Диссипативные структуры

Второе начало термодинамики утверждает, что все физические системы стремятся вернуться к наиболее вероятному беспорядочному равновесному состоянию, если эти системы были выведены из него. Поэтому самозарождение жизни, основанное на законах физики, любой ученый будет считать абсурдом. Долгое время возникновение в природе упорядоченных структур и состояний рассматривали как «… некую грандиозную флуктуацию, вероятность которой, согласно теории, настолько ничтожна, что такой флуктуации и случиться-то не должно было». Возникновение упорядоченных структур и живых организмов оказывалось в нашем мире случайным и даже невероятным.

Разрешение было найдено позже. Формулировка второго закона термодинамики, предложенная Клаузисом, относится к замкнутым системам, т.е. к системам, не обменивающимся с внешней средой ни энергией, ни веществом. Поэтому говорить о пожирающем всё на своем пути всеобщем хаосе и торжестве энтропии можно лишь тогда, когда речь идет о замкнутых системах.

Для получающих энергию извне открытых систем возможны состояния нестабильности, в которых может проявиться новый уровень коллективного порядка. Такие системы называются диссипативными.

Под диссипативными принято понимать структуры, проявляющие высокую степень организации при диссипации, обусловленной порождающей энтропию активностью. В таких структурах, поддерживаемых в определённых термодинамических условиях, под действием энтропийных процессов происходит удивительная упорядоченность и связность взаимодействия.

К этим структурам относят так называемую неустойчивость Бенара. В тонком слое жидкости поддерживается разность температур между нижней подогреваемой поверхностью и верхней, находящейся при комнатной температуре. Вблизи равновесия, т.е. при малой разности температур, в структуре начинаются коллективные движения: в одной части молекулы поднимаются, в другой - опускаются, как по команде, проявляя удивительное единство посредством лишь тепловой связи. Так образуются вихри Бенара в жидкостях. Самоорганизация жидкости в потоки не является чем-то мистическим, она есть всего лишь результат конфликта между «гравитацией и градиентом температуры: последний, если его рассматривать сам по себе, порождает меньшую плотность в нижних, более теплых слоях жидкости, в то время как механическое равновесие, взятое само по себе, приводит к тому, что центр тяжести системы занимает как можно более низкое положение». Когда величина градиента температуры превышает его критическое значение, амплитуда некоторых флуктуаций возрастает, что в конечном счёте приводит к формированию макроскопического потока. В результате возникает новый надмолекулярный порядок, по существу представляющий собой гигантскую флуктуацию.

Другим примером диссипативных структур являются химические часы. Это химическая реакция, которая протекает в периодическом режиме, например, реакция Белоусова-Жаботинского. В этой реакции происходит периодическая смена цвета раствора с красного на голубой.

Во всех вышеуказанных случаях поток тепла или вещества, удерживающий систему от перехода в равновесное состояние, создаёт состояние равновесия между энтропийными процессами, ведущими к равновесию, и упорядоченным состоянием. Однако при превышении порога неустойчивости происходит резкий рост энтропии. При этом небольшая флуктуация может усиливаться и приводить к появлению нового и более сложного порядка, который сопротивляется дальнейшим флуктуациям и поддерживает себя, получая энергию из окружающей среды. Флуктуация из «шума» вырастает в фактор, направляющий глобальную эволюцию системы. В некоторых случаях, если системы достаточно нестабильны и далеки от равновесия, может появиться и стабилизироваться новый уровень коллективного порядка.

Возникает сильно неравновесное состояние, приводящее к неустойчивости, бифуркациям и разветвлениям путей. Например, в жидкости незначительная флуктуация определяет закручивание потока по часовой или против часовой стрелки. За бифуркацией возможно появление новых процессов: колебательных химических реакций или химических концентрационных волн.

Лауреат Нобелевской премии за открытия в области неравновесных систем Илья Пригожин утверждает, что источником возникновения структурированного коллективного порядка являются неравновесные необратимые процессы. Он проанализировал много неодушевлённых саморазвивающихся систем, в которых хаотическое состояние на одном уровне приводило к упорядочиванию на другом, а иногда «новый порядок можно было предсказать, рассмотрев усреднённое, или статистическое поведение бесчисленных компонентов». Факт самоорганизации, по словам учёного, полностью отрицает редукционизм систем: «…простое и сложное сосуществуют, не будучи связаны между собой иерархически».