Такие же уравнения описывают перенос тепла, электричества. механическое движение.
Знак «минус» означает, что данный перенос и все типы переносов происходят в направлении отрицательных градиентов, т. е. должны приводить к уменьшению всех потенциалов, всех сил в тех простых системах, о которых мы здесь упоминаем. Такова реакция любой простой системы на возмущение: она стремится его уменьшить. А внешние возмущения, подвод энергии вынуждают систему опять организовывать «нейтрализующие» потоки. Без подвода энергии не будет движения (широко известна «тепловая смерть» изолированных закрытых систем, которые приходят в равновесие). Таким образом, в открытой системе постоянному действию сил соответствуют (и противостоят) постоянно работающие потоки. В этом и заключается суть известного в термодинамике принципа Ле-Шателье. Одна из наиболее распространенных формулировок этого принципа такова: всякая замкнутая система, выведенная из равновесия каким-либо возмущающим воздействием, стремится ослабить результат этого воздействия. Это — типичная формулировка, в которой затушевывается роль внешнего воздействия как источника движущих сил, а все внимание переносится на воздействующую систему. Получается, что система сама организует потоки, создает структуры, совершенствуется и т. д. В наше время стало модным говорить о «самоорганизации» сложных структур. Об этом чуть позже, а пока подумаем о том, как должна реагировать ограниченная по объему система, к которой постоянно подводится возмущающая систему энергия. Как правило, подвод энергии не может осуществляться равномерно (потому-то и есть градиенты). Единственная возможность непрерывного ответа, бесконечного во времени реагирования на внешнее возмущение, на постоянную накачку — это организация циклов вещества в замкнутой системе. Еще в 1949 г. академик В. Р. Вильяме писал, что единственный способ придать ограниченному количеству свойства бесконечного — это заставить его вращаться по замкнутой кривой.
Самой простой иллюстрацией сказанного является колесо — колесо старинной ветряной мельницы, вертушка стиральной машины или турбина новейшей ГЭС. Постоянный подвод (и расход) энергии в виде ветра, электричества или падающей воды заставляет эти колеса вращаться несчетное количество раз. Менее очевидна, по имеет ту же природу конвекция (вращение) воздуха в комнате под действием тепла от горячий печки или от батареи центрального отопления. Да и сами циклические потоки горячей воды по отопительной системе — это тоже результат накачки тепла от энергии парового котла.
Но не будем увлекаться примерами вращений, изобретенных изощренным умом человека. О естественных движителях, главными из которых являются поток солнечной энергии и внутреннее тепло Земли, мы поговорим особо — они этого заслуживают. О вызываемых ими глобальных циклах вещества — тоже отдельный разговор. А теперь, чтобы завершить обсуждаемую здесь тему о вынуждающих потоках и вызываемых ими циклах, поговорим об одном удивительном явлении. Это — возникновение сложных структур под влиянием потоков энергии в разного рода открытых системах, где циклическое перемещение вещества вдруг обретает устойчивые формы, когда сложная структура возникает, казалось бы, на пустом месте. Это явление носит название «самоорганизация сложных систем».
Впервые организацию сложной структуры в простой системе наблюдал французский физик Бенар в 1900 г. Это были шестиугольные ячейки, названные теперь в его честь бенарами. Получить их несложно. Надо налить на сковороду немного вязкой жидкости (например, растительного или минерального масла) и нагревать ее на медленном огне. Пока тепловые потоки малы, т. е. нагрев слаб, жидкость неподвижна, поток тепла усиливает молекулярную диффузию. Внизу образуется более горячий слой с меньшей плотностью, который стремится вверх, а на его место опускаются более холодные слои. По мере роста потока тепла должна возникнуть та самая конвекция, благодаря которой осуществляется выравнивание температуры в комнате. Однако при медленном возрастании перепада температур между верхним и нижним слоем, как обнаружил Бенар, неожиданно вся поверхность масла преображается — она разбивается на отдельные ячейки, большинство из которых имеет форму шестигранников, т. е. призматических шестиугольных цилиндриков от поверхности до дна сосуда. Образуется цикл по веществу: жидкость поднимается вверх в центре ячейки и опускается вниз у граней. Такая структура характеризуется более эффективным теплопереносом или более интенсивной диссипацией энергии. При этом происходит конкуренция и «выживают» именно шестигранники — наиболее эффективные рассеиватели энергии, способные полностью заполнять пространство [Кадомцев, Рыдник, 1981].
При дальнейшем увеличении теплопотока ячейки мельчают, их становится больше, а затем они исчезают. жидкость переходит в стохастическое турбулентное движение, так как теперь уже турбулентность более эффективно обеспечивает перенос тепла.
Таким образом, имеет место но «самоорганизация» структуры, а вынужденная организация циклических потоков вещества под влиянием внешней возмущающей силы ( потока тепла в данном случае).
Аналогичную физическую природу имеют вихри, открытые Дж. Тейлором в 1923 г. Они возникают в жидкости, налитой между двумя концентрическими цилиндрами, при вращении внутреннего цилиндра с определенной частотой.
В крупных масштабах интересное явление «самоорганизации» сложных, симметричных структур можно наблюдать в морях и океанах. Оно связано с образованием так называемых вихрей Лангмюра. Суть этого процесса заключается и следующем. При слабом ветре образуются довольно устойчивые вихри, в которых вода циркулирует вверх и вниз, образуя ряд зон подъема и опускания, которые чередуются в пространстве (рис. 2). Это может приводить к пятнистости планктона, скапливающегося в зонах подъема или опускания в зависимости от его плавучести, отрицательной или положительной. Иногда, в ночное время, эта сложная картина хорошо прослеживается по чередованию полос или более сложных структур свечения морской коды, так как многие виды планктеров способны к биолюминесценции. С увеличением ветра организованные в вихри структуры исчезают, начинается турбулизация, а с нею — образование новых структур, гораздо более подвижных. Мы к ним привыкли, это — самые обыкновенные волны. Однако не мешает подумать, что все они — тоже вариант «самоорганизации», вариант диссипативных структур, так как возникают при постоянно дующем ветре, не имеющем строгой волновой природы, хотя и несущем вихри. С их образованием диссипация энергии ветра несомненно увеличивается.
Рис. 2. Вихри Лангмюра, возникающие в достаточно спокойной воде при слабом ветре.
Зоны возможного скопления организмов с положительной (а) и отрицательной (б) плавучестью.
Конвективные ячейки можно наблюдать и при циркуляции воздушных масс, вызванной неравномерным нагреванием суши и атмосферы. Описаны и зарисованы почти правильные шестигранники из облаков со сторонами в несколько километров. Движущая сила — более высокая температура поверхности Земли. Организация циклов движения воздуха такая же, как в ячейках Бенара. Энергетическая выгодность шестигранников также не вызывает сомнения.
Наконец, несколько неожиданная картина «структуризации» Солнца была обнаружена при фотографировании участков солнечной поверхности через телескопы, поднятые в стратосферу. Поверхность оказалась состоящей из гранул (зерен). Как будто рассыпан слой зерна. Эти гранулы являются результатом конвекции во внешнем слое Солнца. В центре гранул солнечная плазма поднимается; по краям, отдав энергию на излучение и охладившись, она опускается. Разность температур приводит к контрасту яркости, что мы и воспринимаем как ячейки. Размеры гранул 200—1300 км, «живут» они в среднем 10 мин, затем границы старой гранулы размываются и вместо отмершей возникает новая структура. Легко можно видеть глубокую аналогию таких гранул с ячейками Бенара. Напомним, что во всех примерах динамические структуры образовывались в промежуточной системе, через которую шел поток энергии от источника к стоку (см. гл. 1).
Теперь можно сделать несколько выводов общего плана. Прежде всего ответим на вопрос, бывает ли «самоорганизация» сложных структур в таких системах? Корректнее отвечать — не бывает! Не бывает «само» организации. Бывает вынужденная организация циклических потоков вещества в виде динамических структур под влиянием внешней возмущающей силы. И такая структура (от маленькой ячейки на сковороде, облачных шестигранников до огромных солнечных гранул) существует до тех пор, пока она более эффективно выполняет функцию переноса, чем если бы этот перенос осуществлялся без нее. Итак, выводы в сжатой форме.
1. Внешний движитель — источник энергии вызывает циклические переносы вещества, организуя динамические структуры в промежуточной системе. Сам момент появления такой структуры случаен, он связан с флуктуациями в системе.
2. Эти структуры более интенсивно выполняют функцию переноса, выживают в конкурентной борьбе наиболее эффективные (их можно назвать «приспособленные» ).
3. Если при изменении потока энергии структура начинает хуже выполнять функцию переноса, то она либо заменяется на новую, либо исчезает совсем.
Самый общий вывод: в системе с протоком свободной энергии структура вторична, функция первична.
Этот вывод можно было бы даже окрасить в теологические тона (кому нужна функция: уж не от бога ли все это?), но вопрос этот сам собой снимается, так как есть материальный носитель, «возмутитель спокойствия» и организатор движения: на нашей планете это прежде всего поток солнечной энергии. Некоторую роль играет и поток тепловой энергии от центра Земли, особенно за геологическое время. Рассмотрим подробнее поток свободной энергии от Солнца.