На главную 46. Термодинамика необратимых процессов И.Пригожина и её основные понятия.
Около сорока лет назад И. Пригожин пришел к убеждению, что такое явление как флуктуация (спонтанное отклонение от некоторого среднего макроскопического поведения системы) не случайно и имеет свой смысл в физическом мире. А смысл этот таков. Новая структура или организация всегда является результатом неустойчивости, которая, в свою очередь, возникает как следствие флуктуации.
До недавнего времени наука вполне обходилась равновесной термодинамикой, описывающей состояния, близкие к равновесию. Но в подобных системах самоорганизация невозможна. Термодинамика необратимых процессов снимает запреты на эволюцию химических систем в направлении их упорядочения, налагаемые термодинамикой Р. Клаузиуса и Л. Больцмана. По мнению Пригожина, самоорганизация возможна в открытых системах, находящихся в состояниях, далеких от равновесия, и, следовательно, неустойчивых. Именно неустойчивость (или, как говорит Пригожин, нестабильность) является источником порядка и самоорганизации, обусловливая постоянное стремление системы к самообновлению.
К такого типа химическим реакциям, в ходе которых обнаруживается явление самообновления и самоорганизации, относится реакция Белоусова – Жаботинского. Создается впечатление, что молекулы, находящиеся в разных частях раствора, могут каким-то образом “общаться” друг с другом. Химическая система ведет себя как такое целое, которое существует за счет когерентности (согласованности) “коллективной стратегии поведения” ее частей. Недаром Пригожин называет открытие этой колебательной реакции “одним из важнейших экспериментов нашего времени”.
Пригожин объясняет поведение реакции Белоусова – Жаботинского (и других самоорганизующихся процессов) следующим образом. При критических значениях управляющих параметров система “теряет свой иммунитет к возмущениям”, становится крайне неустойчивой, и если эти возмущения (например, химические реакции с нелинейными стадиями, в частности, автокатализ) оказываются достаточно сильными, то система достигает точки бифуркации (bifurcus – разветвление), в которой отклик системы на возмущение становится неоднозначным, возврат к начальным условиям не обязательным. В точке бифуркации система имеет возможность перейти из неустойчивого в одно из нескольких дискретных устойчивых состояний с более высокой степенью организованности, упорядоченности, которое Пригожин назвал диссипативной (т.е. образованной за счет диссипации, рассеяния энергии) структурой. Физические или химические структуры получили название диссипативных потому, что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят.
Таким образом, точка бифуркации обозначает еще и границу, за которой невозможно ожидать однозначного поведения системы. В ней мы не можем предсказать заранее, каков тот новый “эволюционный канал”, по которому будет происходить развитие: все будет зависеть от того, какие случайные факторы будут действовать на систему в момент перехода. Иначе говоря, дальнейшее развитие будет направляться не столько предысторией системы (прошлым), сколько той неопределенностью (случайностью), которая неизбежно присутствует в настоящем.
Посредством понятия бифуркации Пригожин, по его собственному выражению, ввел в физику и химию время и историю. Он считал пересмотр концепции времени в науке важнейшим следствием нового научного подхода, в основу которого положено понятие необратимости. Время, по его мнению, выступает смысловым центром всей парадигмы самоорганизации. Точкой отсчета для Пригожина является убеждение в том, что теоретическое описание, в котором прошлое и будущее играют одинаковую роль (динамическое описание) применимо не ко всем явлениям. В необратимых процессах, прототипами которых, в первую очередь, являются химические реакции, симметрия между прошлым и будущим нарушается – здесь господствует эволюция. Общность эволюционной парадигмы достаточно велика. Она охватывает и изолированные системы, эволюционирующие в сторону однородности, и открытые системы, эволюционирующие к все более высоким формам сложности.
Термодинамику необратимых процессов можно квалифицировать как начало нового уровня научного познания природы. Для химии он означает открытие путей в область самоорганизующихся систем, доказательство принципиальной возможности самоорганизации как условия химической эволюции. Не случайно именно особенности поведения необычных химических процессов (колебательных, периодических) инициировали разработку математического аппарата неравновесной термодинамики. “Нелинейная термодинамика, – пишут Г. Николис и И. Пригожин, – является по существу термодинамикой химических реакций”