LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 4
(всего 11)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

тирования философия должна стремиться к построению непротиворечивой схемы, включающей в себя все виды измерения опыта независимо от того, принадлежат ли они физике, физиологии, психологии, биологии, этике и т. д.
Уайтхед сознавал (возможно, более остро, чем кто-нибудь другой), что созидательная эволюция природы не могла бы быть познана, если бы составляющие ее элементы были неизменными индивидуальными сущнос­тями, сохраняющими свое тождество при всех измене­ниях и взаимодействиях. Но столь же отчетливо Уайт­хед сознавал, что объявить всякую неизменность иллю­зорной, отринуть ставшее во имя становящегося, от­вергнуть индивидуальные сущности в пользу непрерыв­но и вечно изменяющегося потока означало бы снова оказаться в ловушке, всегда подстерегающей филосо­фию, — «совершать блестящие подвиги оправдыва­ния»21.
Задачу философии Уайтхед видел в том, чтобы со­вместить перманентность и изменение, мыслить вещи как процессы, показать, как становящееся, возникаю­щее формирует отдельные сущности, как рождаются и умирают индивидуальные тождества. Подробное изло­жение системы Уайтхеда выходит за рамки нашей кни­ги. Мы хотели бы лишь подчеркнуть, что Уайтхед убе­дительно продемонстрировал связь между философией отношения (ни один элемент природы не является пер­манентной основой изменяющихся отношений, каждый элемент обретает тождество из своих отношений с дру­гими элементами) и философией инновационного ста­новящегося. В процессе своего генезиса все сущее уни­фицирует многообразие мира, поскольку добавляет к этому многообразию некоторое дополнительное множе­ство отношений. При сотворении каждой новой сущнос­ти «многое обретает единство и растет как единое це­лое»22.
В конце нашей книги мы еще раз встретимся с по­ставленной Уайтхедом проблемой перманентности и из­менения, на этот раз в физике. Мы расскажем о струк­турах, возникающих при необратимом взаимодействии с внешним миром. Современная физика открыла, что различия между структурными единицами и отноше­ниями столь же важны, как и взаимозависимости. Для того чтобы взаимодействие было реальным, «природа»
146


вещей, связанных между собой определенными отноше­ниями, должна, как считает современная физика, про­истекать из этих отношений, а сами отношения должны с необходимостью следовать из «природы» вещей (см. гл. 10). Таким образом, Уайтхеда с полным основани­ем можно считать предтечей «самосогласованных» опи­саний типа философии «бутстрэпа» в физике элемен­тарных частиц, утверждающей универсальную взаимо-связанность всех частиц. Но в те времена, когда Уайт­хед создавал свой труд «Процесс и реальность», ситуа­ция в физике была совершенно иной и философия Уайтхеда нашла отклик лишь в биологии23.
Случай Уайтхеда, как и случай Бергсона, свидетель­ствует о том, что только раскрывающаяся, расширяю­щаяся наука способна положить конец расколу между естествознанием и философией. Такое расширение нау­ки возможно только при условии, если мы пересмотрим нашу концепцию времени. Отрицать время, т. е. сво­дить его к проявлению того или иного обратимого за­кона, означает отказаться от возможности сформули­ровать концепцию природы, согласующуюся с гипоте­зой о том, что природа породила живые существа, и в частности человека. Отрицание времени обрекает нас на бесплодный выбор между антинаучной философией и отчужденным естествознанием.

5. Ignoramus et Ignorabimus — лейтмотив позитивистов
Другой метод преодоления трудностей классической рациональности, присущих классической науке, состо­ял в отделении того, что было наиболее плодотворным с точки зрения науки, от того, что «истинно». Это еще один аспект кантианского раскола. В своем докладе «О цели естественных наук» (1865 г.) Кирхгоф провоз­гласил, что высшая цель естествознания состоит в све­дении любого явления к движению, в свою очередь движение подлежит описанию средствами теоретичес­кой механики. С аналогичным заявлением выступил Гельмгольц, химик, медик, физик и физиолог, бывший властителем дум в германских университетах в те вре­мена, когда они были средоточием европейской науки. Гельмгольц утверждал, что «явления природы необхо-
147


димо свести к движениям материальных частиц, обла­дающих неизменными движущими силами, которые за­висят лишь от условий пространства»24.
Таким образом, цель естественных наук состояла в том, чтобы свести все наблюдения к законам, сформули­рованным Ньютоном и обобщенным такими знамениты­ми физиками и математиками, как Лагранж, Гамиль­тон и другие. Вопрос о том, почему движущие силы су­ществуют и входят в уравнение Ньютона, считался не­законным. «Понять» материю (массу) и силы было не­возможно, хотя эти понятия использовались при фор­мулировке законов динамики. В ответ на вопрос «по­чему?» природа сил и масс оставалась скрытой от нас. Дюбуа-Реймон, как мы уже упоминали, весьма точно сформулировал ограничения нашего знания: «Ignora­mus et ignorabimus («мы не знаем и не будем знать»). Наука не обеспечивает нам доступ к тайнам природы. Что же такое наука?
Мы уже приводили высказывание весьма влиятель­ного физика и философа Маха: наука есть составная часть дарвиновской борьбы за существование. По мне­нию Маха, наука помогает нам организовать наш опыт. Она приводит к экономии мышления. Математические законы — не что иное, как соглашения, позволяющие удобно резюмировать результаты возможных экспери­ментов. В конце XIX в. научный позитивизм обладал огромной интеллектуальной привлекательностью. Во Франции он оказал влияние на труды таких выдаю­щихся исследователей, как Дюгем и Пуанкаре.
Еще один шаг в преодолении «презренной метафи­зики» — и мы в Венском кружке. Все положительное знание, по мнению членов этого кружка, находится под юрисдикцией естествознания, а философия необходима для поддержания положительного знания в порядке. Такая точка зрения означала радикальное подчинение естествознанию, науке всего рационального знания и всех рациональных вопросов. Вот как пишет об этом в своей книге «Направление времени» выдающийся философ-неопозитивист Рейхенбах;
«Для решения проблемы времени не существует других способов, кроме методов физики. Физика гораз­до более других наук связана с природой времени. Ес­ли время объективно, то физик должен установить этот факт; если имеется становление, то физик должен
148


познать его; однако если время лишь субъективно и бытие безвременно, тогда физик должен иметь возмож­ность игнорировать время в своем истолковании реаль­ности и описывать мир без ссылок на время... Иссле­дование природы времени без ссылок на время — без­надежное предприятие. Если имеется решение фило­софской проблемы времени, то оно зафиксировано в уравнениях математической физики»25.
Работа Рейхенбаха представляет большой интерес для каждого, кто пожелает узнать, о чем может ска­зать физика по поводу проблемы времени, но это не столько книга по философии природы, сколько рассказ о том, чем проблема времени привлекает к себе внима­ние и «озадачивает» физиков, но не философов.
Какова же роль философии? Нередко утверждалось, что философия призвана стать наукой о науке. В этом случае цель философии состояла бы в том, чтобы ана­лизировать методы естественных наук, аксиоматизиро­вать и уточнять используемые ими понятия. Но такая роль превратила бы бывшую «царицу всех наук» в не­кое подобие их служанки. Разумеется, существует воз­можность того, что уточнение понятий будет способство­вать дальнейшему развитию паук, что понимаемая так философия, хотя и с использованием «чужих» мето­дов — логики, семантики, сможет производить новое знание, сравнимое с знанием, добываемым собственно наукой. Такую надежду питают приверженцы «анали­тической философии», занимающей столь видное место в англо-американских кругах. Мы не хотим умалять интерес, который представляют такие попытки. Однако нас сейчас интересуют совершенно другие проблемы. Мы не ставим своей целью прояснить или аксиомати­зировать существующее знание, мы стремимся лишь в какой-то степени восполнить некоторые принципиально важные пробелы в этом знании.
6. Новое начало
В первой части нашей книги мы описали, с одной стороны, диалог с природой, который сделала возмож­ным классическая наука, а с другой стороны, ненадеж­ное положение науки в системе культуры в целом. Су­ществует ли вывод из создавшегося довольно затрудни-
149


тельного положения? В этой главе мы обсудили некото­рые попытки достижения альтернативных способов поз­нания. Мы рассмотрели также позитивистскую точку зрения, которая отделяет науку от реальности.
На научных собраниях моменты наивысшего воз­буждения очень часто наступают, когда ученые прини­маются обсуждать вопросы, не имеющие никакого прак­тического значения, не являющиеся жизненно важны­ми, например возможные интерпретации квантовой ме­ханики или роль расширяющейся Вселенной в нашей концепции времени. Если бы позитивистская точка зре­ния, сводящая науку к некоторому исчислению симво­лов, была принята, то наука утратила бы значительную часть своей привлекательности. Распался бы ньюто­новский синтез теоретических понятий и активного зна­ния. Мы снова оказались бы в ситуации, известной со времен Древней Греции и Рима: между техническим, практическим знанием, с одной стороны, и теоретичес­ким знанием, с другой, зияла бы непреодолимая про­пасть.
Для древних природа была источником мудрости. Средневековая природа говорила о боге. В новые вре­мена природа стала настолько безответной, что Кант счел необходимым полностью разделить науку и муд­рость, науку и истину. Этот раскол существует на про­тяжении двух последних столетий. Настала пора по­ложить ему конец. Что касается науки, то она созрела для этого. Первым шагом к возможному воссоединению знания, как нам сейчас представляется, стало создание в XIX в. теории теплоты, открытие законов, или «на­чал», термодинамики. Именно термодинамика претен­дует на роль хронологически первой «науки о сложно­сти». К этой науке, от ее зарождения до последних до­стижений, мы сейчас и перейдем.

150
ЧАСТЬ ВТОРАЯ. НАУКА О СЛОЖНОСТИ

Глава 4. ЭНЕРГИЯ И ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ВЕК
1. Тепло — соперник гравитации
Ignis mutat res*. Это высказывание, известное с не­запамятных времен, всегда связывало химию с «наукой об огне». В XVIII в., начиная с концептуальной перест­ройки, вынудившей науку пересмотреть то, что ранее отвергалось ею во имя механистического мировоззре­ния, а именно такие понятия, как «необратимость» и «сложность», огонь стал частью экспериментальной науки.
Огонь преобразует материю. Он приводит к химиче­ским реакциям, к таким процессам, как плавление и ис­парение. Огонь заставляет топливо сгорать и высвобож­дать тепло. Из всех этих общеизвестных фактов наука XIX в. сосредоточила внимание на одном; горение сопро­вождается выделением тепла, а подвод тепла может вы­зывать увеличение объема, в результате чего горение со­вершает работу. Таким образом, огонь приводит к созда­нию машины нового типа — тепловой машины, — техно­логическому новшеству, ставшему основой индустриаль­ного общества1.
Интересно отметить, что Адам Смит работал над сво­им «Исследованием о природе и причинах богатства на­родов» и собирал данные о перспективах и определяю­щих факторах роста промышленности в том самом уни­верситете, в стенах которого Джеймс Уатт завершал до­водку своей паровой машины. Тем не менее Адам Смит смог найти для каменного угля единственно полезное применение — как источник тепла. (В XVIII в. еще не были известны другие источники энергии, кроме воды,
* Огонь движет вещами (лат.). — Прим. перев.
153


ветра, мускульной силы животных и приводимых ими в движение простейших машин.)
Быстрое распространение британской паровой маши­ны вызвало новый интерес к механическому действию теплоты, и термодинамика, детище этого интереса, зани­малась не столько выяснением природы тепла, сколько скрытыми в тепле возможностями производства «меха­нической энергии».
Что же касается рождения «науки о сложности», то мы предлагаем датировать его 1811 годом, когда барону Жан-Батисту Жозефу Фурье, префекту Изера, была при­суждена премия Французской академии наук за матема­тическую теорию распространения тепла в твердых те­лах.
Установленный Фурье результат был удивительно прост и изящен: поток тепла пропорционален градиенту температуры. Замечательно, что этот простой закон при­меним к веществу, в каком бы состоянии оно ни находи­лось: твердом, жидком или газообразном. Кроме того, закон Фурье выполняется независимо от химического со­става тела, будь оно из золота или из железа. Специфи­ческим для каждого вещества является коэффициент пропорциональности между тепловым потоком и гради­ентом температуры.
Ясно, что универсальный характер закона Фурье не связан непосредственно с динамическими взаимодейст­виями, описываемыми законом Ньютона, поэтому фор­мулировку закона теплопроводности можно рассматри­вать как исходную точку науки нового типа. Действи­тельно, простота предложенного Фурье математического описания распространения тепла разительно контрасти­рует со сложностью вещества, рассматриваемого с точки зрения его молекулярного строения. Твердое тело, газ или жидкость представляют собой макроскопические си­стемы, состоящие из огромного числа молекул, и тем не менее теплопроводность описывается одним-единствен­ным законом. Фурье вывел свой закон в то время, когда в европейской науке школа Лапласа занимала господ­ствующее положение. Лаплас, Лагранж и их ученики пытались объединенными усилиями критиковать теорию Фурье, но были вынуждены отступить2. Сбывшаяся бы­ло мечта Лапласа потерпела первое поражение. Фурье создал физическую теорию, не уступавшую по математи­ческой строгости механическим законам движения, но в
154


то же время остававшуюся совершенно чуждой ньюто­новскому миру. С момента появления теории теплопро­водности Фурье математика, физика и ньютоновская наука перестали быть синонимами.
Открытие закона теплопроводности имело непреходя­щее значение. Интересно отметить, что с появлением за­кона Фурье исторические пути развития физики во Фран­ции и Англии разошлись и к современному этапу фран­цузские физики и их английские коллеги следовали раз­личными маршрутами.
Во Франции крушение мечты Лапласа привело к по­зитивистской классификации науки на иерархически упо­рядоченные отделы, предложенные Огюстом Контом. Контовская классификация науки была подробно про­анализирована Мишелем Серром3. В физике сосущест­вуют две универсалии: тепло и гравитация. Более того, как вынужден признать позднее Конт, эти две универса­лии — антагонисты. Гравитация действует на инертную массу, которая подчиняется гравитации, не испытывая ее действия иным путем, кроме как через движение, кото­рое приобретает или передает. Тепло преобразует веще­ство, определяет изменения состояния и вызывает изме­нения внутренних свойств. В некотором смысле это было подтверждением протеста химиков-антиньютонианцев и всех тех, кто подчеркивал различие между чисто про­странственно-временным поведением, приписываемым массе, и специфической активностью вещества. Именно такое различие и было принято за основу классификации наук, проведенной Контом по общему признаку — поряд­ку, т. е. равновесию. К механическому равновесию сил позитивистская классификация просто добавила понятие теплового равновесия.
С другой стороны, в Британии с появлением теории распространения тепла отнюдь не прекратились попытки объединения всех областей знания, более того, там на­метилось новое направление научных исследований — первые шаги в создании теории необратимых процес­сов.
Закон Фурье, если его применить к изолированному телу с неоднородным распределением температуры, опи­сывает постепенное установление равновесия. Теплопро­водность приводит к все большему выравниванию рас­пределения температуры до тех пор, пока распределе­ние во всем теле не станет однородным. Всякий знает,
155


что выравнивание температуры — процесс необратимый. Еще столетие назад Берхаве подчеркивал, что тепло всегда распространяется и выравнивается. Таким обра­зом, наука о сложных явлениях (основанных на взаимо­действии большого числа частиц) и временная асиммет­рия с самого начала оказались взаимосвязанными. Но теплопроводность стала исходным пунктом исследований природы необратимости не раньше, чем была установле­на ее связь с понятием «диссипация», рассматриваемым с инженерной точки зрения4.
Познакомимся несколько подробнее со структурой новой «науки о тепле» в том виде, в каком она сложи­лась в начале XIX в. Подобно механике, наука о тепле включала в себя и оригинальную концепцию физическо­го объекта, и определение машины, или двигателя, т. е. отождествление причины и следствия в специфическом способе производства механической работы.
При исследовании физических процессов, связанных с теплом, состояние системы необходимо задавать, ука­зывая не положения и скорости ее составных частей (в объеме газа порядка 1 см3 содержится около 1023 мо­лекул), как в случае динамики, а некоторую совокуп­ность макроскопических параметров, таких, как темпера­тура, давление, объем и т. д. Кроме того, необходимо учитывать граничные условия, описывающие отношение системы к окружающей среде.
В качестве примера рассмотрим одно из характер­ных свойств макроскопической системы — ее удельную теплоемкость. Напомним, что удельной теплоемкостью называется количество тепла, которое необходимо сооб­щить системе, чтобы поднять ее температуру на один градус при постоянном объеме или давлении. Чтобы ис­следовать удельную теплоемкость (например, при посто­янном объеме), систему необходимо привести во взаимо­действие с окружающей средой: система должна полу­чить определенное количество тепла, в то время как объем ее поддерживается постоянным, а температура может изменяться.
В более общем случае систему можно подвергнуть механическому воздействию (например, поддерживать постоянство давления или объема с помощью поршня), тепловому воздействию (подводить к системе или отво­дить от нее некоторое количество тепла) или химическо­му воздействию (создавать поток реагирующих веществ
156


и продуктов реакции между системой и окружающей средой). Как мы уже упоминали, давление, объем, хими­ческий состав и температура являются классическими физико-химическими параметрами, через которые выра­жаются свойства макроскопических систем. Термодина­мику можно определить как науку о корреляции между изменениями этих свойств. Следовательно, термодинами­ческие объекты приводят к новой по сравнению с дина­мическими объектами точке зрения. Цель теории состо­ит не в предсказании поведения системы в терминах взаимодействия частиц, а в предсказании реакции систе­мы на изменения, вводимые нами извне.
Механическое устройство (машина) возвращает в ви­де работы потенциальную энергию, полученную им из внешнего мира. Причина и следствие имеют одинаковую природу и, по крайней мере в идеальном случае, эквива­лентны. Действие тепловой машины, в отличие от меха­нического устройства, сопряжено с материальными изме­нениями состояний, включающими преобразование меха­нических свойств системы, расширением и увеличением объема. Производимую тепловым двигателем работу сле­дует рассматривать как результат подлинного процесса преобразования, а не только передачи движения. Таким образом, тепловая машина — не пассивное устройство. Строго говоря, она производит движение. С этой особен­ностью тепловой машины связана новая проблема: что­бы восстановить способность системы производить дви­жение, ее необходимо возвратить в начальное состояние. Следовательно, необходим второй процесс, второе изме­нение состояния, которое компенсировало бы то измене­ние, которое производит движение. В тепловой машине таким вторым процессом, противоположным первому, является охлаждение системы до начальных значений температуры, давления и объема.
Понятие необратимого процесса было введено в фи­зику в связи с проблемой повышения коэффициента по­лезного действия (кпд) тепловых машин, т. е. отноше­ния между производимом работой и теплом, которое не­обходимо подвести к системе, чтобы осуществить два взаимно компенсирующих, процесса. Мы еще вернемся к вопросу о значении закона Фурье для этой проблемы, но сначала опишем ту существенную роль, которую играет закон сохранения энергии.
157


2. Принцип сохранения энергии
Мы уже отмечали, что в классической динамике энер­гия занимает центральное место. Гамильтониан (сумму кинетической и потенциальной энергий) можно предста­вить в канонических переменных — координатах и им­пульсах. В процессе движения значения канонических переменных изменяются, значение же гамильтониана ос­тается постоянным. Динамическое изменение лишь пере­распределяет относительную значимость потенциальной и кинетической энергий, оставляя неизменной их сумму.
Начало XIX в. совпало с бурным периодом в истории экспериментальной физики5. Нескончаемая вереница от­крытий показала физикам, что движение способно по­рождать не только изменения в относительных положе­ниях тел в пространстве. Новые процессы, открытые в лабораториях, постепенно создали сеть, связавшую во­едино все новые области физики с другими более тради­ционными областями, например с механикой. Одну из таких связей неожиданно обнаружил Гальвани. До него были известны только статические электрические заря­ды. Производя опыты с препаратами лапок лягушек, Гальвани впервые экспериментально наблюдал действие электрического тока. А. Вольта вскоре понял, что «галь­ванические» сокращения лапок лягушки вызывает про­ходящий через них электрический ток. В 1800 г. Вольта построил химическую батарею: стало возможным полу­чать электричество с помощью химических реакций. За­тем был открыт электролиз: электрический ток позволял изменять химическое сродство и проводить химические реакции. Но электрический ток давал также свет и теп­ло, а в 1820 г. Эрстед обнаружил, что электрический ток оказывает действие и на магнитную стрелку. В 1822 г. Зеебек показал, что тепло может быть источником элек­тричества, а в 1834 г. им был открыт способ охлаждения вещества с помощью электричества. В 1831 г. Фарадей индуцировал электрический ток с помощью магнитных эффектов. Так постепенно была открыта целая совокуп­ность новых физических эффектов. Естественнонаучный горизонт расширялся с неслыханной быстротой.
Решающий шаг был сделан в 1847 г. Джоулем: он понял, что связи, обнаруженные между выделением или поглощением тепла, электричеством и магнетизмом, про­теканием химических реакций, а также биологическими
158


объектами, носят характер «превращения». Идея превра­щения, опирающаяся на постулат о количественном со­хранении «чего-то» при его качественных изменениях, обобщает то, что происходит при механическом движе­нии. Как мы уже знаем, полная энергия сохраняется, в то время как потенциальная энергия переходит, пре­вращается в кинетическую, и наоборот. Джоуль опреде­лил общий эквивалент для физико-химических трансфор­маций, что позволило измерить сохраняющуюся величи­ну. Впоследствии6 эта величина стала известна как «энергия». Джоуль установил первую эквивалентность, измерив механическую работу, которую необходимо за­тратить, чтобы поднять температуру данного количества воды на один градус. Так среди ошеломляющего потока новых разнообразных открытий был обнаружен унифи­цирующий элемент. Сохранение энергии при самых раз­личных преобразованиях, претерпеваемых физическими, химическими и биологическими системами, стало путе­водным принципом в исследовании новых процессов.
Неудивительно, что закон сохранения энергии был столь важен для физиков XIX в. Для многих из них он был воплощением единства природы. Это убеждение от­четливо звучит в высказывании Джоуля, выдержанном в традициях английской науки:
«Явления природы, механические, химические или биологические, состоят почти полностью из непрерывно­го превращения тяготения на расстоянии живой силы [кинетической энергии] в тепло, и наоборот. Тем самым поддерживается порядок во Вселенной: ничто не расстрачивается, ничто не утрачивается, а весь механизм при всей своей сложности работает слаженно и гармо­нично. И хотя, как в ужасном видении пророка Иезекииля, «казалось, будто колесо находилось в колесе» (Иезек, 1, 16) и все кажется сложным и вовлеченным в хит­росплетения почти неисчерпаемого многообразия причин, следствий, превращений и выстраивания в определенной последовательности, тем не менее сохраняется идеаль­нейший порядок и все бытие послушно непререкаемой воле бога»7.
Еще более показателен случай немецких ученых Гельмгольца, Майера и Либиха. Все трое принадлежали к культурной традиции, которая отвергла бы взгляды Джоуля с позиций чисто позитивистской практики. В ту пору, когда они совершали свои открытия, ни один из
159


них не был, строго говоря, физиком. Однако их всех ин­тересовала физиология дыхания. Со времен Лавуазье это был своего рода эталон проблемы, в которой функ­ционирование живого существа поддавалось описанию в точных физических и химических терминах, таких, как расход кислорода при горении, выделение тепла и мус­кульная работа. Эта проблема привлекала физиологов и химиков, чуждых чисто умозрительным построениям ро­мантиков и жаждущих внести свой вклад в экспери­ментальную науку. Обстоятельства, при которых эти трое ученых пришли к заключению, что дыхание, да и природа в целом подчиняются универсальной «эквива­лентности», лежащей в основе всех, больших и малых, явлений, позволяют утверждать, что именно немецкой философской традиции открыватели закона сохранения энергии обязаны своей концепцией, совершенно чуждой позитивисткой позиции: все трое без малейших колеба­ний пришли к выводу о всеобщем характере закона со­хранения энергии, о том, что он пронизывает всю приро­ду до мельчайших кирпичиков мироздания.
Особенно замечательным нам представляется случай Майера8. Работая в молодые годы врачом в голланд­ских колониях на Яве, Майер обратил внимание на ярко красный цвет венозной крови у одного из своих пациен­тов. Это наблюдение привело его к заключению, что жи­телям жаркого тропического климата требуется меньше кислорода для поддержания нормальной температуры тела, чем в средних широтах, чем и объясняется яркий цвет их крови. Майер продолжил свои исследования и установил баланс между потреблением кислорода, яв­ляющимся источником энергии, и потреблением энергии, затрачиваемой на поддержание постоянной температуры тела, несмотря на тепловые потери и мышечную работу. Это была счастливая догадка, так как причиной яркого цвета крови пациента вполне могла быть, например, его «лень». Но Майер не остановился на достигнутом и, про­должив свои рассуждения, пришел к заключению, что баланс потребления кислорода и тепловых потерь — не более чем частное проявление существования какой-то неразрушимой «силы», лежащей в основе всех явлений.
Тенденция видеть в явлениях природы продукты ле­жащей в их основе реальности, сохраняющей постоян­ство при всех трансформациях, поразительно напомина­ет идеи Канта. Влияние Канта отчетливо ощущается
160


и в другой идее, которую разделяли некоторые физио­логи: в необходимости различать витализм как философ­скую спекуляцию и витализм как проблему научной ме­тодологии. Для тех физиологов, кто придерживался этой точки зрения, даже если бы существовала «жиз­ненная» сила, лежащая в основе функционирования жи­вых организмов, объект физиологии по своей природе оставался бы чисто физико-химическим. По двум на­званным выше причинам кантианство, узаконившее ту систематическую форму, которую приняла математиче­ская физика в XVIII в., по праву может считаться од­ним из источников обновления физики в XIX в.9
Гельмгольц совершенно открыто признавал влияние Канта. Для Гельмгольца закон сохранения энергии был лишь воплощением в физике общего априорного требо­вания, на котором зиждется вся наука, а именно посту­лата о фундаментальной инвариантности, которая кро­ется за всеми трансформациями, происходящими в при­роде:
«Цель указанных* наук заключается в отыскании законов, благодаря которым отдельные процессы в при­роде могут быть сведены к общим правилам и могут быть снова выведены из этих последних. Эти правила, к которым относятся, например, законы преломления или отражения света, закон Мариотта и Гей-Люссака для объема газов, являются, очевидно, не чем иным, как общим видовым понятием, которым охватываются все относящиеся сюда явления. Разыскание подобных законов является делом экспериментальной части наших наук; теоретическая часть старается в то же время опре­делить неизвестные причины явлений из их видимых действий; она стремится понять их из закона причин­ности.
Мы вынуждены были так поступать и имеем на это право благодаря основному закону, по которому всякое изменение в природе должно иметь достаточное осно­вание. Ближайшие причины, которым мы подчиняем естественные явления, могут быть в свою очередь не­изменными или изменяющимися. В последнем случае тот же закон принуждает нас искать другие причины этого изменения и так далее до тех пор, пока мы не доходим до последних причин, которые действуют по
* Физических, естественных. — Прим. перев.
161


неизменному закону и которые, следовательно, в каждое время при одинаковых условиях вызывают одно и то же действие. Конечной целью теоретического естество­знания и является, таким образом, разыскание послед­них неизменных причин явлений в природе»10.
С появлением закона сохранения энергии начала формироваться идея о новом золотом веке физики, ко­торый должен был бы в конечном счете привести к наи­более широкому обобщению механики.
Открытие закона сохранения энергии имело далеко идущие культурные последствия. В их число входило и представление об обществе и человеке как о машинах, преобразующих энергию. Но превращение энергии не может быть конечным звеном цепи. Оно отражает пас­сивные и управляемые аспекты природы, но за ними должен находиться еще один более «активный» уровень. Ницше был одним из тех, кто уловил эхо актов творе­ния и разрушения, выходящих за рамки одного лишь сохранения или превращения. Результаты, являющиеся различиями, могут порождать только различие, напри­мер разность температур или уровней потенциальной энергии11. Превращение энергии есть всего лишь унич­тожение одного различия с одновременным созданием другого. Сила природы оказывается, таким образом, скрытой использованием эквивалентностей. Но суще­ствует другой аспект природы, имеющий непосредствен­ное отношение к котлам паровых двигателей, химиче­ским превращениям, жизни и смерти и выходящий за рамки эквивалентностей и сохранения энергии12. Говоря об этом аспекте, мы подходим к самому важному вкла­ду термодинамики в естествознание — понятие необра­тимости.
3. Тепловые машины и стрела времени
Сравнивая механические устройства с тепловыми машинами, например с паровозными котлами с их рас­каленными докрасна топками, мы наглядно видим брешь, отделяющую классический век от технологии XIX в. Тем не менее физики поначалу думали, что эту брешь можно игнорировать, что тепловые машины удастся описывать так же, как некогда механические, пренебре­гая тем решающим фактом, что использованное тепло-
162


вой машиной горючее исчезает навсегда. Но вскоре по­добному благодушию пришел конец. Для классической механики символом природы были часы, для индустри­ального века таким символом стал резервуар энергии, запас которого всегда грозил иссякнуть. Мир горит как огромная печь; энергия, хотя она и сохраняется, непре­рывно рассеивается.
Первоначальную формулировку второго начала тер­модинамики, которая позволила впервые количественно выразить необратимость, предложил в 1824 г. Сади Карно — до того, как Майер (1842) и Гельмгольц (1847) сформулировали в общем виде закон сохранения энер­гии. Карно, продолжая работу своего отца Лазара Карно, автора весьма авторитетного трактата по теории машин (механических устройств), занимался анализом работы тепловой машины.
При описании механических устройств движение предполагается заданным. На современном языке это соответствует сохранению энергии и импульса. Движение лишь претерпевает превращения и передается другим телам. Но аналогия между механическим устройством и тепловой машиной была естественной для Сади Кар­но, поскольку он, как и большинство ученых его време­ни, предполагал, что тепло сохраняется подобно тому, как сохраняется механическая энергия.
Вода, падающая с одного уровня на другой, способ­на приводить в движение мельничное колесо. Аналогич­ным образом Сади Карно предположил, что существуют два источника, один из которых отдает тепло системе двигателя, а второй, находящийся при другой темпера­туре, поглощает тепло, отданное первым. Таким обра­зом, работу тепловой машины Сади Карно представил как движение тепла через машину между двумя источ­никами, находящимися при различных температурах. Иначс говоря, работу, производимую машиной, по Кар­но, совершает движущая сила огня.
Сади Карно поставил перед собой те же вопросы, какие задавал его отец13. У какой машины коэффициент полезного действия будет наиболее высоким? Каковы источники потерь? При каких процессах тепло распро­страняется, не производя работы? Лазар Карно пришел к заключению, что для достижения наивысшего коэф­фициента полезного действия при постройке и эксплуа­тации механического устройства следует сводить до ми-
163


Рис. 2. Цикл Карно на диаграмме давление—объем (идеаль­ная тепловая машина, функционирующая между двумя источниками: нагревателем при температуре ТH и холодильником при температуре tl, TH>Tl.). При переходе из состояния a в состояние b происходит изотермический процесс: система, температура которой поддержи­вается равной температуре нагревателя Тн, поглощает тепло и рас­ширяется. При переходе из состояния b в состояние с происходит адиабатический процесс: теплоизолированная система продолжает расширяться и температура понижается с ТH до tl. На этих двух стадиях система производит механическую работу. При переходе из состояния с в состояние d происходит еще один изотермический процесс: система, температура которой поддерживается равной тем­пературе холодильника tl, сжимается и выделяет тепло. При пере­ходе из состояния d в а происходит еще один адиабатический пропесс: теплоизолированная система сжимается и температура ее по­вышается с tl до ТH.
нимума удары, трение и резкие, скачкообразные изме­нения скорости, т. е., короче говоря, все, что происходит при внезапном соприкосновении тел, движущихся с раз­личными скоростями. Рассуждая так, Лазар Карно лишь следовал физике своего времени, считавшей, что только непрерывные изменения консервативны, а все скачко­образные изменения движения сопряжены с необрати-
164


мой потерей «живой силы». Заключение Сади Карно было аналогичным: идеальная тепловая машина вместо того, чтобы избегать любых контактов между телами, движущимися с различными скоростями, должна избе­гать любых контактов между телами, имеющими раз­личные температуры.
Следовательно, рассуждал Сади Карио, цикл необ­ходимо строить так, чтобы ни одно изменение темпера­туры не было обусловлено прямым потоком тепла меж­ду двумя телами, находящимися при различных темпе­ратурах. Поскольку такие потоки не производили бы никакой механической работы, они приводили бы только к снижению кпд.
Идеальный цикл Kарно представляет собой, таким образом, весьма хитроумное приспособление, позволяю­щее достигать парадоксального результата: переноса тепла между двумя источниками, находящимися при различных температурах, без прямого контакта между телами с различной температурой. Цикл Карно подраз­деляется на четыре стадии. На каждой из двух изотер­мических стадий система находится в контакте с одним из двух тепловых источников, а ее температура поддер­живается равной температуре этого источника. Нахо­дясь в контакте с горячим источником (нагревателем), система поглощает тепло и расширяется. Находясь в контакте с холодным источником (холодильником), си­стема теряет тепло и сжимается. Две изотермические стадии связаны между собой двумя стадиями, на кото­рых система изолирована от источников, т. е. тепло не поступает в систему и не покидает ее, но температура системы изменяется в результате соответственно рас­ширения и сжатия. Объем продолжает изменяться до тех нор, пока система не перейдет от температуры од­ного источника к температуре другого.
Весьма замечательно, что в приведенном выше опи­сании идеальной тепловой машины ни разу не упомина­ются лежащие в основе его реализации необратимые процессы. Ни слова не говорится о печи, в которой сго­рает уголь. Предложенная Сади Карно модель отража­ет лишь конечный результат горения: возможность под­держания разности температур между двумя источни­ками.
В 1850 г. Клаузиус дал новое описание цикла Кар­но — с точки зрения закона сохранения энергии. Он об-
165


наружил, что необходимость в двух тепловых источниках (нагревателе и холодильнике) и выведенная Карно фор­мула для теоретического кпд отражают проблему, спе­цифическую для тепловых машин: необходимость про­цесса, компенсирующего превращение (в случае цикла Карно — охлаждение в контакте с источником, находя­щимся при более низкой температуре), для того чтобы вернуть машину к начальным механическим и тепловым условиям. Соотношения баланса, выражающие превра­щения энергии, оказались теперь объединенными новы­ми отношениями эквивалентности между воздействиями двух процессов — потока тепла между источниками и превращения тепла в работу — на состояние системы. Новая наука — термодинамика, — установившая связь между механическими и тепловыми эффектами, обрела существование.
Работа Клаузиуса наглядно показала, что мы не можем неограниченно использовать, казалось бы, не­ограниченный резервуар энергии, который предоставляет нам природа. Не все процессы, при которых энергия сохраняется, возможны. Например, невозможно создать разность энергий, не уничтожив при этом по крайней мере ее эквивалентность. В идеальном цикле Карно тепло, переносимое от одного источника к другому, есть та цена, которую приходится платить за производимую работу. Осуществив цикл Карно, мы получаем, с одной стороны, произведенную механическую работу, а с дру­гой стороны, перенос тепла, причем то и другое связа­но между собой отношением эквивалентности. Эта эк­вивалентность действует в обоих отношениях. Обрат­ным ходом та же машина может восстановить началь­ную разность температур, затратив произведенную ра­боту. Невозможно построить тепловую машину только с одним источником тепла.
Клаузиуса так же, как и Карно, не интересовали потери, за счет которых кпд всех реальных тепловых машин ниже предсказываемого теорией идеального зна­чения. Теория Клаузиуса так же, как и теория Карно, отвечает некоторой идеализации. Она указывает лишь предел, который устанавливает природа для эффектив­ности тепловых машин.
Но с XVIII в. статус идеализации изменился. Опи­раясь на закон сохранения энергии, новое естествозна­ние стало претендовать на описание не только идеали-
166


заций, но и самой природы, включая «потери». Возник­ла новая проблема, и в физику вошла необратимость. Как описать то, что происходит в реальной машине? Как включить в баланс энергии потери? Насколько сни­жают потери кпд реальной машины? Ответы на все эти вопросы проложили путь ко второму началу термоди­намики.
4. От технологии к космологии
Как мы уже знаем, вопрос, поднятый Карно и Клаузиусом, привел к теории идеальных тепловых машин, основанной на сохранении энергии и компенсации. Кро­ме того, стало возможным ставить (и решать) новые проблемы, такие, как диссипация энергии. Уильям Томсон, питавший глубочайшее уважение к работе Фурье, быстро осознал важность этой проблемы и в 1852 г. первым сформулировал второе начало термодинамики.
На теплопроводность, математическую теорию кото­рой построил Фурье, Карно указал как на возможную причину энергетических потерь в тепловом двигателе. Так цикл Карно, уже более не идеальный, а «реальный», стал точкой конвергенции двух универсалий, открытых в XIX в.: превращения энергии и теплопроводности. Со­четание этих двух открытий привело Томсона к форму­лировке его нового принципа: существования в природе универсальной тенденции к деградации механической энергии. Обращаем особое внимание на слово «универ­сальная», перекликающееся со словом «универсум», т. е. весь мир, или Вселенная.
Мир Лапласа был идеальным вечным двигателем. Начиная с Томсона, космология перестает быть только отражением нового идеального теплового двигателя, но и включает последствии необратимого распространения тепла в мире, в котором энергия сохраняется. Этот мир космология Томсопа описывала как машину, в которой тепло превращается в движение лишь ценой определен­ных необратимых потерь и бесполезной диссипации. Со­ответственно уменьшились различия в природе, способ­ные производить механический эффект. Мир использует эти различия при переходе от одного превращения к другому и стремится к конечному состоянию теплового равновесия — «тепловой смерти». В соответствии с за­коном Фурье при достижении миром конечного состоя-
167


ния исчезнут всякие различия в температуре, способные производить механический эффект.
Томсон совершил головокружительный прыжок от технологии тепловой машины к космологии. В своей формулировке второго начала термодинамики он исполь­зовал научную терминологию середины XIX в.: «сохра­нение энергии», «тепловой двигатель», «закон Фурье». Немаловажную роль сыграла и культурная среда, в ко­торой было совершено открытие. Общепризнано, что в XIX в. проблема времени приобрела новое значение. Существенную роль времени начали отмечать во всех областях: в геологии, биологии, языкознании, социоло­гии и этике. Вместе с тем интересно отметить, что та специфическая форма, в которой время вошло в физику, именно как тенденция к однородности и смерти, в боль­шей мере напоминает о древних мифологических и ре­лигиозных архетипах, чем о все нарастающем усложне­нии и многообразии, описываемыми биологией и соци­альными науками. Возвращение этих древних тем мож­но рассматривать как культурный отзвук социальных и экономических сдвигов времени. Быстрая трансфор­мация технологического способа взаимодействия с при­родой, постоянно нарастающий темп изменения, с кото­рым столкнулся XIX век, не могли не вызвать тревогу. Это беспокойство не оставляет и нас и принимает самые различные формы в виде повторяющихся призывов к «нулевому росту» общества или к мораторию на науч­ные исследования до провозглашения «научных истин» относительно нашего распадающегося мира. Современ­ные знания в области астрофизики все еще остаются скудными и во многом проблематичными. Трудность продвижения в этой области физики отчасти обуслов­лена тем, что в астрофизике гравитационные эффекты играют существенную роль и проблемы требуют одно­временного использования термодинамики и теории от­носительности. Тем не менее большинство работ в этой области с удивительным единодушием предсказывает грядущую катастрофу... Одна из последних книг на эту тему рисует такую картину:
«Неприятная истина состоит, по-видимому, в том, что неумолимый распад нашей Вселенной, насколько мы можем судить, неизбежен; организация, охватываю­щая всякую упорядоченную деятельность от людей до галактик, медленно, но неизбежно деградирует и может
168


даже кануть в небытие в результате всеобщего грави­тационного коллапса»14.
Другие более оптимистичны. В превосходной научно-популярной статье об энергии Вселенной Фримен Дайсон пишет следующее:
«Вполне возможно, однако, что жизнь играет более важную роль, чем принято думать. Возможно, что жизни суждено выстоять против всех невзгод, преобразуя мир для собственных целей. И структура неодушевленного мира может оказаться не столь уж далекой от потенциальностей жизни и разума, как имеют обыкновение полагать ученые XX в.»15
Несмотря на существенный прогресс, достигнутый Хокингом и другими исследователями*, наше знание крупномасштабных преобразований во Вселенной все еще остается неадекватным.
5. Рождение энтропии
В 1865 г. настал черед совершить скачок от техно­логии к космологии для Клаузиуса. Сначала он лишь переформулировал свои более ранние выводы, но при этом ввел новое понятие — энтропия. Первоначально Клаузиус намеревался четко разграничить понятия со­хранения и обратимости. В отличие от механических превращений, для которых обратимость и сохранение совпадают, при физико-химическом превращении энер­гия может сохраняться даже в том случае, если преоб­разование необратимо. Это, в частности, относится к трению, когда движение превращается в тепло, или к теплопроводности, описанной Фурье.
Мы уже знакомы с таким понятием, как «энергия». Она является функцией состояния системы, т. е. функ­цией, зависящей только от значений параметров (дав­ления, объема, температуры) , которые однозначно опре-
* Наиболее важные результаты были получены Е. М. Лифшицем, Б. Боннором, Дж. Силком, А. Ю. Дж. Пиблсом, Я. Б. Зельдовичем, А. Г. Дорошкевичем, И. Д. Новиковым, Р. А. Сюняевым, С. Ф. Шандариным и др. С современным состоянием теории крупномасштабной структуры Вселенной читатель может познакомиться по следующим работам: сб. Крупномасштабная структура Вселенной. М., 1981; Зельдович Я. Б. Избранные труды. Частицы, ядра Вселенная. М., 1985, особенно с. 280—283. — Прим. перев.
169


деляют состояние16. Но нам необходимо выйти за рамки закона сохранения энергии и найти способ, позволяющий выразить различие между «полезными» обменами энер­гией в цикле Карно и «диссипированной» энергией, те­ряемой необратимо.
Именно такую возможность и предоставляет введен­ная Клаузиусом новая функция, получившая название «энтропия» и обычно обозначаемая буквой S.
Клаузиус, по-видимому, намеревался лишь записать в новом виде очевидное требование, состоящее в том, что в конце цикла тепловая машина должна возвра­щаться в начальное состояние. В первом определении энтропии основной акцент делался на сохранении: в кон­це каждого цикла, идеального или с потерями, функция состояния системы — энтропия — возвращается к своему начальному значению. Но параллель между энтропией и энергией заканчивается, стоит лишь нам отказаться от принятых идеализаций17
Рассмотрим приращение энтропии dS за короткий интервал времени dt. В случае идеальной и реальной тепловой машины ситуация совершенно различная. В первом случае dS можно полностью выразить через теплообмен между машиной и окружающей средой. Можно поставить специальные опыты, в которых систе­ма будет отдавать тепло вместо того, чтобы поглощать его. Соответствующее приращение энтропии при этом лишь изменит знак. Такую составляющую полного при­ращения энтропии мы обозначим deS. Она обратима в том смысле, что может быть и положительной, и отри­цательной. В реальных машинах мы сталкиваемся с со­вершенно иной ситуацией. В них, ломимо обратимого теплообмена, происходят необратимые процессы: тепло­вые потери, трение и т. д. Они приводят к увеличению энтропии, или производству энтропии, внутри системы. Увеличение энтропии, которое мы обозначим diS, не может изменять знак при обращении теплообмена с внешним миром. Как все необратимые процессы (на­пример, теплопроводность), производство энтропии всег­да происходит в одном и том же направлении. Иначе говоря, величина diS может быть только положительной или обращаться в нуль в отсутствие необратимых про­цессов. Заметим, что положительность diS—вопрос со­глашения: с тем же успехом мы могли бы считать ве­личину diS отрицательной. Важно другое: изменение
170


энтропии монотонно; производство энтропии не может изменять знак во времени.
Выбор обозначений deS и diS призван напоминать читателю, что первый член относится к обмену энерги­ей (по-английски exchange — e) с внешним миром, а второй — к необратимым процессам внутри (по анг­лийски inside — i) системы. Таким образом, полное при­ращение энтропии dS представимо в виде суммы двух членов deS и diS, имеющих различный физический смысл18.
Чтобы понять одну специфическую особенность тако­го разложения приращения энтропии в сумму двух членов, полезно применить наши рассуждения к энергии. Обозначим энергию через Е, и пусть dE — приращение энергии за короткий интервал времени dt. Разумеется, ничто не мешает нам представить dE в виде суммы чле­на deE, описывающего обмен энергией с внешним миром, и члена diE, связанного с «внутренним производством» энергии. Но закон сохранения энергии утверждает, что энергия никогда не «производится», а лишь переносится с одного места на другое. Следовательно, полное при­ращение энергии dE сводится к deE. С другой стороны, если мы возьмем какую-нибудь несохраняющуюся вели­чину, например количество молекул водорода в некото­ром сосуде, то такая величина может изменяться и в результате добавления водорода в сосуд, и вследствие химических реакций, протекающих в сосуде. Знак «про­изводства» несохраняющейся величины заранее не опре­делен. В зависимости от обстоятельств мы можем и про­изводить молекулы водорода, и разрушать их, «отдавая» атомы водорода другим химическим соединениям. Спе­цифическая особенность второго начала состоит в том, что член diS, описывающий производство энтропии, всегда положителен. Производство энтропии отражает необратимые изменения, происходящие внутри системы.
Клаузиусу удалось найти количественное выражение для потока энтропии deS через тепло, поглощаемое (или отдаваемое) системой. В мире, где безраздельно господ­ствуют понятия обратимости и сохранения, вывод такой зависимости имел первостепенное значение. Что же ка­сается необратимых процессов, участвующих в производ­стве энтропии, то Клаузиус смог установить лишь не­равенство diS/dt>0. Но и оно было важным шагом впе­ред, поскольку позволяло проводить различие между
171


потоком энтропии и производством энтропии не только для цикла Kapно, но и для других термодинамических систем. Для изолированной системы, которая ничем не обменивается с окружающей средой, поток энтропии, по определению, равен нулю. Остается лишь член, опи­сывающий производство энтропии, а энтропия системы может только возрастать или оставаться постоянной. В этом случае сам собой отпадает вопрос о необрати­мых изменениях, рассматриваемых как приближение к обратимым изменениям: возрастающая энтропия со­ответствует самопроизвольной, эволюции системы. Энт­ропия становится, таким образом, «показателем эволю­ции», или, по меткому выражению Эддингтона, «стре­лой времени». Для изолированных систем будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии.
Какая система может быть изолирована лучше, чем наша Вселенная? Эта идея легла в основу космологиче­ской формулировки первого и второго начал термоди­намики, предложенной Клаузнусом в 1865 г.:
Die Energie der Welt ist konstant.
Die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu19*.
Утверждение о том, что энтропия изолированной си­стемы возрастает до максимального значения, выходит за рамки той технологической проблемы, решение ко­торой привело к созданию термодинамики. Возрастаю­щая энтропия перестает быть синонимом потерь. Теперь она относится к естественным процессам внутри систе­мы. Под влиянием этих процессов система переходит в термодинамическое «равновесие», соответствующее состоянию с максимумом энтропии.
В главе 1 мы отмечали элемент некоторой неожидан­ности в открытии Ньютоном универсальных законов ди­намики. Когда Сади Карно сформулировал свои законы для идеальных тепловых машин, он не мог даже вообра­зить, что его работа приведет к концептуальной револю­ции в физике.
Обратимые преобразования принадлежат классиче­ской науке в том смысле, что определяют возможность воздействия на систему, управления системой. Динами­ческим объектом можно управлять, варьируя начальные условия. Аналогичным образом термодинамическим

* Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремится к максимуму (нем.). — Прим. перев.
172


объектом, определяемым в терминах обратимых пре­образований, можно управлять, изменяя граничные усло­вия: любая система, находящаяся в состоянии термоди­намического равновесия, при постепенном изменении температуры, объема или давления проходит через се­рию равновесных состояний и при любом обращении производимых над ней манипуляций возвращается в на­чальное состояние. Обратимый характер таких измене­ний и управление объектом через граничные условия— процессы взаимозависимые. С этой точки зрения необра­тимость «отрицательна»: она проявляется в форме не­управляемых изменений, происходящих в тех случаях, когда система выходит из-под контроля. Наоборот, не­обратимые процессы можно рассматривать как последние остатки самопроизвольной внутренней активности, проявляемой природой, когда человек с помощью экс­периментальных устройств пытается обуздать ее.
Таким образом, «отрицательное» свойство — диссипа­ция — показывает, что в отличие от динамических объ­ектов термодинамические объекты управляемы не до конца. Иногда они «выходят из повиновения», претерпе­вая самопроизвольное изменение.
Для термодинамической системы все изменения не эквивалентны. В этом и состоит физический смысл раз­ложения dS=deS+diS. Самопроизвольное изменение diS, направленное к равновесию, отличается от измене­ния deS, определяемого и управляемого варьированием граничных условий (например, температуры окружаю­щей среды). В случае изолированной системы равно­весие выступает в роли притягивающего множества, или «аттрактора», неравновесных состояний. Следова­тельно, наше первоначальное утверждение допускает обобщение: эволюция к состоянию-аттрактору отличает­ся от всех других изменений, в особенности от измене­ний, обусловленных варьированием граничных условий.
Макс Планк часто подчеркивал различие между двумя типами изменений, встречающихся в природе. Природа, писал Планк, по-видимому, отдает «предпочте­ние» определенным состояниям. Необратимое увеличе­ние энтропии diS/dt описывает приближение системы к состоянию, неодолимо «притягивающему» ее, предпочи­таемому ей перед другими, — состоянию, из которого система не выйдет по «доброй воле».
173


«Согласно этому способу выражения, в природе не­возможны те процессы, при которых природа дает мень­шее предпочтение конечному состоянию, чем начально­му. Предельный случай представляет обратимые про­цессы; в них природа испытывает одинаковое предпочте­ние как к начальному, так и к конечному состоянию, и поэтому переход из одного состояния в другое может происходить в обоих направлениях»20.
Сколь чуждым выглядит такой язык по сравнению с языком динамики! В динамике система изменяется вдоль заданной раз и навсегда траектории, не забывая начальную точку (так как начальные условия опреде­ляют всю траекторию при любых значениях времени). В случае же изолированной системы все неравновесные ситуации порождают эволюцию к равновесному состоя­нию одного и того же типа. К моменту достижения рав­новесия система забывает свои начальные условия, т. е. способ, которым она была приготовлена.
Удельная теплоемкость или сжимаемость системы, находящейся в состоянии термодинамического равнове­сия, являются свойствами, не зависящими от того, как была построена система. Это счастливое обстоятельство значительно упрощает исследование физических состоя­ний вещества. Действительно, сложные системы состо­ят из огромного числа частиц*. С точки зрения динами­ки воспроизвести любое состояние такой системы не­возможно из-за бесконечного разнообразия состояний, в которых она может находиться.
Мы сталкиваемся, таким образом, с двумя принци­пиально различными описаниями: динамикой, примени­мой к миру движения, и термодинамикой, наукой о слож­ных системах, наделенных внутренней способностью эволюционировать в сторону увеличения энтропии. Столь резкая противоположность двух описаний немедленно порождает вопрос о том, какая взаимосвязь существует между ними. Эта проблема дискутируется в науке с тех пор, как были сформулированы начала термодинамики.
* В физической химии часто используется число Авогадро, т. е. число молекул в одном «моле» вещества (моль содержит одно и то же число частиц, равное, например числу атомов в одном грамме водорода). Это число 6*1023. Такой же порядок характерен и для числа частиц, образующих системы, описываемые классической тер­модинамикой.
174


6. Принцип порядка Больцмана
Второе начало термодинамики содержит два прин­ципиально важных элемента: 1) «негативный», выра­жающий запрет на некоторые процессы, т. е. их невоз­можность (тепло может распространяться от горячего источника к холодному, но не от холодильника к нагре­вателю); 2) «положительный», конструктивный. Второй элемент является следствием первого: запрет на некото­рые процессы позволяет нам ввести функцию (энтро­пию), монотонно возрастающую для изолированных си­стем. Энтропия ведет себя как аттрактор для изолиро­ванных систем.
Каким образом положения термодинамики можно было бы совместить с динамикой? В конце XIX в. боль­шинство ученых, по всей видимости, склонны были ду­мать, что термодинамика несовместима с динамикой. Принципы термодинамики были новыми законами, за­кладывающими фундамент новой науки, не сводимой к традиционной физике. Качественное многообразие энергии и присущую ей тенденцию к диссипации прихо­дилось принимать как новые аксиомы. Таким был аргу­мент, выдвигаемый «энергетистами» в противовес «атомистам», упорно не желавшим отказаться от выполне­ния программы, в которой они усматривали высшую миссию физики — сведение сложности явлений природы к простоте поведения элементарных структурных еди­ниц, выражаемого законами движения.
Проблемы перехода от микроскопического уровня к макроскопическому оказались необычайно плодотвор­ными для физики в целом. Первым вызов принял Больцман. Тонкая физическая интуиция подсказывала ему, что необходимо выработать какие-то новые понятия, ко­торые позволили бы обобщить физику траекторий, рас­пространив ее на системы, описываемые термодинами­кой. Следуя по стопам Максвелла, Больцман принялся искать концептуальные новации в теории вероятности.
В самой идее о том, что вероятность могла бы играть определенную роль в описании сложных явлений, ничего удивительного не было: у Максвелла она, по-видимому, зародилась под влиянием трудов Кетле, который первым ввел в социологию понятие «среднего» человека. Нова­цией было введение вероятности в физику не как сред­ства аппроксимации, а как объясняющего принципа, ис-
175


пользование ее для демонстрации нового типа поведе­ния систем, состоящих из огромного числа частиц: на­личие большой популяции позволяло применять правила теории вероятностей.
Рассмотрим один простой пример применения поня­тия вероятности в физике. Предположим, что ансамбль из N частиц находится в ящике, разделенном на два равных отделения. Требуется найти вероятность различ­ных распределений частиц между отделениями, т. е. найти вероятность обнаружить N1 частиц в первом от­делении (и N2=N—N1 частиц во втором).
Комбинаторный анализ позволяет легко сосчитать число способов, которыми получается каждое из раз­личных распределений N частиц. Например, при N=8 поместить восемь частиц в одну половину ящика можно лишь одним способом. Но если предположить, как это делается в классической физике, что все частицы раз­личимы, то поместить одну частицу в одном отделении, а остальные семь — в другом отделении ящика можно восемью различными способами. Распределить восемь частиц поровну между двумя половинами ящика можно 8!/4!4!=70 различными способами (где n! = 1?2?3... ? (п—1) ?n). Аналогичным образом при любом N можно указать число Р способов, которыми можно получить любое заданное распределение (N1, N2), или, как при­нято говорить в физике, комплексов. Оно определяется выражением P=N!/N1N2!.
Чем больше число комплексов в любом ансамбле частиц, тем меньше отличаются между собой числа N1 и N2. Число комплексов максимально, когда частицы поровну распределены между двумя отделениями ящи­ка. Кроме того, чем больше N, тем больше отличаются между собой числа комплексов, соответствующие раз­личным распределениям. При значениях N порядка 1023, достижимых в макроскопических системах, подавляю­щее большинство распределений соответствует случаю N1=N2=N/2. Следовательно, для систем, состоящих из большого числа частиц, все состояния, отличающиеся от состояния, которое соответствует равномерному рас­пределению, маловероятны.
Больцман первым понял, что необратимое возраста­ние энтропии можно было бы рассматривать как про­явление все увеличивающегося молекулярного хаоса, постепенного забывания любой начальной асимметрии,
176


поскольку асимметрия приводит к уменьшению числа комплексов по сравнению с состоянием, отвечающим максимальному значению Р. Придя к такому выводу, Больцман решил отождествить энтропию S с числом комплексов: каждое макроскопическое состояние энтро­пия характеризует числом способов, которым оно может быть достигнуто. Знаменитое соотношение Больцмана S=klnP* выражает ту же идею количественно. Коэффи­циент пропорциональности k в этой форме — универ­сальная постоянная, известная под названием «постоян­ная Больцмана».
Результаты Больцмана означают, что необратимое термодинамическое изменение есть изменение в сторону более вероятных состояний и что состояние-аттрактор есть макроскопическое состояние, соответствующее мак­симуму вероятности. Такие выводы уводят нас далеко за пределы физики Ньютона. Впервые интерпретация физического понятия была дана в терминах вероятности. Полезность больцмановской интерпретации непосред­ственно очевидна. Вероятность позволяет адекватно объ­яснить, почему система забывает любую начальную асимметрию, детали любого конкретного распределения (например, какие частицы были первоначально сосре­доточены в данной подобласти системы, или распреде­ление скоростей, возникшее при смешении двух газов с различными температурами). Забывание начальных условий возможно потому, что, как бы ни эволюциони­ровала система, она в конечном счете перейдет в одно из микроскопических состояний, соответствующих мак­роскопическому состоянию хаоса и максимальной сим­метрии, поскольку именно такие макроскопические со­стояния составляют подавляющее большинство всех возможных микроскопических состояний. Коль скоро наиболее вероятное состояние достигнуто, система от­клоняется от него лишь на небольшие расстояния и на короткие промежутки времени. Иначе говоря, система лишь флуктуирует около состояния-аттрактора.
Из принципа порядка Больцмапа следует, что наибо­лее вероятным состоянием, достижимым для системы, является такое, в котором события, происходящие в си-
* Логарифм в этом выражении свидетельствует о том, что энтро­пия — величина аддитивная (S1+2=S1+S2), тогда как число комплек­сов Р мультипликативно (P1+2=P1?P2).
177


стеме одновременно, статистически взаимно компенси­руются. Каково бы ни было начальное распределение в нашем первом примере, эволюция системы в конечном счете приведет к равномерному распределению N1=N2. По достижении этого состояния необратимая макро­скопическая эволюция системы завершается. Разумеет­ся, частицы будут по-прежнему переходить из одной половины ящика в другую, но в среднем в любой мо­мент времени число частиц, движущихся в одном на­правлении, будет совпадать с числом частиц, движу­щихся в противоположном направлении. В результате движение частиц способно вызывать лишь малые, короткоживущие флуктуации вблизи равновесного состоя­ния N1=N2. Таким образом, вероятностная интерпре­тация Больцмана позволяет понять специфическую осо­бенность аттрактора, изучаемого равновесной термоди­намикой.
На этом история не заканчивается, и всю третью часть нашей книги мы посвятим более подробному об­суждению затронутого круга проблем, а пока ограни­чимся несколькими замечаниями. В классической (и, как мы увидим в дальнейшем, квантовой) механике все определяется в терминах начальных состояний и зако­нов движения. Каким же образом в описание природы входит вероятность? Обычно, отвечая на этот вопрос, ссылаются на то, что мы не знаем с абсолютной точно­стью динамическое состояние системы. Это — субъек­тивистская интерпретация энтропии. Такая интерпрета­ция была бы приемлема, если бы необратимые процессы мы рассматривали лишь как досадные помехи, соответ­ствующие трению, или, более общо, как потери при функционировании тепловых машин. Но ныне ситуация изменилась. Как мы увидим, необратимым процессам отводится важнейшая конструктивная роль: так, без них была бы невозможна жизнь. Все это делает субъекти­вистскую интерпретацию весьма спорной. В какой мере допустимо считать, что мы сами являемся результатом неполноты собственного знания, следствием того, что нашему наблюдению доступны лишь макроскопические состояния?
И в термодинамике, и в ее вероятностной интерпре­тации возникает асимметрия во времени: энтропия воз­растает в направлении будущего, но не прошлого. Если мы рассматриваем динамические уравнения, инвариант-
178


ные относительно обращения времени, то такая асим­метрия представляется невозможной. Как мы увидим в дальнейшем, второе начало термодинамики представ­ляет собой принцип отбора, совместимый с динамикой, но не выводимый из нее. Второе начало ограничивает возможные начальные условия, доступные для динами­ческой системы. Следовательно, второе начало термо­динамики знаменует радикальный отход от механисти­ческого мира классической или квантовой механики. Но вернемся к работам Больцмана.
До сих пор мы рассматривали изолированные систе­мы, в которых число частиц и полная энергия заданы граничными условиями. Но объяснение Больцмана до­пускает обобщение на открытые системы, взаимодей­ствующие с окружающей средой. В замкнутой системе, определяемой граничными условиями так, что ее темпе­ратура Т поддерживается постоянной за счет теплооб­мена с окружающей средой, равновесие соответствует не максимуму энтропии, а минимуму аналогичной функ­ции, получившей название свободной энергии: F=E—TS, где Е — энергия системы, Т — ее температура по так на­зываемой шкале Кельвина (точка замерзания воды со­ответствует 273 °К, а точка кипения 373 °К).
Соотношение F=E—TS означает, что равновесие есть результат конкуренции между энергией и энтропией, а температура выступает в роли множителя, определяю­щего относительный вес этих двух факторов. При низ­ких температурах перевес на стороне энергии, и мы на­блюдаем образование таких упорядоченных (с малой энтропией) и низкоэнергетических структур, как кри­сталлы. Каждая молекула внутри таких структур взаи­модействует со своими соседями, и их кинетическая энергия мала по сравнению с потенциальной энергией, обусловленной взаимодействиями между соседними мо­лекулами. Каждая молекула как бы скована взаимо­действием со своими соседями. При высоких темпера­турах доминирует энтропия и в системе устанавлива­ется молекулярный хаос. Важность относительного движения возрастает, и регулярность в строении кри­сталла нарушается: по мере увеличения температуры вещество переходит сначала в жидкое, а затем в газо­образное состояние.
Энтропия S изолированной системы и свободная энергия системы при заданной температуре являются
179


примерами так называемых термодинамических потен­циалов. Экстремумы (т. е. максимумы и минимумы) термодинамических потенциалов, в том числе S и F, задают состояния-аттракторы, к которым самопроизволь­но стремится система, если ее граничные условия соот­ветствуют определениям потенциалов.
Принцип порядка Больцмана может быть использо­ван и при исследовании сосуществования структур (на­пример, жидкой и твердой фаз) или равновесия между кристаллизовавшимся продуктом и тем же продуктом в растворе. Не следует, однако, забывать о том, что равновесные структуры определены на молекулярном уровне. Взаимодействие между молекулами на расстоя­нии порядка 10-8 см, т. е. порядка диаметра атомов в молекулах, делает устойчивой структуру кристаллов и наделяет их макроскопическими свойствами. С другой стороны, размеры кристалла не являются внутренним свойством структуры. Они зависят от того, какое коли­чество вещества находится в кристаллической фазе при равновесии.

7. Карно и Дарвин
Равновесная термодинамика позволяет удовлетвори­тельно объяснить огромное число физико-химических явлений. Тем не менее уместно спросить, охватывает ли понятие равновесной структуры все те различные струк­туры, с которыми мы сталкиваемся в природе. Ясно, что ответ на подобный вопрос может быть только отри­цательным.
Равновесные структуры можно рассматривать как результат статистической компенсации активности мик­роскопических элементов (молекул, атомов). На гло­бальном уровне равновесные структуры, по определе­нию, инертны. По той же причине они «бессмертны»: коль скоро равновесная структура образовалась, ее мож­но изолировать и поддерживать бесконечно долго без дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Но при изучении биологической клетки или города мы стал­киваемся с совершенно другой ситуацией: эти системы не только открыты, но и существуют только потому, что они открыты. Их питают потоки вещества и энергии, которые поступают из внешнего мира. Мы можем изо­лировать кристалл, но если города и клетки отрезать от окружающей среды, они погибнут. Последние явля-
180


ются неотъемлемой составной частью того мира, из ко­торого они черпают необходимые для себя «питатель­ные вещества», и их невозможно изолировать от пото­ков, которые они безостановочно перерабатывают.
Но не только живая природа глубоко чужда моделям термодинамического равновесия. Обмен веществом и энергией с окружающей средой происходит также во многих гидродинамических явлениях и в химических реакциях.
Трудно понять, каким образом принцип порядка Больцмана может быть применен во всех таких случа­ях. То, что с течением времени система становится более однородной, в терминах комплексов интерпретируется вполне естественно: в состоянии однородности, когда забыты «различия», созданные начальными условиями, число комплексов максимально. Но решительно невоз­можно понять, оставаясь в рамках такого рода пред­ставлений, спонтанное возникновение конвекции. Конвективное течение требует когерентности, согласованного поведения огромного числа молекул. Это — противо­положность хаоса, привилегированное состояние, кото­рому может соответствовать лишь сравнительно неболь­шое число комплексов. По терминологии Больцмана, конвективное течение — пример «невероятного» состоя­ния. Но если конвекцию надлежит считать «чудом», то что в таком случае говорить о жизни в ее многочислен­ных проявлениях и в высшей степеней специфических особенностях даже в случае простейших организмов?
Вопрос о том, в какой мере равновесные модели со­ответствуют действительности, допускает обращение. Чтобы возникло равновесие, систему необходимо «защи­тить», «заэкранировать» от потоков, образующих в сво­ей совокупности природу. Система должна быть «за­паяна» в консервную банку или помещена в стеклянный сосуд, как гомункулус в гётевском «Фаусте», обращаю­щийся к создавшему его алхимику со следующими сло­вами:
Прижми к груди свое дитя!
Но — бережно, чтоб не разбилась склянка.
Вот неизбежная вещей изнанка:
Природному Вселенная тесна,
Искусственному же замкнутость нужна!*
* Гёте И. В. Фауст, часть II. Сцена в лаборатории Вагнера (nepев. Б. Пастернака).
181


В привычном нам мире равновесие — состояние редкое и весьма хрупкое. Даже эволюция к состоянию равно­весия возможна в мире, очень похожем на наш и нахо­дящемся на достаточном удалении от Солнца, чтобы имело смысл говорить по крайней мере о частичной изоляции системы (при температуре Солнца систему вряд ли разумно считать заключенной в «консервную банку»), но в то же время таком, в котором правилом является отсутствие равновесия, «тепличном» мире, где равновесие и неравновесие сосуществуют.
Однако на протяжении довольно длительного перио­да времени физики считали, что инертная структура кристаллов — единственный предсказуемый и воспроизво­димый физический порядок, а приближение к равнове­сию — единственный тип эволюции, выводимый из фун­даментальных законов физики. Любая попытка экстра­поляции за пределы термодинамического описания была направлена на то, чтобы определить редкий и непред­сказуемый тип эволюции, описанием которого занима­ются биология и социальные науки. Как, например, со­вместить дарвиновскую эволюцию (статистический отбор редких событий) со статистическим исчезновением всех индивидуальных особенностей, всех редких событий, о котором говорит Больцман? Роже Кэллуа поставил вопрос так: «Могут ли и Карно и Дарвин быть правы?»21
Интересно отметить, насколько близок по существу дарвиновский подход к пути, избранному Болъцманом. Вполне возможно, что в данном случае речь идет не просто о внешнем сходстве. Известно, что Больцман с восхищением воспринял идеи Дарвина. По теории Дарвина, сначала происходят спонтанные флуктуации видов, после чего вступает в силу отбор и начинается необратимая биологическая эволюция. Как и у Больц­мана, случайность приводит к необратимости. Однако результат эволюции у Дарвина оказывается иным, чем у Больцмана. Интерпретация Больцмана влечет за со­бой забывание начальных условий, «разрушение» на­чальных структур, тогда как дарвиновская эволюция ассоциируется с самоорганизацией, с неуклонно возра­стающей сложностью.
Резюмируя сказанное, мы можем утверждать, что равновесная термодинамика была первым ответом фи­зики на проблему сложности природы. Этот ответ полу­чил свое выражение в терминах диссипации энергии,
182


забывания начальных условий и эволюции к хаосу. Клас­сической динамике, науке о вечных, обратимых траек­ториях были чужды проблемы, стоявшие перед XIX в., в которых главная роль отводились понятию эволюции. Равновесная термодинамика оказались в состоянии про­тивопоставить свое представление о времени представ­лениям других наук: с точки зрения термодинамики время означает деградацию и смерть. Как мы знаем, еще Дидро задавал вопрос: где именно вписываемся в инертный мир, подчиняющийся законам динамики, мы, организованные существа, наделенные способностью воспринимать ощущения? Существует и другой вопрос, над которым человечество билось более ста лет: какое значение имеет эволюция живых существ в мире, опи­сываемом термодинамикой и все более беспорядочном? Какова связь между термодинамическим временем, обра­щенным к равновесию, и временем, в котором происхо­дит эволюция ко все возрастающей сложности?
Был ли прав Бергсон? Верно ли, что время есть либо само по себе средство инновации, либо вообще ничто?





183


Глава 5. ТРИ ЭТАПА В РАЗВИТИИ ТЕРМОДИНАМИКИ
1. Поток и сила
Вернемся еще раз1 к изложению второго начала тер­модинамики, приведенному в предыдущей главе. Цент­ральную роль в описании эволюции играет понятие эн­тропии. Как мы уже знаем, приращение энтропии допус­кает разложение в сумму двух членов: члена deS, свя­занного с обменом между системой и остальным миром, и члена diS, описывающего производство энтропии вслед­ствие необратимых процессов внутри системы. Второй член всегда положителен, за исключением термодинами­ческого равновесия, когда он обращается в нуль. Для изолированной системы (deS=0) состояние равновесия соответствует состоянию с максимумом энтропии.
Для того чтобы по достоинству оценить значение вто­рого начала для физики, нам понадобится более подроб­ное описание различных необратимых явлений, участ­вующих в производстве энтропии diS или в производстве энтропии за единицу времени diS/dt.
Особый интерес для нас представляют химические реакции. Вместе с теплопроводностью они являются про­тотипами необратимых процессов. Помимо того что они важны сами по себе, химические процессы играют пер­востепенную роль в биологии. В живых клетках идет не прекращающаяся ни на миг метаболическая деятель­ность. Тысячи химических реакций происходят одновре­менно для того, чтобы клетка могла получить необходи­мые питательные вещества, синтезировать специфиче­ские биомолекулы и удалить ненужные отходы. Скоро­сти различных реакций так же, как и те места внутри клетки, где они протекают, вся химическая активность клетки строго координированы. Таким образом, биоло-
184


гическая структура сочетает в себе порядок и актив­ность. В отличие от живых структур состояние равнове­сия остается инертным, даже если оно наделено струк­турой, как, например, в случае кристалла. Могут ли хи­мические процессы дать нам ключ к постижению разли­чия между поведением кристалла и клетки?
Прежде чем ответить на этот вопрос, нам придется рассмотреть химические реакции с двоякой точки зре­ния: и с кинетической, и с термодинамической.
С точки зрения кинетики важнейшей величиной явля­ется скорость реакции. Классическая теория химической кинетики исходит из допущения, согласно которому ско­рость химической реакции пропорциональна концентра­циям веществ, участвующих в реакции. Действительно, реакция происходит в результате столкновений между молекулами, поэтому совершенно естественно предполо­жить, что число столкновений пропорционально произве­дению концентраций реагирующих молекул.
Рассмотрим в качестве примера следующую простую реакцию: A+X®B+Y. Такая запись («уравнение реак­ции») означает, что всякий раз, когда молекула реаген­та А сталкивается с молекулой реагента X (A и Х — ис­ходные вещества), с определенной вероятностью проис­ходит реакция, в результате которой образуется одна мо­лекула вещества В и одна молекула вещества Y (В и Y — продукты реакции). Столкновение, при котором мо­лекулы подвергаются столь сильной перестройке, назы­вается эффективным. Обычно эффективные столкновения составляют лишь очень малую долю (например, 1/106) от общего числа столкновений. В большинстве случаев молекулы при столкновениях сохраняют свое тождество и лишь обмениваются энергией.
Химическая кинетика занимается изучением измене­ний концентрации различных веществ, участвующих в реакции. Эти изменения кинетика описывает с помощью дифференциальных уравнений — так же, как механика описывает движение ньютоновскими уравнениями. Но в химической кинетике мы вычисляем не ускорения, а ско­рости изменения концентраций, и эти скорости представимы в виде некоторых функций от концентраций реа­гентов. Например, скорость изменения концентрации X*,
* Авторы обозначают концентрации веществ теми же буквами, что и сами вещества. — Прим. перев.
185


Т. е. производная dX/dt, пропорциональна произведению концентраций A и X в реакционной смеси, т. е. dX/dt= =—kAX, где k — коэффициент пропорциональности, за­висящий от таких величин, как температура и давление, и служащий мерой доли эффективных столкновений, при­водящих к реакции A+Х®В+Y. Поскольку в нашем примере всякий раз, когда исчезает одна молекула ве­щества X, исчезает также одна молекула вещества А и образуется по одной молекуле веществ В и Y, скорости изменения концентраций реагентов связаны соотноше­ниями: dX/dt = dA/dt = —dY/dt = —dB/dt.
Но если столкновение молекул Х и А может «запус­тить» химическую реакцию, то столкновение молекул В и Y может привести к обратной реакции. Это означает, что внутри описываемой химической системы может происходить вторая реакция: Y+B®X+A, которая при­водит к дополнительному изменению концентрации X: dX/dt=k'YB. Полное изменение концентрации реагента определяется балансом между прямой и обратной реак­циями. В нашем примере dX/dt=(—dY/dt=...)=—kAX+ +k'YB.
Будучи предоставленной самой себе, система, в кото­рой происходят химические реакции, стремится к состоя­нию химического равновесия. Именно поэтому химиче­ское равновесие можно считать типичным примером со­стояния-аттрактора. Каков бы ни был ее начальный со­став, система самопроизвольно достигает этой конечной стадии, в которой прямые и обратные реакции статисти­чески компенсируют друг друга, и поэтому дальнейшее суммарное изменение концентрации любого реагента прекращается (dX/dt=0). В нашем примере из полной компенсации прямой и обратной реакций следует, что равновесные концентрации удовлетворяют соотношению AX/YB=k'/k=K. Оно известно под названием «закона действия масс», или закона Гульдберга—Вааге (К — константа равновесия). Определяемое законом действия масс соотношение концентраций соответствует химиче­скому равновесию так же, как равномерность темпера­туры (в случае изолированной системы) соответствует тепловому равновесию. Соответствующее производство энтропии равно нулю.
Прежде чем перейти к термодинамическому описанию химических реакций, рассмотрим кратко один дополни­тельный аспект кинетического описания. Скорость хими-
186


ческой реакции зависит не только от концентраций ре­агирующих молекул и термодинамических параметров (например, от давления и температуры). Сказывается на ней и присутствие в системе химических веществ, влияющих на реакцию, но остающихся в итоге неизмен­ными. Такого рода вещества называются катализатора­ми. Катализаторы могут, например, изменить значения констант реакций k или k' и даже заставить систему пойти по другому пути реакции. В биологии роль катализа­торов играют специфические протеины — ферменты. Эти макромолекулы обладают пространственной конфигура­цией, позволяющей им изменять скорость реакции. Фер­менты часто бывают высокоспецифичными и влияют лишь на одну реакцию. Возможный механизм каталити­ческого действия ферментов состоит в следующем. В мо­лекуле ферментов имеются места, обладающие повышен­ной «реакционной способностью». Молекулы других ве­ществ, участвующих в реакции, стремятся присоединить­ся к активным участкам молекулы фермента. Тем самым повышается вероятность их столкновения, а следователь­но, и инициации химической реакции.
Весьма важным типом каталитических процессов (особенно в биологии) являются так называемые автока­талитические реакции, в которых для синтеза некоторо­го вещества требуется присутствие этого же вещества. Иначе говоря, чтобы получить в результате реакции ве­щество X, мы должны начать с системы, содержащей Х с самого начала. Например, очень часто молекула Х ак­тивирует фермент: присоединяясь к молекуле фермента, Х стабилизирует такую конфигурацию, которая делает легкодоступными активные участки. Автокаталитическим процессам соответствуют схемы реакций типа А+2Х->3Х (в присутствии молекул Х одна молекула А пре­вращается в одну молекулу X). Иначе говоря, нам необходимо иметь X, чтобы произвести еще X. Графически автокаталитическне реакции принято изображать с по­мощью реакционной петли:


Важная особенность систем с такими реакционными петлями состоит в том, что кинетические уравнения, ко-
187


Рис. 3. На этом графике представлены пути реакций для «брюсселятора» (более подробно «брюсселятор» описан в тексте).
торые описывают происходящие в них изменения, явля­ются нелинейными дифференциальными уравнениями.
Если мы применим тот же метод, то для реакции A+2X®ЗX получим кинетическое уравнение dX/dt=КАХ2, т. е. скорость изменения концентрации вещест­ва Х окажется пропорциональной квадрату его концен­трации.
Другой весьма важный класс каталитических реак­ций в биологии — так называемый кросс-катализ — пред­ставлен для системы 2X+Y®3X, B+X®Y+D на рис. 3.
В данном случае мы действительно имеем дело с кросс-катализом (т. е. «перекрестным катализом»), по­скольку из Y получается X, а из Х одновременно полу­чается Y. Катализ не обязательно увеличивает скорость реакции. Он может и замедлять, или ингибировать, ее. Графически это также изображается с помощью соот­ветствующих петель обратной связи.
Характерные математические особенности нелиней­ных дифференциальных уравнений, описывающих хими­ческие реакции с каталитическими стадиями, как мы убе­димся в дальнейшем, имеют жизненно важное значение для термодинамики сильно неравновесных химических процессов. Кроме того, как мы уже упоминали, биолога­ми установлено, что петли обратной связи играют весь­ма существенную роль в метаболических функциях. На­пример, взаимосвязь между нуклеиновыми кислотами и протеинами может быть описана как кросс-катализ: нуклеиновые кислоты являются носителями информа­ции, необходимой для синтеза протеинов, а протеины в свою очередь синтезируют нуклеиновые кислоты.
Помимо скоростей химических реакций, необходимо также учитывать скорости других необратимых процес-
188


сов, таких, как перенос тепла и диффузия вещества. Ско­рости необратимых процессов называются также пото­ками и обозначаются буквой J. Общей теории, которая давала бы скорости, или потоки, не существует. В хи­мических реакциях скорость зависит от молекулярного механизма, в чем нетрудно убедиться на уже приведен­ных примерах. Термодинамика необратимых процессов вводит величины еще одного типа: помимо скоростей или потоков J, она использует обобщенные силы X, т. е. «причины», вызывающие потоки. Простейшим примером может служить теплопроводность. Закон Фурье утверж­дает, что поток тепла J пропорционален градиенту тем­пературы. Следовательно, градиент температуры есть та «сила», которая создает поток тепла. По определению, и поток и силы в состоянии теплового равновесия равны нулю. Как мы увидим в дальнейшем, производство эн­тропии P=diS/dt может быть вычислено по потоку и силам.
Рассмотрим определение обобщенной силы в случае химической реакции. Для простоты обратимся снова к реакции A+X®Y+B. Как мы уже знаем, в случае рав­новесия соотношение концентраций определяется зако­ном действия масс. Теофил де Донде показал, что в ка­честве «химической силы» можно ввести сродство A, определяющее направление протекания химической ре­акции так же, как градиент температуры определяет на­правление теплового потока. В рассматриваемом нами случае сродство пропорционально lnKBY/AX, где К — константа равновесия. Непосредственно видно, что срод­ство A обращается в нуль при достижении равновесия, где по закону действия масс AX/BY=K. Если мы станем выводить систему из равновесия, то сродство (по абсо­лютной величине) возрастет. В этом нетрудно убедить­ся, если исключить из системы некоторую долю моле­кул В по мере их образования в ходе реакции. Можно сказать, что сродство служит мерой расстояния между фактическим состоянием системы и ее равновесным со­стоянием. Кроме того, как мы упоминали, знак сродст­ва определяет направление химической реакции. Если сродство A положительно, то молекул В и Y «слишком много» и суммарная реакция идет в направлении B+Y®A+X. И, наоборот, если сродство A отрицательно, то молекул В и Y «слишком мало» и суммарная реак­ция идет в обратном направлении.
189


Сродство в том смысле, в каком мы его определили, является уточненным вариантом старинного сродства, о которой писали еще алхимики, стремившиеся разо­браться в способности химических веществ вступать в одни и не вступать в другие реакции, т. е. в «симпати­ях» и «антипатиях» молекул. Идея о том, что химическая активность не сводима к механическим траекториям, к невозмутимому господству динамических законов, под­черкивалась с самого начала. Мы уже приводили обшир­ную выдержку из Дидро. Позднее Ницше по другому поводу заметил, что смешно говорить о «химических за­конах», как будто химические вещества подчиняются за­конам, аналогичным законам морали. В химии, утверж­дал Ницше, не существует ограничений и каждое ве­щество вольно поступать как ему «вздумается». Речь идет не об «уважении», питаемом одним веществом к другому, а о силовой борьбе, о непрестанном подчинении слабого сильному2. Химическое равновесие с обращаю­щимся в нуль сродством соответствует разрешению это­го конфликта. С этой точки зрения специфичность тер­модинамического сродства перефразирует на современ­ном языке старую проблему3 — проблему различия между скованным жесткими нормами безразличным миром динамических законов и миром спонтанной про­дуктивной активности, которому принадлежат химиче­ские реакции.
Нельзя не отметить принципиальное концептуальное различие между физикой и химией. В классической фи­зике мы можем по крайней мере представлять себе об­ратимые процессы, такие, как движение маятника без трения. Пренебрежение необратимыми процессами в ди­намике всегда соответствует идеализации, но по край­ней мере в некоторых случаях эта идеализация разумна. В химии все обстоит совершенно иначе. Процессы, изу­чением которых она занимается (химические превраще­ния, характеризуемые скоростями реакций), необрати­мы. По этой причине химию невозможно свести к лежа­щей в основе классической или квантовой механики идеализации, в которой прошлое и будущее играют эк­вивалентные роли.
Как и следовало ожидать, все необратимые процес­сы сопровождаются производством энтропии. Каждый из них входит в diS в виде произведения скорости, или по­тока J и соответствующей силы X. Полное производство
190


энтропии в единицу времени P=diS/dt равно сумме всех таких вкладов, каждый из которых имеет вид произве­дения JX.
Термодинамику можно разделить на три большие области, изучение которых соответствует трем последо­вательным этапам в развитии термодинамики. В равно­весной области производство энтропии, потоки и силы равны нулю. В слабо неравновесной области, где термо­динамические силы «слабы», потоки Jk линейно зависят от сил. Наконец, третья область называется сильно не­равновесной, или нелинейной, потому, что в ней потоки являются, вообще говоря, более сложными функциями сил. Охарактеризуем сначала некоторые общие особен­ности линейной термодинамики, характерные для слабо неравновесных систем.
2. Линейная термодинамика
В 1931 г. Ларс Онсагер открыл первые общие соотно­шения неравновесной термодинамики в линейной, слабо неравновесной области. Это были знаменитые «соотно­шения взаимности». Суть их чисто качественно сводится к следующему: если сила «один» (например, градиент температуры) для слабо неравновесных ситуаций воз­действует на поток «два» (например, на диффузию), то сила «два» (градиент концентрации) воздействует на поток «один» (поток тепла). Соотношения взаимности неоднократно подвергались экспериментальной провер­ке. Например, всякий раз, когда градиент температуры индуцирует диффузию вещества, мы обнаруживаем, что градиент концентрации вызывает поток тепла через си­стему.
Следует особо подчеркнуть, что соотношения Онсагера носят общий характер. Несущественно, например, про­исходят ли необратимые процессы в газообразной, жид­кой или твердой среде. Соотношения взаимности выпол­няются независимо от допущений относительно агрегат­ного состояния вещества.
Соотношения взаимности Онсагера были первым зна­чительным результатом в термодинамике необратимых процессов. Они показали, что предмет этой новой нау­ки не некая плохо определенная «ничейная» земля, а за­служивает внимания ничуть не меньше, чем предмет тра-
191


диционной равновесной термодинамики, не уступая по­следнему в плодотворности. Если равновесная термоди­намика была достижением XIX в., то неравновесная тер­модинамика возникла и развивалась в XX в. Вывод со­отношений взаимности Онсагера ознаменовал сдвиг ин­тересов от равновесных явлений к неравновесным.
Нельзя не упомянуть и о втором общем результате линейной неравновесной термодинамики. Нам уже при­ходилось говорить о термодинамических потенциалах, экстремумы которых соответствуют состояниям равнове­сия, к которому необратимо стремится термодинамиче­ская эволюция. Для изолированной системы потенциа­лом является энтропия S, для замкнутой системы с за­данной температурой — свободная энергия F. Термоди­намика слабо неравновесных систем также вводит свой термодинамический потенциал. Весьма интересно, что та­ким потенциалом является само производство энтро­пии Р. Действительно, теорема о минимуме производст­ва энтропии утверждает, что в области применимости соотношений Онсагера, т. е. в линейной области, система эволюционирует к стационарному состоянию, характери­зуемому минимальным производством энтропии, совмес­тимым с наложенными на систему связями. Эти связи определяются граничными условиями. Например, может возникнуть необходимость поддерживать две точки си­стемы при заданных различных температурах или орга­низовать поток, который бы непрерывно подводил в ре­акционную зону исходные вещества и удалял продукты реакции.
Стационарное состояние, к которому эволюциониру­ет система, заведомо является неравновесным состояни­ем, в котором диссипативные процессы происходят с не­нулевыми скоростями. Но поскольку это состояние ста­ционарно, все величины, описывающие систему (такие, как температура, концентрации), перестают в нем зави­сеть от времени. Не зависит от времени в стационарном состоянии и энтропия системы. Но тогда изменение эн­тропии во времени становится равным нулю: dS=0. Как мы уже знаем, полное приращение энтропии состоит из двух членов: потока энтропии deS и положительного про­изводства энтропии diS; поэтому из равенства dS==0 следует, что deS=—diS<0. Поступающий из окружаю­щей среды поток тепла или вещества определяет отрица­тельный поток энтропии deS, который компенсируется
192


производством энтропии diS из-за наобратимых процес­сов внутри системы. Отрицательный поток энтропии deS означает, что система поставляет энтропию внешне­му миру. Следовательно, в стационарном состоянии ак­тивность системы непрерывно увеличивает энтропию ок­ружающей среды. Все сказанное верно для любых ста­ционарных состояний. Но теорема о минимуме производ­ства энтропии утверждает нечто большее: то выделенное стационарное состояние, к которому стремится система, отличается тем, что в нем перенос энтропии в окружаю­щую среду настолько мал, насколько это позволяют на­ложенные на систему граничные условия. В этом смысле равновесное состояние соответствует тому частному слу­чаю, когда граничные условия допускают исчезающе ма­лое производство энтропии. Иначе говоря, теорема о ми­нимуме производства энтропии выражает своеобразную «инерцию» системы: когда граничные условия мешают системе перейти в состояние равновесия, она делает лучшее из того, что ей остается, — переходит в состояние энтропии, т. е. в состояние, которое настолько близко к состоянию равновесия, насколько это позволяют обстоя­тельства.
Таким образом, линейная термодинамика описывает стабильное, предсказуемое поведение систем, стремящих­ся к минимальному уровню активности, совместимому с питающими их потоками. Из того, что линейная нерав­новесная термодинамика так же, как и равновесная тер­модинамика, допускает описание с помощью потенциала, а именно производства энтропии, следует, что и при эво­люции к равновесию, и при эволюции к стационарному состоянию система «забывает» начальные условия. Ка­ковы бы ни были начальные условия, система рано или поздно перейдет в состояние, определяемое граничными условиями. В результате реакция такой системы на лю­бое изменение граничных условий становится предска­зуемой.
Мы видим, что в линейной области ситуация остает­ся, по существу, такой же, как и в равновесной. Хотя производство энтропии не обращается в нуль, оно тем не менее не мешает необратимому изменению отождест­вляться с эволюцией к состоянию, полностью выводимо­му из общих законов. Такое «становление» неизбежно приводит к уничтожению любого различия, любой спе­цифичности. Карно или Дарвин? Парадокс, на который
193


мы обратили внимание в гл. 4, остается в силе. Между появлением естественных организованных форм, с одной стороны, и тенденцией к «забыванию» начальных усло­вий наряду с возникающей при этом дезорганизацией — с другой, все еще существует зияющая брешь.
3. Вдали от равновесия
У истоков нелинейной термодинамики лежит нечто совершенно удивительное, факт, который на первый взгляд легко принять за неудачу: несмотря на все по­пытки, обобщение теоремы о минимуме производства энтропии для систем, в которых потоки уже не являются более линейными функциями сил, оказалось невозмож­ным. Вдали от равновесия система по-прежнему может эволюционировать к некоторому стационарному состоя­нию, но это состояние, вообще говоря, уже не опреде­ляется с помощью надлежаще выбранного потенциала (аналогичного производству энтропии для слабо нерав­новесных состояний).
Отсутствие потенциальной функции ставит перед на­ми вопрос: что можно сказать относительно устойчиво­сти состояний, к которым эволюционирует система? Действительно, до тех пор пока состояние-аттрактор оп­ределяется минимумом потенциала (например, производ­ство энтропии), его устойчивость гарантирована. Прав­да, флуктуация может вывести системы из этого мини­мума. Но тогда второе начало термодинамики вынудит систему вернуться в исходный минимум. Таким образом, существование термодинамического потенциала делает систему «невосприимчивой» к флуктуациям. Располагая потенциалом, мы описываем «стабильный мир», в кото­ром системы, эволюционируя, переходят в статичное со­стояние, установленное для них раз и навсегда.
Но когда термодинамические силы, действуя на си­стему, становятся достаточно «большими» и вынуждают ее покинуть линейную область, гарантировать устойчи­вость стационарного состояния или его независимость от флуктуации было бы опрометчиво. За пределами линей­ной области устойчивость уже не является следствием общих законов физики. Необходимо специально изучать, каким образом стационарное состояние реагирует на раз­личные типы флуктуации, создаваемых системой или окружающей средой. В некоторых случаях анализ при-
194


водит к выводу, что состояние неустойчиво. В таких со­стояниях определенные флуктуации вместо того, чтобы затухать, усиливаются и завладевают всей системой, вынуждая ее эволюционировать к новому режиму, кото­рый может быть качественно отличным от стационарных состояний, соответствующих минимуму производства энтропии.
Термодинамика позволяет высказать исходное общее заключение относительно систем, в поведении которых могут обнаружиться отклонения от того типа порядка, который диктуется равновесным состоянием. Такие си­стемы должны быть сильно неравновесными. В тех слу­чаях, когда возможна неустойчивость, необходимо ука­зать порог, расстояние от равновесия, за которым флук­туации могут приводить к новому режиму, отличному от «нормального» устойчивого поведения, характерного для равновесных или слабо неравновесных систем.
Чем такой вывод интересен?
Такого рода явления хорошо известны в гидродина­мике — теории течений. Например, давно известно, что при определенной скорости ламинарное течение может смениться турбулентным. По свидетельству Мишеля Серра4, древние атомисты уделяли турбулентному тече­нию столь большое внимание, что турбулентность с пол­ным основанием можно считать основным источником вдохновения физики Лукреция. Иногда, писал Лукреций, в самое неопределенное время и в самых неожиданных местах вечное и всеобщее падение атомов испытывает слабое отклонение — «клинамен». Возникающий вихрь дает начало миру, всем вещам в природе. «Клинамен», спонтанное непредсказуемое отклонение, нередко под­вергали критике как одно из наиболее уязвимых мест в физике Лукреция, как нечто, введенное ad hoc. В действительности же верно обратное: «клинамен» представляет собой попытку объяснить такие явления, как потеря устойчивости ламинарным течением и его спонтанный переход в турбулентное течение. Современ­ные специалисты по гидродинамике проверяют устойчи­вость течения жидкости, вводя возмущение, выражаю­щее влияние молекулярного хаоса, который накладыва­ется на среднее течение. Не так уж далеко мы ушли от «клинамена» Лукреция!
Долгое время турбулентность отождествлялась с хао­сом или шумом. Сегодня мы знаем, что это не так. Хотя
195


в макроскопическом масштабе турбулентное течение ка­жется совершенно беспорядочным, или хаотическим, в микроскопическом масштабе оно высокоорганизованно. Множество пространственных и временных масштабов, на которых разыгрывается турбулентность, соответствует когерентному поведению миллионов и миллионов моле­кул. С этой точки зрения переход от ламинарного тече­ния к турбулентности является процессом самоорганиза­ции. Часть энергии системы, которая в ламинарном те­чении находилась в тепловом движении молекул, перехо­дит в макроскопическое организованное движение.
Еще одним поразительным примером неустойчивости стационарного состояния, приводящей к явлению спон­танной самоорганизации, может служить так называе­мая неустойчивость Бенара. Она возникает в горизон­тальном слое жидкости с вертикальным градиентом тем­пературы. Нижняя поверхность слоя жидкости нагрева­ется до заданной температуры, более высокой, чем тем­пература верхней поверхности. При таких граничных ус­ловиях в слое жидкости устанавливается стационарный поток тепла, идущий снизу вверх. Когда приложенный градиент температуры достигает некоторого порогового значения, состояние покоя жидкости (стационарное со­стояние, в котором перенос тепла осуществляется толь­ко с помощью теплопроводности, без конвекции) стано­вится неустойчивым. Возникает конвекция, соответст­вующая когерентному, т. е. согласованному, движению ансамблей молекул; при этом перенос тепла увеличива­ется. Следовательно, при заданных связях (величине градиента температуры) производство энтропии в систе­ме возрастает, что противоречит теореме о минимуме производства энтропии. Неустойчивость Бенара — явле­ние весьма впечатляющее. Конвективное движение жид­кости порождает сложную пространственную организа­цию системы. Миллионы молекул движутся согласован­но, образуя конвективные ячейки в форме правильных шестиугольников некоторого характерного размера.
В гл. 4 мы ввели принцип порядка Больцмана, уста­навливающий связь энтропии с вероятностью (числом комплексов Р). Применимо ли это соотношение в дан­ном случае? Каждому распределению скоростей молекул соответствует некоторое число комплексов. Оно показы­вает, сколькими способами мы можем реализовать тре­буемое распределение скоростей, придавая каждой мо-
196


лекуле некоторую скорость. Все рассуждения аналогич­ны приведенным в гл. 4 при подсчете числа комплексов как функции от распределения молекул между двумя отделениями ящика. В случае неустойчивости Бенара число комплексов также велико в случае хаоса, т. е. значительного разброса скоростей. Наоборот, когерент­ное движение означает, что многие молекулы движутся почти с одинаковыми скоростями (разброс скоростей мал). Такому распределению соответствует столь малое число комплексов Р, что вероятность возникновения са­моорганизации почти равна пулю. И все же самооргани­зация происходит! Мы видим, таким образом, что под­счет числа комплексов, исходящий из гипотезы об апри­орном равнораспределении вероятностей молекулярных состояний, приводит к неверным выводам. То, что он не соответствует истинному положению вещей, становится особенно заметным, если мы обратимся к происхожде­нию нового режима. В случае неустойчивости Бенара это — флуктуация, микроскопическое конвективное тече­ние, которое, если верить принципу порядка Больцмана, обречено на вырождение, но вопреки ему усиливается и завладевает всей системой. Таким образом, за критиче­ским значением приложенного градиента спонтанно ус­танавливается новый молекулярный порядок. Он соот­ветствует гигантской флуктуации, стабилизируемой об­меном энергией с внешним миром.
В сильно неравновесных условиях понятие вероятно­сти, лежащее в основе больцмановского принципа по­рядка, становится неприменимым: наблюдаемые струк­туры не соответствуют максимуму комплексов. Не соот­ветствует максимум комплексов и минимуму свободной энергии F=E—TS. Тенденция к выравниванию и «забы­ванию» начальных условий перестает быть общей тен­денцией. В этом смысле старая проблема происхожде­ния жизни предстает в ином свете. Заведомо ясно, что жизнь несовместима с принципом порядка Больцмана, но не противоречит тому типу поведения, который уста­навливается в сильно неравновесных условиях.
Классическая термодинамика приводит к понятию равновесной структуры, примером которой может слу­жить любой кристалл. Ячейки Бенара также представ­ляют собой структуры, но совершенно иной природы. Именно поэтому мы ввели новое понятие — диссипативная структура, чтобы подчеркнуть тесную и на первый
197


взгляд парадоксальную взаимосвязь, существующую в таких ситуациях, с одной стороны, между структурой и порядком, а с другой — между диссипацией, или потеря­ми. В гл. 4 мы видели, что в классической термодинами­ке тепловой поток считался источником потерь. В ячей­ке Бенара тепловой поток становится источником по­рядка.
Таким образом, взаимодействие системы с внешним миром, ее погружение в неравновесные условия может стать исходным пунктом в формировании новых динами­ческих состояний — диссипативных структур. Диссипативная структура отвечает некоторой форме супермоле­кулярной организации. Хотя параметры, описывающие кристаллические структуры, могут быть выведены из свойств образующих их молекул, и в частности из радиу­са действия сил взаимного притяжения и отталкивания, ячейки Бенара, как и все диссипативные структуры, по существу, отражают глобальную ситуацию в порождаю­щей их неравновесной системе. Описывающие их пара­метры макроскопические — порядка не 10-8см (как рас­стояния между молекулами в кристалле), а нескольких сантиметров. Временные масштабы также другие: они соответствуют не молекулярным масштабам (напри­мер, периодам колебаний отдельных молекул, т. е. по­рядка 10-15с), а макроскопическим, т. е. секундам, ми­нутам или часам.
Но вернемся к химическим реакциям. Они обладают некоторыми весьма важными отличиями от проблемы Бенара. В ячейке Бенара неустойчивость имеет простое механическое происхождение. Когда мы нагреваем жид­кость снизу, нижний слой жидкости становится менее плотным и центр тяжести перемещается вверх. Неудиви­тельно поэтому, что за критической точкой система «оп­рокидывается» и возникает конвекция.
Химические системы не обладают такого рода меха­ническими свойствами. Можно ли ожидать явления са­моорганизации в химических системах? Мысленно мы представляем себе химические реакции так: во всех на­правлениях в пространстве несутся молекулы веществ и случайным образом сталкиваются. В такой картине не остается места для самоорганизации, и, быть может, в этом заключается одна из причин, по которым химиче­ские неустойчивости лишь недавно начали привлекать внимание исследователей. Имеется и еще одно отличие.
198


Рис. 4. Каталитические петли соответствуют нелинейным чле­нам. В задаче с одной независимой переменной нелинейность озна­чает, что имеется по крайней мере один член, содержащий незави­симую переменную в степени выше 1. В этом простейшем случае нетрудно проследить за тем, какая связь существует между нелиней­ными членами и потенциальной неустойчивостью стационарных со­стояний.
Предположим, что для независимой переменной Х выполняется эволюционное уравнение dX/dt=f(X). Функцию f(X) всегда можно разложить в разность двух функций: f+(X), соответствующую при­были («наработке» вещества), и f-(X), соответствующую убытку (расходу вещества), каждая из которых положительна или равна 0, т. е. представить в виде f(X)=f+(X)—f-(X). Стационарные состоя­ния dX/dt=0 соответствуют значениям X, при которых f+(X)=f-(X).
Равенство f+(X)=f-(X) означает, что стационарные состояния можно найти, построив точки пересечения графиков функций f+ и f-. Если f+ и f- линейны, то их графики могут пересекаться только в одной точке. В противном случае характер пересечения позволяет сделать выводы об устойчивости соответствующего стационарного состояния.
Возможны следующие четыре случая:
SI. Стационарное состояние устойчиво относительно отрицатель­ных флуктуации и неустойчиво относительно положительных флук­туации. Если систему слегка отклонить влево от SI, то положитель­ная разность между f+ и f- вынудит систему вернуться в SI. Если же систему отклонить вправо от SI, то отклонение будет нарастать.
SS. Стационарное состояние устойчиво как относительно поло­жительных, так и относительно отрицательных флуктуации.
IS. Стационарное состояние устойчиво только относительно по­ложительных флуктуаций.
II. Стационарное состояние неустойчиво как относительно поло­жительных, так и относительно отрицательных флуктуаций.
199

<< Пред. стр.

страница 4
(всего 11)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign