Хаос как основа порядка

Рассмотрим кинетическую энергию совокупности частиц. Если вдруг окажется, что все частицы движутся в одном и том же направлении с одинаковыми скоростями, то вся система, подобно теннисному мячу, будет находится в состоянии полета. Система ведет себя в этом случае аналогично одной массивной частице, и к ней применимы обычные законы динамики, такое движение называется движением центра масс.

Существует, однако, и другой вид движения. Можно представить себе, что частицы системы движутся не упорядоченно, а хаотически: полная энергия системы может быть той же самой, что и в первом случае, но теперь отсутствует результирующее движение, поскольку направления и скорости движения атомов беспорядочны. Если бы мы могли проследить за какой-либо отдельной частицей, то увидели бы, что она проходит небольшое расстояние вправо, затем, соударяясь с соседней частицей, смещается немного влево, снова соударяется и т. д. Основная черта этого вида движения состоит в отсутствии коррегиляции между движениями различных частиц; иными словами, их движения некогерентны (неупорядочены).

Описанное случайное, хаотическое, некоррелированное, некогерентное, неупорядоченное движение называется тепловым движением. Очевидно, понятие теплового движения неприменимо к отдельной частице, поскольку бессмысленно говорить о некоррелированном движении одной частицы. Иными словами, когда мы переходим от рассмотрения движения отдельной частицы к системам многих частиц и при этом возникает вопрос о наличии корреляций в их движениях, мы по существу переходим от обычной динамики в новую область физики, которая называется термодинамикой.

Итак, мы установили, что существует два вида движения частиц в сложных системах: движение может быть когерентным (упорядоченным), когда все частицы движутся согласованно (“в ногу”), или, напротив, неупорядоченным, когда все частицы движутся хаотически.

Естественные процессы

Естественное стремление энергии к рассеянию определяет и направление, в котором происходят физические процессы в природе. Под этим понимается рассеяние энергии в пространстве, рассеяние частиц, обладающих энергией, и потеря упорядоченности, свойственное движению этих частиц. Первое начало термодинамики в принципе не отрицает возможности событий, казалось бы противоречащих здравому смыслу и повседневному опыту: например, мяч мог бы начать подскакивать за счет своего охлаждения, пружина могла бы самопроизвольно сжаться, а кусок железа мог бы самопроизвольно стать более горячим, чем окружающее пространство. Все эти явления не нарушили бы закона сохранения энергии. Однако в действительности ни одно из них не происходит, поскольку нужная для этого энергия, хотя и имеется в наличии, но недоступна. Если не принимать всерьез существующий в принципе, но чрезвычайно небольшой шанс, можно смело утверждать, что энергия никогда не может сама по себе локализоваться, собравшись в избытке в какой-либо небольшой части Вселенной. Однако, если бы даже произошло, еще менее вероятно, что подобная локализация была бы упорядоченной.

Естественные процессы - это всегда процессы, сопровождающие рассеяние, диссипацию энергии. Отсюда становится ясным, почему горячий объект охлаждается до температуры окружающей среды, почему упорядоченное движение уступает место неупорядоченному и, в частности, почему механическое движение вследствие трения полностью переходит в тепловое. Столь же просто осознать, что любые проявления асимметрии, так или иначе сводятся к рассеянию энергии. Проявление любых диспропорций в организационной структуре объекта приводит к образованию асимметрии как по отношению к окружающей среде, так и для самой структуры в частности, это может привести к увеличению потенциальной энергии или, при большом скоплении этой энергии, к распаду системы, как противоречащей законам природы (общества).

Организация создается из хаоса (общества) одним или несколькими возбужденными атомами (предпринимателями) и в хаос проваливается при ликвидации. Естественные, самопроизвольно происходящие процессы - это переход от порядка к хаосу.

Поставим теперь следующий вопрос: сколькими способами можно произвести перестройку внутри системы, так чтобы внешний наблюдатель не заметил ее.
Отметим, что в формулировке вопроса учтено то существенное, что характеризует переход от мира атомов к макроскопической системе, а именно
“слепота” внешнего наблюдателя по отношению к “индивидуальностям” атомов, образующих систему. Термодинамика имеет дело только с усредненным поведением огромных совокупностей атомов, причем поведение каждого отдельного атома не играет роли. Если внешний наблюдатель, изучающий термодинамику, не заметил, что в системе произошло изменение, то состояние системы считается неизменным. лишь “педантичный” наблюдатель , тщательно следящий за поведением каждого атома, будет знать, что изменение все-таки произошло.

Сделаем теперь последний шаг на пути к полному определению хаоса.
Предположим, что частицы вселенной не закреплены и могут, подобно состоянию возбуждения и энергии, свободно перемещаться с места на место; например, такое могло бы случиться, если бы Вселенная была газом. Предположим также, что мы создали начальное состояние вселенной, пустив струю газа в правый нижний угол сосуда. Интуитивно мы понимаем, что произойдет: облако частиц начнет самопроизвольно распространяться и через некоторое время заполнит весь сосуд.

Такое поведение вселенной можно трактовать как установление хаоса. Газ
— это облако случайно движущихся частиц (само название “газ” происходит от того же корня, что и “хаос”). Частицы мчатся во всех направлениях, сталкиваясь и отталкиваясь друг от друга после каждого столкновения.
Движения и столкновения приводят к быстрому рассеиванию облака, так что вскоре оно равномерно распределяется по всему доступному пространству.
Теперь существует лишь ничтожно малый шанс, что все частицы газа когда- нибудь спонтанно и одновременно вновь соберутся в угол сосуда, создав первоначальную конфигурацию. Разумеется, их можно собрать в угол с помощью поршня, но это означает совершение работы, следовательно, процесс возврата частиц в исходное состояние не будет самопроизвольным.

Ясно, что наблюдаемые изменения объясняются склонностью энергии к рассеянию. Действительно, теперь состояние возбуждения атомов оказалось физически рассеянным в пространстве вследствие спонтанного рассеяния атомов по объему сосуда. Каждый атом обладает кинетической энергией, и потому распространение атомов по сосуду приводит и к распространению энергии.

Хаос и порядок

В химии, как и в физике, все естественные изменения вызваны бесцельной
“деятельностью” хаоса. Мы познакомились с двумя важнейшими достижениями
Больцмана: он установил, каким образом хаос определяет направление изменений и как он устанавливает скорость этих изменений. Мы убедились также в том, что именно непреднамеренная и бесцельная деятельность хаоса переводит мир в состояния, характеризующиеся все большей вероятностью. На этой основе можно объяснить не только простые физические изменения (скажем, охлаждение куска металла), но и сложные изменения, происходящие при превращениях вещества. Но вместе с тем мы обнаружили, что хаос может приводить к порядку. Если дело касается физических изменений, то под этим понимается совершение работы, в результате которой в свою очередь могут возникать сложные структуры, иногда огромного масштаба. При химических изменениях порядок также рождается из хаоса; в этом случае, однако, под порядком понимается такое расположение атомов, которое осуществляется на микроскопическом уровне. Но при любом масштабе порядок может возникать за счет хаоса; точнее говоря, он создается локально за счет возникновения неупорядоченности где-то в ином месте. Таковы причины и движущие силы происходящих в природе изменений.

Понятие структуры

Каждый из нас в общих чертах знает, что такое структура ; как правило, это определенное расположение, конфигурация частиц — атомов, молекул или ионов. Так, вполне определенную структуру представляет собой кристалл. Он отличается от газа, от жидкости и от куска масла, так как во всех этих веществах взаимное расположение частиц не является строго определенным, фиксированным. Но имея дело с кристаллом, мы можем быть уверены, что обнаружим частицы на строго определенном расстоянии друг от друга. В бесструктурных состояниях вещества — в газах, жидкостях и аморфных твердых телах — относительные расположения частиц совершенно неопределены.

Обобщая эти предварительные наблюдения (в дальнейшем мы будем иметь дело с более сложными примерами), нетрудно заметить, что частицы в кристаллических твердых телах расположены упорядочено (или, как иногда говорят, обладают пространственной когерентностью); иными словами, расположение частиц взаимно коррелированно. В противоположность этому в газах (и в меньшей степени в жидкостях) подобная пространственная упорядоченность практически отсутствует: расположения частиц не обладают взаимной корреляцией. Таким образом, можно сказать, что понятие структуры равнозначно понятию упорядоченности, когерентности, когда частицы организованы в строго определенные конфигурации; напротив, отсутствие структуры означает и отсутствие упорядоченности, когда расположения частиц вполне случайны. В такое понимание связи структуры и порядка хорошо вписываются как твердое тело, обладающее структурой, так и бесструктурные газы.

Такое предварительное определение структуры через описание вещества, состоящего из частиц с упорядоченным расположением, можно уточнить с тем, чтобы дать более адекватное описание природы жидкого состояния. При изменении расположения частиц в жидкостях одним из методов рентгеноструктурного анализа, столь широко используемых ныне для исследования строения твердых тел, обнаруживается вполне определенное локальное расположение частиц. Однако чем дальше мы отходим от данной частицы, тем все с меньшей уверенностью можем ожидать, что действительно обнаружим следующую частицу там, где ей следовало бы находиться согласно установленному локальному порядку. Иными словами, с удалением друг от друга частицы становятся все более независимыми, а их расположение - неуправляемым (т.е. взаимная корреляция частиц ослабляется). Короче говоря, твердые тела обладают дальним порядком; им присуща глобальная структура или крупномасштабная когерентность — в том смысле, что расположения частиц вполне предсказуемы на больших расстояниях (например, вплоть до границ кристалла). Газы практически полностью лишены подобной глобальной структуры
(они не имеют даже границы своего положения); в расположении их частиц отсутствует когерентность даже на самых малых расстояниях. Жидкости, как подсказывает нам интуиция, занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. Они обладают лишь локальной структурой и лишены структуры глобальной; на малых расстояниях (порядка нескольких соседних молекул) расположения частиц сохраняют упорядоченность, полностью теряя ее на больших расстояниях. Существуют различные виды жидкостей с большей или меньшей степенью упорядоченности. Например, жидкие кристаллы обладают дальним порядком по некоторым направлениям, тогда как по другим он полностью отсутствует. Можно сказать, что такие анизотропные вещества по одним направлениям являются твердыми телами, а по другим - жидкостями.
Подобная анизотропия служит причиной необычных оптических свойств этих веществ, позволяющих использовать их в качестве материала для дисплеев ЭВМ, микрокалькуляторов, наручных часов и т. д.

Уточним теперь наше предварительное определение структуры и расширим область его применимости. Здесь и далее мы будем рассматривать понятия структуры и упорядоченности как синонимы (лат. structura означает строение, расположение, порядок). Везде и всегда, если только устанавливается состояние упорядоченности, мы будем рассматривать это как возникновение структуры. Более того, будем считать, что упорядоченность — это не только наличие корреляции в пространстве, как в обычных физических объектах; она может также проявляться — и это имеет принципиальное значение — как корреляция во времени (в последнем случае термин “когерентность” употребляется в своем буквальном смысле).

Обобщив таким образом наши рассуждения, посмотрим, какие объекты подходят под новую классификацию. Очевидно, что сюда безоговорочно относится давно знакомое нам твердое тело; обнаруживаются, однако, и два
“новичка”. Один из них представляет собой структуру такого типа, которая сохраняется только при условии рассеяния энергии. Подобные структуры называют диссипативными; к ним, в частности, относятся живые организмы, в том числе человек. Структуры другого типа более абстрактны и о них не имеет смысла упоминать в разрезе данной работы.

Диссипативные структуры — это структуры, образующиеся в результате рассеяния (диссипации) энергии. К ним относятся некоторые недолговечные структуры, которые распадаются, как только прекращается поток энергии или вещества. Некоторые из таких структур являются по своей природе биологическими, другие - физическими; все они возникают из хаоса - “праха” и вновь обращаются в “прах”. Одной из первых описанных структур подобного вида была ячеистая структура, образующаяся в жидкости при наличии конвекции между двумя горизонтальными плоскостями, нижняя из них нагрета сильнее, чем верхняя. Пока разность двух плоскостей мала, движущиеся частицы жидкости распределены хаотично. Однако, когда разность температур становится достаточно большой, возникает неустойчивость Бенара, и жидкость обнаруживает структуру.

Итак, мы убеждаемся в том, что последовательность отдельных процессов, в каждом из которых энтропия лишь возрастает (т.е. хаос во Вселенной при этом увеличивается), может приводить и к возникновению структур высокой степени сложности. Поэтому замечая какой-либо объект, обладающий сложной внутренней структурой, мы не должны сразу же делать вывод о том, что этот объект является воплощением целенаправленного замысла. Он мог возникнуть естественно в результате последовательности процессов, каждый из которых сам по себе не представляет никакой конкретной цели (разводы на мерзлом стекле), а происходит в естественном направлении, по мере того как
Вселенная погружается в хаос. Все это резюмируется в известном рассуждении
Пэли о часах. Если вы нашли часы, говорит Пэли, то сложность их механизма не оставляет вас сомнений в том, что часы были кем-то сконструированы, то есть по крайней мере когда-то должен был существовать их конструктор.
Далее, рассуждает Пэли, поскольку окружающий нас мир в целом устроен значительно сложнее часов, то космический путешественник, посетивший наш мир, не усомнился бы в том, что этот мир был “спроектирован” и что (по крайней мере когда-то) существовал его “создатель”. Однако это рассуждение
Пэли ошибочно. Если нам попадается кролик, у нас нет необходимости рассматривать его как результат некоего “проекта”. Этот кролик (как и его собратья) возник как “промежуточный продукт” на долгом пути, которым
Вселенная движется к своему вырождению и ухудшению качества энергии.
Кролики, как цветки примулы, поросята или даже мы, люди, — всего лишь элементы гигантской сети взаимосвязей, имеющей поистине космические масштабы. Именно благодаря таким локальным нарушениям общей тенденции к деградации энергии становится возможным возникновение временных упорядоченных структур — хотя деградация неуклонно влечет Вселенную к состоянию полного равновесия.

Существует множество способов убедиться в том, что разветвленная система (сеть) взаимозависимых простых процессов может привести к возникновению сложной структуры и тем самым ввести в заблуждение
“стороннего наблюдателя”, побуждая его предположить существование определенного замысла и “творца”.

В мире нет ничего более удивительного, чем сознание, разум человека; тем большее удивление вызывает то, что в своей глубинной основе оно обусловленно весьма простыми явлениями.