5.6 Упорядоченность и хаос в природе
В природе существуют условия возникновения хаотичности в эволюции для абсолютного большинства физических, химических, биологических структур. Поэтому предсказать однозначную эволюцию системы невозможно. Возникновение этих условий связано с неустойчивостью движения системы. А неустойчивой может быть только открытая система, способная обмениваться энергией с окружающей средой.
Открытые системы с внешним возмущением описываются нелинейными математическими уравнениями, в которые входят переменные в степени выше первой (линейные). Нелинейность системы физически означает, что это ее реакция не прямо пропорциональна величине возмущения, как это имеет место в случае законов Гука и Ома, когда деформация прямо пропорциональна силе, а ток - напряжению.
В нелинейных системах физические свойства зависят от состояния системы. Поскольку реальные природные системы нелинейны, то в них возможно появление состояния, в котором эволюция системы приобретает вероятностный характер. Но если в природе что-то “возможно”, то оно почти неминуемо рано или поздно возникает. Такие состояния в современной физике получили название “детерминированного хаоса”, т.е. определяющего. Они возникают вследствие того, что нелинейные системы обладают свойством из одного исходного состояния эволюционизировать по-разному, “выбирать” различные пути развития. Пучок расхождения путей (траекторий) носит название “станный аттратор” (от лат. attrachtere - привлекать). Набор сходящихся путей - аттратор. Точки ветвления путей - называютсябифуркациями(рис.5.15.).
Рис. 5.15. Нелинейные системы.
Бифукации характерны тем, что даже малое возмущение может круто изменить направление эволюции. Например, при нагреве жидкости в сосуде за счет перепада температур на дне его и у поверхности жидкости возникает конвективный теплообмен. Возникнув, конвективный поток сразу усиливается. Так возникает хаотическая картина конвективных струй. Налицо - возмущение - нагрев и гравитационное поле; вначале при малом нагреве обеспечивается порядок в виде плавного распределения температур по закону Био-Фуре q = qradt, где q - тепловой поток; qradt - градиент температуры.
По мере увеличения температуры нагрева сосуда тепло передается жидкости по другому закону - закону Ньютона q = a (Tcт- То) , где- коэффициент теплоотдачи между жидкой средой и поверхностью сосуда; Tcт - температура поверхности стенок; То- температура жидкости.
Усиливается диссипация (рассеяние) энергии, идет процесс кипения жидкости. Как следствие, возникает состояние детерминированного хаоса.
В технике также наблюдаются случаи срыва “порядка” в хаосе. Например, при проектировании пружин материал и условия работы подбираются так, что все упругие напряжения в них заведомо и намного ниже критических. Тем не менее пружины ломаются. На практике это объясняется либо браком в структуре металла, либо эмпирическим законом “усталости” металла. На самом деле , “усталость” - это смена упорядоченного состояния металла на неупорядоченное; режим переменных нагрузок постоянно генерирует дефекты, т.е. локальные нарушения порядка. Случайное скопление дефектов и приводит к появлению точки ветвления в эволюции пружины - она ломается.
Наличие хаотических, вероятностных этапов доказано и для эволюции биологических систем. Природа в целом нелинейна, т.е. состоит из открытых систем, в которых всегда есть возможность появления хаотического состояния.
Физической характеристикой меры неупорядоченности, хаотичности является энтропия. Понятие энтропии, используемое в термодинамике, было изложено в п.5.5.
Статистический смысл энтропии состоит в том, что она пропорциональна числу возможных микросостояний, реализующих данное макросостояние, т.е. S=klnW, где k = 1,3810-23Дж/к - коэффициент пропорциональности (постоянная Больцмана); W - статистическая вероятность состояния (термодинамическая вероятность данного макросостояния).
Это утверждение составляет суть 2-го закона термодинамики, определяющего направление протекания процессов в замкнутых системах. Объективное противоречие между вторым законом термодинамики и высокой ступенью упорядоченности объектов биосферы и техносферы означает, что принцип возрастания энтропии имеет ограниченную область действия в природе. Всем реальным системам живой и неживой природы наряду с хаотичностью свойственно упорядочение, самоорганизация.