Головна | Про нас | Зворотній зв'язок
Складні системи в хімії. Нерівноважні системи. Еволюція і її особливості. Від термодинаміки закритих систем до синергетики. Гіпотеза народження матерії
Складні системи в хімії
На хімію в XX столітті покладалося багато надій, аж до проголошення в СРСР гасла: «Комунізм - це радянська влада плюс електрифікація всієї країни і хімізація народного господарства». Підвищення врожайності сільськогосподарських культур завдяки застосуванню мінеральних добрив і отрутохімікатів дало можливість говорити про «зеленої революції», але це ж призвело до забруднення грунтів і самих продуктів, що виробляються, так що в більшій ціні виявилися продукти, вирощені «без хімії». У промисловості нові хімічні речовини дали можливість істотно збагатити виробничий потенціал, а й це спричинило за собою негативні екологічні наслідки, так як більшість нових хімічних речовин не засвоювався природним середовищем і таким чином теж ставало її забруднювачами. Хімія знайшла широке застосування в побуті, зокрема, в косметиці (з'явився вираз «зробити хімію»), що також мало свою зворотну екологічну сторону.
Але в даному розділі нас цікавить те, як хімія зі свого боку підійшла до вивчення складних систем. Визначним досягненням хімії стало те, що вона відкрила так звані ланцюгові реакції ще до того, як у фізиці був виявлений радіоактивний розпад.
Суть ланцюгової реакції H. H. Семенов описує так: «Енергії кванта достатньо для того, щоб двухатомная молекула хлору розпалася на окремі атоми. Кожен з них активніше початкової молекули і тому легко вступає в реакцію з молекулою водню. Вона також двоатомний. Один з її атомів разом з атомом хлору дає молекулу продукту - хлористого водню, а інший атом водню залишається вільний. Тепер він легко вступає в реакцію з найближчої молекулою хлору, утворюючи другу молекулу хлористого водню і окремий атом хлору. Це повторюється багато-багато разів, виникає як би довгий ланцюг реакцій »(І. Пригожин. Короткий мить торжества.- М. 1989. - С. 13).
Радянському вченому H. H. Семенову належало відкрити розгалужені ланцюгові реакції. «Я вже зараз не пам'ятаю добре, коли у мене промайнула думка, що реакція окислення фосфору відрізняється від реакції хлору з воднем. Не пам'ятаю, як мені прийшла в голову головна думка, що в ході цієї реакції утворюються не звичайні молекули пятиокиси фосфору, а молекули порушені - мають надлишкову енергію, що і є причиною випускання світла при з'єднанні фосфору з киснем. Але іноді збуджена молекула пятиокиси фосфору може зіткнутися з неактивною молекулою кисню, ще не встигнувши випустити світло. Тоді ця надлишкова енергія викликає розщеплення кисневої молекули на активні атоми, кожен з яких, в свою чергу, починає Боден-штейновскую пряму ланцюг реакції окислення фосфорних випарів »(Там же. - С. 13-14).
Теорія розгалужених ланцюгових реакцій дала початок новому напрямку досліджень - хімічної фізики, дисципліни, проміжної між фізикою і хімією.
У хімії були також відкриті коливальні реакції, що отримали назву «хімічних годин». «Адже, що, справді, відбувається? Основа колебательной реакції - наявність двох типів молекул, здатних перетворюватися один в одного. Назвемо один з них А (червоні молекули), інший - В (сині). Ми звикли думати, що хімічна реакція - це хаотичні, що відбуваються навмання зіткнення частинок. За цією логікою взаємні перетворення А і В повинні призводити до усередненого кольору розчину з випадковими спалахами червоного і синього. Але коли умови далекі від рівноважних, відбувається зовсім інше: розчин в цілому стає червоним, потім синім, потім знову червоним. Виходить, ніби молекули як би встановлюють зв'язок між собою на великих, макроскопічних відстанях через великі, макроскопічні відрізки часу. З'являється щось схоже на сигнал, за яким усі А чи все В реагують разом. Така поведінка традиційно приписувалося тільки живому - тепер же ясно, що воно можливе і у систем порівняно простих, неживих »(Там же. - С. 313-314).
Відмінності нерівноважної структури від рівноважної полягає в наступному:
1. Система реагує на зовнішні умови (гравітаційне поле і т. П.).
2. Поведінка випадково і не залежить від початкових умов, але залежить від передісторії,
3. Приплив енергії створює в системі порядок, і стало бути ентропія її зменшується.
4. Наявність біфуркації - переломною точки в розвитку системи.
5. Когерентність: система веде себе як єдине ціле і як якщо б вона була вмістилищем дальнодействующих сил (така гіпотеза присутній у фізиці). Незважаючи на те, що сили молекулярної взаємодії є короткодіючими (діють на відстанях порядку 10 -8 см), система структурується так, як якщо б кожна молекула була «поінформована» про стан системи в цілому.
Розрізняють також області равновесности і нерівноважності, в яких може перебувати система. Її поведінка при цьому істотно змінюється, що можна представити в таблиці:
5. Фундаментальна невизначеність поведінки системи.
5. Поведінка системи, визначають лінійні залежності.
Будучи залишена наодинці із собою, за відсутності доступу енергії ззовні, система прагне до стану рівноваги - найбільш вірогідного стану, що досягається при ентропії, яка дорівнює нулю. Приклад рівноважної структури - кристал.
До такого рівноважного стану відповідно до другого початку термодинаміки приходять все закриті системи, т. Е. Системи, які не одержують енергії ззовні. Протилежні за типом системи звуться відкритих.
Вивчення нерівноважних станів дозволяє дійти спільних висновків щодо еволюції в неживій природі від хаосу до порядку.
Еволюція і її особливості
Поняття хаосу на противагу поняттю космосу було відомо древнім грекам. Пригожий і Стенгерс називають хаотичними все системи, які призводять до незвідністю поданням в термінах ймовірностей. Іншими словами, такі системи не можна описати однозначно детерміністичного, т. Е. Знаючи стан системи в даний момент, точно передбачити, що з нею буде в момент наступний.
«Екстраполяція динамічного опису. має наочний образ - демон, вигаданий Лапласом і володіє здатністю, сприйнявши в будь-який даний момент часу положення і швидкість кожної частинки у Всесвіті, прозрівати її еволюцію як в майбутньому, так і в минулому. У контексті класичної динаміки детерминистическое опис може бути недосяжним на практиці, проте воно залишається межею, до якого повинна сходитися послідовність все більш точних описів »(І. Пригожин, І. Стенгерс. Порядок з хаоса.- М. 1986.- С. 124).
Хаотична поведінка непередбачувано в принципі. Незворотність, ймовірність і випадковість стають об'єктивними властивостями хаотичних систем на макрорівні, а не тільки на мікрорівні, як було встановлено в квантовій механіці.
«Моделі, розглядом яких займалася класична фізика, відповідають, як ми зараз розуміємо, лише граничним ситуацій. Їх можна створити штучно, помістивши систему в ящик і почекавши, поки вона не прийде в стан рівноваги. Штучне може бути детермінованим і оборотним. Природне ж неодмінно містить елементи випадковості і незворотності. Матерія - паче не пасивна субстанція, описувана в рамках механістичної картини світу, їй також властива спонтанна активність »(Там же. - С. 50)
Еволюція повинна задовольняти трьом вимогам: 1) незворотність, що виражається в порушенні симетрії між минулим і майбутнім; 2) необхідність введення поняття «подія»; 3) деякі події повинні мати здатність змінювати хід еволюції.
Умови формування нових структур: 1) відкритість системи; 2) її перебування далеко від рівноваги; 3) наявність флуктуації.
Чим складніше система, тим більш численні типи флуктуації, що загрожують її стійкості. Але в складних системах існують зв'язки між різними частинами. Від результату конкуренції між стійкістю, яка забезпечується зв'язком, і нестійкістю через флуктуації, залежить поріг стійкості системи.
Перевершивши цей поріг, система потрапляє в критичний стан, зване точкою біфуркації. У ній система стає нестійкою щодо флуктуацій і може перейти до нової області стійкості, т. Е. До утворення нової речовини. Система як би коливається перед вибором одного з кількох шляхів еволюції. Невелика флуктуація може послужити в цій точці початком еволюції в зовсім новому напрямку, який різко змінить все її поведінку. Це і є подія.
У точці біфуркації випадковість підштовхує те, що залишається від системи, на новий шлях розвитку, а після того, як один з багатьох можливих варіантів обраний, знову вступає в силу детермінізм - і так до наступної точки біфуркації. У долі системи випадковість і необхідність взаємно доповнюють один одного.
На думку Пригожина і Стенгерс, більшість систем відкриті - вони обмінюються енергією або речовиною або інформацією з навколишнім середовищем. Чільну роль у навколишньому світі відіграють не порядок, стабільність і рівновагу, а нестійкість і неравновесность, т. Е. Все системи невпинно флуктуіруют. В особливій точки біфуркації флуктуація досягає такої сили, що організація системи не витримує і руйнується, і принципово неможливо передбачити: чи стане стан системи хаотичним або вона перейде на новий, більш диференційований і високий рівень впорядкованості, який вони назвали дисипативної структурою. Нові структури називаються диссипативними, тому що для їх підтримки потрібно більше енергії, ніж для підтримки більш простих структур, на зміну яким вони приходять.
Дисипативні структури існують лише остільки, оскільки система диссипирует (розсіює) енергію і, отже, виробляє ентропію. З енергії виникає порядок із збільшенням загальної ентропії. Таким чином, ентропія - не просто невпинне зісковзування системи до стану, позбавленому будь-якої було організації (як думали прихильники «теплової смерті» Всесвіту), а при певних умовах стає прародителькою порядку.
З одними і тими ж граничними умовами виявляються сумісними безліч різних дисипативних структур. Це - наслідок нелінійного характеру сильно нерівноважних ситуацій. Малі відмінності можуть привести до великомасштабних наслідків. Отже, граничні умови необхідні, але не достатні для пояснення причин виникнення структури. Необхідно також враховувати реальні процеси, що призводять до «вибору» однією з можливих структур. Саме тому (а також в силу деяких інших причин) ми і приписуємо таким системам певну «автономію», або «самоорганізацію».
Дослідження, про які щойно йшлося, проводяться в рамках науки, що отримала назву синергетики.