Критическая масса. Как одни явления порождают другие - Филип Болл

Сказанное вовсе не означает, что термодинамика — теоретически точная, но практически бесполезная наука. Наоборот, она исключительно важна именно в своих практических применениях, так как позволяет понять и предсказать направления возможных изменений и условия, при коуорых эти изменения произойдут, — например, термодинамика объясняет, почему вода на уровне моря замерзает именно при О °С. Законами равновесной термодинамики ученые пользуются при расчете множества процессов, начиная с генерирования энергии в живых клетках и кончая формированием минералов в коре Земли или тепловыделением персонального компьютера. Однако при этом равновесная термодинамика остается ограниченной наукой и не может ничего поведать о сильно неравновесных процессах, в частности, таких, в которых возникают и растут новые формы.

Название настоящей главы автор позаимствовал из книги, которая, безусловно, может быть отнесена к научной классике и заслуживает места на книжной полке рядом с такими знаменитыми произведениями, как Происхождение видов Ч. Дарвина, Математические начала натуральной философии И. Ньютона и Элементарный курс химии А. Лавуазье. Однако в отличие от перечисленных книг, каждая из которых стала фундаментом целой науки (современной биологии, физики и химии соответственно), странная и эклектичная книга О росте и форме, написанная шотландцем д’Арси Вентвортом Томпсоном, не стала основанием новой науки, но с момента ее выхода в 1917 году она служила путеводной нитью для нескольких поколений ученых, осознающих, что мы живем в удивительно красивом мире, большая часть закономерностей которого остается нам пока недоступной.

В своей работе Томпсон (1860-1948) выступал против доминировавшей тогда в науке тенденции (впрочем, остающейся почти неизменной и в наши дни) объяснять образование любых биологических форм теорией адаптации, которую он издевательски описывал следующим образом: «Каждый раз для объяснения нам вытаскивают, как кролика из шляпы фокусника, старика Дарвина и говорят волшебное слово адаптация!» Томпсон утверждал, что очень многое в природе можно объяснить весьма просто, исходя из законов геометрии, математики, физики и даже техники, не ссылаясь на дарвиновскую теорию естественного отбора.

Во многом трудная судьба книги объясняется тем, что она значительно обогнала свое время и что описанные в ней многочисленные примеры образования удивительных природных форм лишь много позже стали пониматься как результат неравновесных процессов роста. В 1917 году процессы изменения веществ в далеких от равновесия условиях не рассматривались даже специалистами по термодинамике, поэтому все изыскания и догадки шотландского зоолога остались невостребованными, несмотря на его блестящую эрудированность в самых разных областях, от древних языков до геометрии. Кроме того, в своих описаниях разнообразных неравновесных процессов — расплывания капли чернил в воде, образования сетки трещин на высыхающей грязи, конвективных потоков в кипящей жидкости — Томпсон всегда оставался скорее художником, чем аналитиком. Он заметил, что некоторые системы в процессе изменения достигают «устойчивых состояний»3, которые не являются состояниями равновесия в гиббсовском понимании, но ничего не мог сказать о природе этих состояний.

Впоследствии одним из первых этими состояниями серьезно заинтересовался упоминавшийся в предыдущей главе Ларе Онсагер, который еще в 1930-х годах осознал ограниченность идей классической, т.е. равновесной, термодинамики и приступил к ее преобразованию. К этому времени уже становилось ясным, что, рассматривая только равновесные состояния, термодинамика загоняет себя в угол, так как практически все представляющие интерес процессы связаны именно с нарушением равновесия. Представьте себе озеро или водохранилище в горах. После подъема шлюза поток воды устремляется в какой-то нижний резервуар, причем поведение всей системы в целом характеризуется сильнейшей неравновесностью. То же самое можно сказать о парах воды, которые вдруг превращаются в снежинки. Во всех процессах такого рода промежуточные состояния системы буквально выпадают из теоретического объяснения классической термодинамики.

Разумеется, физики для описания таких явлений придумали множество остроумных приемов, если не сказать, фокусов. Наиболее продуктивной оказалась идея считать многие процессы очень медленными, т. е. протекающими почти незаметно. При таком предположении стало возможным, по крайней мере формально, считать каждое состояние «почти равновесным», так как параметры системы изменяются очень медленно, т. е. почти не меняются. Такая ситуация соответствует, например, шлюзу со множеством микроскопических отверстий, из которых просачивается вода. Со временем все содержимое водохранилища постепенно перетечет в нижний резервуар, однако сам процесс при этом выглядит равновесным, и его можно описать цепочкой или последовательностью почти равновесных состояний.

На первый взгляд предлагаемый подход противоречит неоднократно упоминавшемуся и очевидному факту стремительности и неожиданности фазовых переходов, однако можно напомнить, что резкость или стремительность вовсе не означают «мгновенность» — А-Бумм. Курта Воннегута представляет собой просто метафору. Я хочу сказать, что любому фазовому переходу должен предшествовать какой-то, пусть очень короткий, период накопления некоторых условий. Например, для превращения воды в лед необходимо пересечь на фазовой границе очень узкую полосу шириной около одной сотой градуса, при плюс 0,01 °С вещество еще является водой, а при минус 0,01 °С — льдом.

Описанный подход, при котором изменение системы рассматривается в качестве последовательности псевдоравновесных (физики еще говорят: квазиравновесных) состояний, оказался очень важным для классической равновесной термодинамики, однако он, к сожалению, не соответствовал очень многим процессам в окружающем нас реальном мире[42]. Проблема заключается в том, что большинство неравновесных процессов происходит в особых условиях, а именно под воздействием «движущих сил», которые значительно превосходят по интенсивности требования минимальности воздействия; говоря проще, водяные пары в природе охлаждаются не на сотые доли, а сразу на несколько градусов.

Онсагер, впрочем, при создании неравновесной термодинамики пошел похожим путем. Он рассматривал небольшие отклонения от равновесия под действием относительно небольших движущих сил. Возвращаясь к примеру с водохранилищем, рассматривается случай, что шлюз поднимается на некоторую высоту, при которой поток является небольшим, но все-таки значительно большим, чем через описанные выше микроотверстия в стенке шлюза.

Разумеется, неравновесные процессы не противоречат второму закону термодинамики и приводят только к возрастанию энтропии Вселенной. Однако если равновесная термодинамика говорила лишь о том, что энтропия системы после процесса всегда больше, чем до него, то теория динамических неравновесных процессов позволяет рассчитать изменение энтропии во времени по ходу процесса. Онсагеру удалось оценить чрезвычайно важную физическую величину — скорость производства энтропии при неравновесных переходах.