ЛЕКЦИЯ 15 Физика открытых систем. Порядок и хаос в природе

Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
ЛЕКЦИЯ 15
Физика открытых систем. Порядок и хаос в природе, их
борьба и сосуществование. Второй закон термодинамики и закон эволюции Дарвина. Возникновение структур в открытых
системах. Синергетика. Явление Бенара. Лазер. Неустойчивость
Тейлора. Реакция Белоусова-Жаботинского. Динамика популяций. Структуры из песка.
Я хочу узнать, как Бог создал этот мир.
Меня не интересует то или иное явление,
спектр того или другого элемента. Я хочу
узнать, о чем Он думал, все остальное —
детали.
Альберт Эйнштейн
Предметом сегодняшней лекции, в отличие от всех предыдущих, является изложение некоторых основных сведений о процессах, происходящих в так называемых открытых системах — системах, далеких
от термодинамического равновесия. Физика открытых систем — сравнительно молодая дисциплина, ей всего около 35 лет. Несмотря на свою
сравнительную молодость, она описывает довольно широкий круг явлений природы — физических, химических и биологических процессов.
Она, также, затрагивает процессы, происходящие в экономике, политике,
имеет прямое или косвенное отношение к социологическим проблемам.
В общем, ко всему, что окружает нашу жизнь, имеет отношение физика
открытых систем. Вы скажете, что это невозможно в рамках одной дисциплины охватить такое многообразие проблем. Если только, конечно,
это не философия. Нет, это не философия в обычном понимании этого
слова. Это, скорее, новое физическое мировоззрение, которое позволяет
лучше понять и описать окружающий нас мир. Дать некоторые ориентиры в нем.
Наш мир необычайно сложен и многообразен. Солнце, Земля, планеты, движущиеся вокруг Солнца на определенных расстояниях. Чем
определяются эти расстояния? Почему планеты имеют круглую форму?
Устойчива ли солнечная система? На Земле — горы, облака — многообразие форм и процессов. Старые горы разрушаются, возникают новые.
Вода из облаков падает вниз, потом снова испаряется и снова образуются облака. Почему водяной пар собирается в облака, а не равномерно
1
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
размазывается по небу? Ветры, дующие на Земле, почему они собираются в циклоны и антициклоны? Море, подводные течения, Гольфстрим —
эти реки без русла. Как они выбирают себе путь в безбрежном океане?
Кручение воды в водопадах и горных реках — есть ли в этом какая-либо
закономерность или движение полностью хаотично? — старая, нерешенная еще проблема турбулентности.
Жизнь — это удивительное явление в природе. Кто ее "придумал почему это было необходимо? Как из мертвой, казалось бы, природы могли
возникнуть живые существа, которые пытаются постичь эту самую природу?
Абсолютный порядок — мертв. Мертв и абсолютный хаос. Окружающий нас мир живет, это сочетание порядка и хаоса, это их взаимные
превращения друг в друга. Можно сказать, что порядок и хаос вместе
правят этим миром. За счет "стремления"к порядку возникают структуры, которые, однако, не мертвы, они живут, превращаясь друг в друга,
исчезая в пыль и рождаясь снова. И невозможно предсказать результат
этих процессов. Куда они нас ведут и чем закончатся?
Сменяется хаосом в мире порядок давно,
И то, что ушло, никому возвратить не дано.
Причина прозрачна, как в чаше хрустальной вино, —
Порядок и хаос Всевышнему любы равно.
(Омар Хайям. Рубаи 333).
Мы знаем уже очень много об основных физических законах, описывающих наш мир. Но мы не можем пока на основании этих знаний
понять его. Наши знания слишком сухи, формальны, упорядочены. Зачастую они лежат мертвым грузом в наших головах где-то в тайниках
мозга, чтобы постепенно исчезнуть как невостребованные. Мы все еще
не в состоянии понять, как устроена наша память. В ней несомненно есть
какой-то порядок. Но есть и элементы случайности — кто с этим не сталкивался. Вдруг навязчивая мысль пронзает наш мозг, и мы, забыв обо
всем, устремляемся в бездну.
Порядок и хаос, сменяя друг друга, правят этим миром. Физика открытых систем пытается дать ответ на вопрос о том, как возникает порядок и хаос и как они взаимосвязаны друг с другом. Сегодняшняя лекция
посвящена порядку. А именно, вопросу о том, как он возникает из хаоса?
Пожалуй, самый резкий контраст в окружающей нас жизни наблюда2
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
ется между вторым законом термодинамики (Клаузиус, 1865) и высокой
степенью организованности нашего мира (рис. 1). Второй закон термодинамики говорит, что в замкнутой системе энтропия может только повышаться или оставаться постоянной (если наступило термодинамическое
равновесие). Еще мы знаем, что энтропия есть мера беспорядка, стремление энтропии к увеличению есть стремление к большему возможному
беспорядку в системе.
Однако к применению к окружающему нас миру это правило, повидимому, не работает. Согласно эволюционной теории Дарвина, в основе процесса естественного отбора лежит повышение степени организованности биологических систем. В результате различного выживания
и воспроизведения некоторые нежелательные генетические комбинации
устраняются, а другие комбинации, выгодные с точки зрения адаптации организма и вида, сохраняются. В результате вид все более и более
Рис. 1: Рост беспорядка в соответствии со вторым законом термодинамики и рост степени организованности в соответствии с законом эволюции Дарвина.
совершенствуется в процессе эволюции.
Мы не видим в природе хаотической смеси различных атомов, расположенных вперемешку друг с другом, что соответствовало бы большему
беспорядку в системе. Наоборот, мир сильно структурирован. Почему-то
растут деревья, в небе плавают облака, летают какие-то бабочки. В море
зачем-то плавают рыбы. Таким образом, возникает вопрос, как можно
объяснить образование спонтанных структур в молекулярной, например,
3
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
системе, не впадая в противоречие со вторым законом термодинамики?
Какая сила приводит к образованию этих структур?
30 лет назад зародилась новая наука Синергетика 1 , чтобы попытаться ответить на этот и подобные вопросы. Оказалось, что никакого
противоречия со вторым законом термодинамики нет. В замкнутой системе энтропия, действительно, увеличивается или остается неизменной
— соответствующей максимально возможному беспорядку. Однако увеличение энтропии замкнутой неравновесной системы вовсе не означает
увеличения энтропии в каждой из ее подсистем. Большой вклад в Синергетику внес Илья Пригожин. Пригожину принадлежат первые работы по
статистической термодинамике необратимых процессов и ее применению
в химии и биологии.
Рис. 2: Илья Романович Пригожин (Бельгия, США) 1917-2003.
Так, рассмотрим некоторую замкнутую систему, состоящую из нескольких подсистем — рис. 3. Энтропия такой системы есть сумма энтропий
каждой из подсистем и со временем может только расти
d
(SI + SII + SIII ) > 0.
dt
Однако в одной (или нескольких) из подсистем может быть
(1)
dSi
< 0,
(2)
dt
т.е. энтропия подсистемы может уменьшаться (или оставаться постоянной), а значит, в ней может возникать порядок.
Определение термина «синергетика», близкое к современному пониманию, ввёл Герман Хакен
немецкий физик-теоретик в 1977 году в своей книге «Синергетика».
1
4
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
Рис. 3: Замкнутая система, состоящая из отдельных (незамкнутых) подсистем.
Вот этими-то процессами возникновения порядка в открытых системах и занимается Синергетика. Она объединила под собой множество
явлений из разных областей физики, химии и других наук, многие из
которых были известны уже давно. Общее у всех этих явлений — это
возникновение порядка, пространственных и временных структур, в открытых системах.
Под открытой мы понимаем систему, которая может обмениваться
энергией и/или веществом с окружающими ее телами (рис. 4). Энтро-
Рис. 4: Открытая система.
пия такой системы может уменьшаться (или оставаться постоянной в
стационарной ситуации). Можно сказать, что она черпает из окружающей среды отрицательную энтропию. Оказывается, что в таких открытых системах могут возникать стационарные, неравновесные состояния с высокой степенью упорядоченности. Как правило, это системы,
далекие от термодинамического равновесия. Во всяком случае, как сейчас установлено, для возникновения упорядоченных структур необходимо, чтобы эти системы описывались нелинейными уравнениями. Это
вполне естественно, так как большие отклонения от равновесия обычно
и описываются нелинейными уравнениями.
Можно сказать, что Синергетика — это наука о том, как возникает
самоорганизация в открытых нелинейных системах далеких от термо5
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
динамического равновесия. Оказывается, что нелинейный мир гораздо
богаче и сложнее мира линейного. Последний в основном и изучается
сейчас в курсах общей физики. Нелинейные явления встречаются лишь
в специальных курсах и то разрозненно, и под них обычно не подводится какой-то общей теоретической базы. И это вполне объяснимо, потому
что в математике еще не придумали, как надо в общем случае решать
нелинейные дифференциальные уравнения. В то же время теория систем
линейных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами хорошо разработана.
Вот почему, наверное, и понадобилось в отсутствие серьезной математической базы создать такую, объединяющую самые различные явления и процессы, науку — Синергетику. Это своего рода новая идеология
в физике. Ее создание поначалу не сопровождалось открытием новых
физических законов. Однако привело к огромному скачку в понимании
окружающего нас мира. Ниже мы приведем несколько примеров возникновения структур и самоорганизации в диссипативных системах.
Под диссипативной мы будем понимать систему, в которой существенную роль играют необратимые процессы трения, стремящиеся увеличить энтропию системы. Структуры, образующиеся в таких системах в
неравновесных условиях, естественно поэтому назвать диссипативными структурами.
1. Явление Бенара.
Слой жидкости с положительным коэффициентом объемного расширения подогревается снизу в поле тяжести — рис. 5. Жидкость вблизи
Рис. 5: Геометрия эксперимента Бенара (стрелки показывают направление потока тепла).
дна, нагреваясь, расширяется и за счет дополнительной подъемной силы "стремится"подняться наверх. Наоборот, холодная жидкость наверху стремится опуститься вниз. Этим движениям противодействуют силы вязкого трения (обусловленные вязкостью жидкости) и необратимые
6
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
процессы теплопроводности.
Вязкие силы тормозят движение жидкости, а если теплопроводность
жидкости достаточно высока, то, медленно поднимаясь снизу, выделенный объем жидкости успевает остыть за счет теплопроводности и сжаться до первоначального объема, так что дополнительная подъемная сила
пропадает. В результате при малой разности температур ∆T тепло переносится за счет обычной молекулярной теплопроводности за счет хаотического движения атомов и молекул. Локально жидкость при этом
покоится, т.е. среднее значение макроскопической скорости в любой точке равно нулю: v(r) = 0.
При достижении разности температур ∆T некоторого критического
значения ∆Tc это "состояние равновесия"становится неустойчивым, и в
жидкости появляется конвекция — макроскопическое движение жидкости. Поле скоростей становится отличным от нуля, v(r) 6= 0. В определенных участках пространства нагретая внизу жидкость поднимается
наверх, а в других, наоборот, холодные верхние слои опускаются вниз.
Самое интересное заключается в том, что этот процесс упорядочен в пространстве и в бесконечной системе имеет характер так называемых конвективных валов с вполне определенным периодом вдоль оси x (рис. 6).
Рис. 6: Конвективные валы.
В ряде экспериментов (с другими формами границ) возникает система
правильных шестиугольных ячеек (рис. 7) похожих на пчелиные соты,
называемых ячейками Бенара в честь их первооткрывателя, который обнаружил их в 1900 г. В центре ячейки жидкость движется вверх, а по краям опускается вниз. Это явление было объяснено Рэлеем в 1916 г и с тех
пор называется конвекцией Рэлея-Бенара (Rayleigh-Bénard convection) 2 .
2 Имеется еще так называемая конвекция Марангони (Marangoni convection), где пространственные структуры возникают за счет зависимости от температуры коэффициента поверхностного натяжения жидкости. Такую конвекцию по-видимому и наблюдал в своих экспериментах Бенар.
7
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
Рис. 7: Ячейки Бенара.
Если изобразить на графике полный тепловой поток q (через все горизонтальное сечение) за единицу времени от нижней поверхности к
верхней как функцию разности температур ∆T , то получим зависимость
изображенную на рис. 8.
Рис. 8: Зависимость потока тепла от разности температур в эксперименте Бенара.
Таким образом, при закритических значениях ∆T > ∆Tc поток тепла
за счет конвекции значительно превышает тот, который дала бы обычная
теплопроводность (т.е. в отсутствии конвекции). Вот почему чайник закипает так быстро. Если перенос тепла осуществлялся бы путем обычной
теплопроводности, нам пришлось бы ждать часами горяченького чайку.
Таким образом, мы видим, что при определенных условиях в открытой
системе практически "из ничего"может возникать вполне упорядоченная
структура. По сравнению с покоящейся жидкостью (в отсутствие конвективных потоков) конвекционные ячейки являются несомненно более вы8
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
сокоорганизованной структурой. Эта структура возникает в результате
кооперативного движения молекул жидкости.
Рассмотрим теперь этот вопрос с термодинамической точки зрения.
В стационарной ситуации энтропия системы — S не меняется со временем, хотя и отличается от своего равновесного значения. Ее изменение
со временем можно представить в виде суммы двух частей
dS
dSe dSi
=
+
= 0.
dt
dt
dt
(3)
Первое слагаемое (отрицательное) представляет собой приток (а точнее
отток) энтропии при тепловом обмене со внешней средой, а второе —
производство энтропии в самой системе в результате необратимых процессов трения за счет процессов вязкости и теплопроводности. Поэтому
dSi /dt > 0, а следовательно, dSe /dt = −dSi /dt < 0. То есть неравновесная система в стационарном состоянии отдает энтропию в окружающую
среду, причем ровно столько, сколько производится в самой системе за
счет необратимых процессов.
Поскольку система обменивается с внешней средой только теплом,
полный поток энтропии через ее границы определяется выражением:
dSe
q
q
∆T
=
− = −q 2 < 0
dt
T + ∆T
T
T
(4)
(мы полагаем, что ∆T ¿ T и ∆T > 0), т.е. он действительно отрицателен.
Если наша открытая система является частью (подсистемой) замкнутой системы, то ясно, что энтропия замкнутой системы при этом возрастает, как и должно быть в соответствии со вторым законом термодинамики.
2. Лазер
В этом примере рассмотрим принцип работы лазера. Пусть, например,
это будет газовый лазер в цилиндрической трубке с двумя зеркалами на
концах этой трубки (рис. 9).
Под действием излучения накачки с мощностью p атомы газа в трубке переходят в возбужденное состояние и начинают излучать фотоны
(как правило, с большей длиной волны). Если p мало, то спонтанное
излучение преобладает над вынужденным и лазер работает как обычная лампа, т.е. его излучение некогерентно. Атомы излучают фотоны
в самых разных направлениях и не скоррелированно друг с другом.
9
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
Рис. 9: Газовый лазер.
Если же мощность накачки превысит некоторый порог pc , начинается
индуцированное излучение, при котором все атомы газа излучают
фотоны в одном и том же направлении скоррелированно друг с другом,
так что в результате интерференции излучения отдельных атомов оно
многократно усиливается. Таким образом, при p > pc нескоррелированный режим излучения отдельных атомов оказывается нестабильным, а
кооперативное когерентное излучение — стабильным. Возникает кооперативное поведение системы фотоны + атомы.
Рис. 10: Мощность излучения лазера как функция накачки.
График зависимости мощности излучения лазера от интенсивности
накачки p изображен на рис. 10. Этот график очень похож на изображенную на рис. 8 зависимость теплового конвективного потока от разности
температур в явлении Бенара. И там, и здесь при значении управляющего параметра больше некоторого критического значения возникает
спонтанная самоорганизация в системе. Ниже мы увидим, что это
сходство не является случайным. Более того, работу лазера и явление
Бенара при определенных условиях можно описать одной и той же си10
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
стемой нелинейных дифференциальных уравнений.
3. Неустойчивость Тейлора
В этом примере мы рассмотрим движение жидкости, заключенной
между двумя коаксиальными цилиндрами. Пусть один из них вращается
Рис. 11: Течение Куэтта.
(внутренний), а другой покоится (наружный) — рис. 11. Вращающийся
внутренний цилиндр за счет трения вовлекает во вращение находящуюся между цилиндрами жидкость. 3 Если скорость вращения достаточно
мала, то жидкость имеет только азимутальную компоненту скорости,
зависящую только от радиуса r. Однако при возрастании угловой скорости вращения Ω и переходе ее через некоторое критическое значение
Ωc , возникает более сложное движение. Движение жидкости организу-
Рис. 12: Вихри Тейлора..
ется в тороидальные вихри, называемые вихрями Тейлора — рис. 12.
О течении жидкости между двумя вращающимися цилиндрами говорят часто как о течении
Куэтта (M. Couette, 1890).
3
11
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
Рис. 13: Вихри Тейлора (продолжение).
В них жидкость, как бы наматываясь на некоторый тор, периодически
движется то наружу, то внутрь сосуда. Сами же вихри периодически
расположены вдоль длины цилиндров — рис. 13.
4. Реакция Белоусова-Жаботинского
В качестве примера из химии рассмотрим органическую реакцию, которую изучали Белоусов и Жаботинский (Белоусов 1951). В колбу с
водой в определенных пропорциях сливают сульфат церия Ce2 (SO4 )3 ,
бромат калия KBrO3 , лимонную кислоту CH2 (COOH)2 , серную кислоту H2 SO4 , добавляют несколько капель ферроина (индикатор окисления — восстановления) и перемешивают. При превышении концентрации
участвующих веществ некоторых критических значений система начинает вести себя довольно необычно.
Рис. 14: Колебания цвета в реакции Белоусова-Жаботинского.
12
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
A. При определенных составах наблюдается периодическое изменение
окраски раствора от красного (избыток ионов церия Ce3+ ) до синего
(избыток ионов Ce4+ ) — рис. 14.
Б. В других случаях после периодических колебаний цвета: красный,
синий, красный, ... с периодом около 4 минут в пробирке возникают
неоднородности концентрации и образуются устойчивые красные и синие слои, которые можно наблюдать примерно в течение получаса —
рис. 15. В замкнутой системе колебания цвета постепенно затухают. Но
Рис. 15: Цветные слои.
если непрерывно подводить реагенты и отводить конечные продукты, то
колебания могут продолжаться неограниченно долго. Если реакционную
смесь не перемешивать, то возникают пространственные структуры, либо подобные тем, что описаны выше, либо в виде концентрических волн
или спиралей видных в широкой кювете (рис. 16).
Рис. 16: Концентрические и спиральные волны в реакции Белоусова-Жаботинского.
13
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
В настоящее время известны десятки систем, в которых наблюдаются
химические колебания. Некоторые колебательные реакции чувствительны к свету (фотохимия). Под воздействием света в них могут наблюдаться также периодические колебания концентрации.
На этом примере мы также видим, что в неравновесной системе возникает самоорганизация (периодические колебания цвета, пространственные структуры). Система, далекая от термодинамического равновесия,
"идет"к равновесию почему-то не просто, а через образование временных
и/или пространственных структур.
5. Динамика популяций
До настоящего времени является необъясненным, почему такое огромное количество видов представлено в живой флоре Земли? Если различные виды поддерживаются общим пищевым ресурсом, то возникает
межвидовая борьба и тогда, согласно Дарвину, выживает наиболее
приспособленный вид. 4 Если же у разных видов пища разная, то возможно сосуществование видов.
Рис. 17: Обьемы добычи рысиного меха по годам.
Численность видов обычно не постоянна, а меняется со временем.
Очень часто эти изменения вовсе даже не случайны, а периодичны во
времени. Так, в начале прошлого века рыбаки на побережье Адриатического моря хорошо знали, что численность популяций рыб испытывает периодические изменения. Эти колебания происходят в результате
взаимодействия между рыбами-хищниками и рыбами-жертвами. Если
хищники поедают слишком много рыб-жертв, то численность последних
4
Здесь имеется тесное сходство с конкуренцией различных мод в лазере.
14
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
падает. Это в конечном счете приводило и к уменьшению популяции хищников. С другой стороны, уменьшение популяции хищников способствовало росту популяции рыб-жертв. В результате и возникали циклические
изменения обоих популяций.
На рис. 17 изображены временные изменения в добыче рысиного меха
в районе Гудзонского залива с 1820 по 1920 годы. Видны отчетливые
осцилляции с периодом примерно в 9 лет. Можно предположить, что эти
осцилляции вызваны теми же причинами, что и в случае рыб. В качестве
жертв, например, могли выступать зайцы.
6. Структуры на песке
Одним из интересных примеров образования структур в открытых
системах, которые интенсивно изучаются в последнее время, являются
структуры, образуемые в сыпучих средах под влиянием внешних воздействий 5 . Ярким примером таких сред является обычный песок, хорошо известный нам с детства как первый доступный строительный материал. Из него сооружались порой самые немыслимые архитектурные
конструкции. Оказывается, что и природа давно заметила эти необычные свойства песка, которые делают его не похожим ни на твердое тело,
ни на жидкость, а похожим на нечто среднее между ними.
Хорошо известны структуры, образуемые на песке под влиянием потоков воды или воздуха. Как на поверхности воды ветер образует волны, так и на поверхности песка образуется своеобразная рябь (ripples),
волны, которые, в отличие от волн на поверхности воды, статичны, неподвижны, по крайней мере на коротких временных интервалах. На рис. 18
изображена характерная такая структура.
Рис. 18: "Рябь"на поверхности песка.
Еще одним характерным примером, являются структуры на поверхности песка, который находится на вибрирующей подложке. Зачастую они
5
H. M. Jaeger, S. R. Nagel, and R. B. Behringer, Physics Today, V.49, N 4, p. 32, 1996
15
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
очень сильно напоминают пространственные структуры, образующиеся
в результате тепловой конвекции жидкости — рис. 19
Рис. 19: Структуры на песке, помещенном на вибрирующую подложку.
Наконец, упомянем совсем недавние эксперименты по наблюдению
стратификации песка при высыпании однородной смеси, состоящей из
маленьких круглых и больших, но более ограненных песчинок 6 . В отли-
Рис. 20: Стратификация песка, состоящего из песчинок разного сорта, при его высыпании.
чие от наивного мнения, что в образовавшейся куче песка все песчинки
будут равномерно перемешаны, точно так же, как они были перемешаны
в исходной смеси, мы на деле получаем стратифицированную смесь, где
6
H. A. Makse, S. Havlin, P. R. King, H. E. Stanley, Nature, 386, p.379, 1997.
16
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
четко наблюдаются чередующиеся слои песка разного сорта — рис. 20.
Для удобства идентификации песчинки разного сорта имели разный цвет
в этих экспериментах.
7. Другие примеры
Рис. 21: Соль в пустыне Атакама (растворимость соли в воде зависит от температуры).
Периодические (???) процессы в экономике хорошо известны — кризисы, упадки экономики сменяются естественным ростом, колеблются (???)
курсы валют. В социологии хорошо известны колебания общественного
мнения (часто нерегулярные) по отношению к какой-либо проблеме. В
психологии наше настроение переменчиво. Если это связано с периодическим изменением концентрации в организме каких-то веществ, то это
химический механизм колебаний настроения. Но возможно, в этом активно участвует мозг, т.е. не исключен и психический механизм (через
химию все равно?).
Что общего между приведенными выше примерами? Во всех случаях система далека от термодинамического равновесия. При изменении
определенных условий (управляющих параметров), даже если эти изменения на первый взгляд ничем не выделены, в системе образуются
пространственные или временные структуры в макроскопических масштабах. Система может совершать также случайные движения (хаос).
Таким образом, во всех случаях мы имеем дело с процессами самоорганизации. Синергетика, будучи частью Физики открытых систем, как раз
и занимается изучением подобных процессов и общих закономерностей,
17
Д. А. Паршин, Г. Г. Зегря
Физика: Статистическая термодинамика
Лекция 15
им свойственным.
1
Илья Романович Пригожин
Илья Романович Пригожин (фр. Ilya Prigogine; 25 января 1917, Москва, Российская
империя — 28 мая 2003 Остин, Техас, США) — бельгийский и американский физик
и химик российского происхождения, лауреат Нобелевской премии по химии 1977
года, виконт Бельгии.
Биография
Илья Романович Пригожин родился 25 января 1917 года в Москве вторым сыном в
семье фабриканта, выпускника химического отделения Императорского Московского технического училища[1] Рувима Абрамовича Пригожина и пианистки, студентки
Московской консерватории Юлии Вихман. В 1921 году семья эмигрировала из Советской России сначала в Литву, а через год обосновалась в Берлине. Однако с ростом
антисемитских настроений в Германии, уже через несколько лет (1929) Пригожины
решили поселиться в Бельгии, где Илья в 1941 году окончил Брюссельский университет (фр. Universite Libre de Bruxelles). С начала 1960-х годов Пригожин жил в
городе Остин (штат Техас), где он в 1967 году основал Центр по изучению сложных
квантовых систем (англ. Center for Complex Quantum Systems), которым руководил
до конца жизни.
Основная масса его работ посвящена неравновесной термодинамике и статистической механике необратимых процессов. Одно из главных достижений заключалось
в том, что было показано существование неравновесных термодинамических систем,
которые при определённых условиях, поглощая вещество и энергию из окружающего
пространства, могут совершать качественный скачок к усложнению (диссипативные
структуры). Причём такой скачок не может быть предсказан, исходя из классических законов статистики. Такие системы позже были названы его именем. Расчёт
таких систем стал возможен благодаря его работам, выполненным в 1947 году.
Доказал одну из основных теорем термодинамики неравновесных процессов — о
минимуме производства энтропии в открытой системе.
В 1982 году Пригожин становится иностранным членом Академии наук СССР.
Его работы многократно переводились на русский язык. К его работам обращаются
многие ученые, не только физики и химики, но и биологи, палеонтологи и математики, историки, филологи.
В 1989 году король Бельгии пожаловал Пригожину титул виконта.
18