Концепції сучасного природознавства - Бобильов Ю.П. - 1.2. "Порядок з хаосу"

Закони механіки Ньютона строго інваріантні, незмінні щодо зміни знака часу: заміна +t на -t нічого в них не змінює. Тому й говорять, що механіка оборотна, – якщо ми абсолютно точно задамо початкові координати й імпульси частинок, то можемо довідатися про яке завгодно далеке минуле і про будь-яке далеке майбутнє системи. Не біда, що ми не здатні зробити це практично (жоден комп'ютер не впорається з таким завданням), головне, що ми можемо це зробити теоретично.

У світі І. Ньютона всі події раз і назавжди визначені, це світ строгого детермінізму, у якому немає місця випадковостям. А от відповідно до другого принципу термодинаміки в ізольованій системі всі процеси протікають тільки в одному напрямку – у бік підвищення ентропії, зростання хаосу, що супроводжується розсіюванням, знецінюванням енергії. Так завжди й відбувається на практиці: сама собою промениста енергія полум'я свічки може тільки безповоротно розсіюватися в просторі. Однак чи можна цей принцип обґрунтувати теоретично?

Обґрунтувати яке-небудь явище теоретично – значить вивести його з якомога загальніших законів природи, прийнятих за основу наукової картини світу. Такими законами по праву вважаються закони механіки Ньютона, і тому проблема формулюється в такий спосіб: як можна вивести необоротність термодинаміки з оборотності механіки?

Уперше цю проблему намагався вирішити в другій половин: минулого століття Л. Больцман. Він звернув увагу на те, що термодинамічна необоротність має сенс тільки для великої кількості частинок: якщо частинок мало, то система виявляється фактично оборотною. Для того щоб погодити мікроскопічну оборотність: макроскопічною необоротністю, Больцман використав імовірнісний опис системи часток (це так звана Н-теорема) і одержав бажаний результат.

Однак незабаром було показано, що вже сам по собі імовірнісний опис у неявному вигляді містить уявлення про існування "стріли часу", і тому доказ Больцмана не можна вважати коректним розв'язанням проблеми. І взагалі існування "стріли часу" може бути тільки самостійним постулатом, тому що означає порушення симетрії розв'язків рівнянь руху. Але яка фізична реальність відповідає такому постулату? Виходить так, що з оборотної механіки можна вивести тільки оборотну термодинаміку (яка допускає можливість "вічного двигуна" другого роду), або необоротну термодинаміку можна вивести тільки з необоротної механіки (яка допускає можливість "вічного двигуна" першого роду).

Цікаво, що обидві ці можливості дійсно були випробувані. Сам Больцман прийшов до висновку, що весь нескінченний Всесвіт у цілому оборотний, а наш світ являє собою за космічними мірками мікроскопічну флуктуацію. А в середині XX ст. пулковський астроном Н. О. Козирєв спробував створити необоротну механіку, у якій "стріла часу" має характер фізичної реальності і служить джерелом енергії зірок. Але точка зору Больцмана допускає можливість порушення причинності в окремих досить великих ділянках Всесвіту, а точка зору Козирєва вводить в опис природи деяку особливу фізичну сутність, подібну "життєвій силі".

1.2. "Порядок з хаосу"

Так називається відома книга Нобелівського лауреата І. Р. Пригожина, написана ним у співавторстві з істориком науки І. Стенгерс. Ця назва буквально двома словами характеризує суть досліджень, розпочатих цим чудовим ученим у п'ятдесяті роки XX ст. і завершених створенням особливої, нерівноважної термодинаміки.

Класична термодинаміка, яку Больцман намагався обґрунтувати за допомогою класичної ж механіки, описує тільки поведінку строго ізольованих систем, близьких до стану термодинамічної рівноваги, що відхиляються від нього лише в межах чисто статистичних флуктуацій. У таких системах можуть відбуватися тільки процеси деструктивного характеру, що супроводжуються неухильним зростанням ентропії.

Однак повсюдно в природі спостерігаються і процеси самоорганізації речовини, спонтанного виникнення з хаосу нерівноважних, так званих дисипативних структур. Найбільш яскравими прикладами подібних процесів можуть служити явища самозародження життя і біологічної еволюції. Чи означає це, що в деяких випадках другий принцип термодинаміки може порушуватися?

Гостра дискусія на цю тему тривала багато років і, зрештою, завершилася перемогою прихильників суворого дотримання фундаментальних законів природи. Але при цьому було зроблено ряд істотних уточнень, що стосуються не самих законів, а меж їхньої застосовності до реальних систем. Тобто не самої структури наукової мови, а смислу використовуваних у ній слів.

Наприклад, ревізії довелося піддати зміст поняття "хаос". Хаос, що панує в рівноважних системах, носить сугубо статистичний характер, і ми говоримо лише про імовірність відхилення системи від стану рівноваги. Реакція такої системи на той чи інший збурювальний вплив лінійна – вона прямо пропорційна збурювальній силі і прагне повернути систему до колишнього стану.

Так, якщо по гладенькій трубі з невеликою швидкістю тече рідина, то в ній випадково виникають малі завихрення, але ці завихрення самі собою гасяться, і в цілому потік залишається упорядкованим, ламінарним. Але якщо система дуже нерівноважна, тобто має значний надлишок вільної енергії, то в ній може виникати хаос особливого роду, який називається динамічним; реакція такої системи на збурювальні впливи нелінійна і може бути як завгодно великою при як завгодно малому первинному збурюванні. Так, якщо швидкість руху рідини по трубі перевищує деяку критичну величину, то найменша неоднорідність потоку негайно призведе до катастрофічного перетворення ламінарного потоку в невпорядкований, турбулентний.

Однак динамічний хаос хороший тим, що за зовні абсолютно непередбачуваною поведінкою системи криється строгий детермінізм – усі процеси, що відбуваються в ній, можна математично розрахувати з будь-якою необхідною точністю. Ще одна особливість такого хаосу полягає в тому, що він може служити джерелом самозародження строго впорядкованих структур. Наприклад, у турбулентному потоці можуть виникати стійкі вихри – подібні вихри (так звану "доріжку Кармана") можна спостерігати за човном, який швидко пливе.