Vvedenie v fiziku otkrytyh sistem

Yu.L. Klimontovich (MGU im. M.V.Lomonosova)
Opublikovano v Sorosovskom obrazovatel'nom zhurnale, N 8, 1996 g. Soderzhanie

---

• Nemnogo istorii
• Fizika otkrytyh sistem. Dissipantivnye struktury. Sinergetika
• Degradaciya i samoorganizaciya v processah evolyucii
• Fizicheskii i dinamicheskii haos. Neravnovesnye fazovye perehody
• Upravlyayushie parametry
• Dinamicheskoe i statisticheskoe opisanie slozhnyh dvizhenii
• Literatura

---

Nemnogo istorii

Pri rassmotrenii osnovnyh idei i ponyatii novogo nauchnogo napravleniya estestvenno nachat' s kratkogo izlozheniya istorii voprosa. Vozniknovenie fiziki otkrytyh sistem bylo podgotovleno trudami mnogih vydayushihsya issledovatelei devyatnadcatogo stoletiya. V ih chisle fizik Lyudvig Bol'cman, matematiki Anri Puankare i Aleksandr Lyapunov i, konechno, biolog Charl'z Darvin. Lyudvig Bol'cman nazval XIX stoletie vekom Darvina. On polagal tem samym, chto teoriya evolyucii Darvina, osnovannaya na principe estestvennogo otbora, yavlyaetsya naibolee znachitel'nym otkrytiem proshlogo veka. Takoi vyvod mozhet pokazat'sya neozhidannym. Deistvitel'no, XIX vek ochen' bogat velikimi otkrytiyami v estestvoznanii, v chastnosti v fizike. Ved' XIX vek - eto vek termodinamiki, sozdannoi v znachitel'noi mere trudami Sadi Karno, Rudol'fa Klauziusa i Vil'yama Tomsona. Eto vek elektromagnitnoi teorii Maikla Faradeya i Dzheimsa Maksvella. V XIX veke byli zalozheny i osnovy sovremennoi molekulyarno-kineticheskoi teorii materii. Odnim iz ee osnovatelei byl sam Lyudvig Bol'cman. Imenno on predlozhil pervoe kineticheskoe uravnenie dlya opisaniya neobratimyh processov v gazah. Ono opisyvaet, v chastnosti, ustanovlenie ravnovesnogo sostoyaniya v gaze. Bol'cman vvel vpervye i statisticheskoe opredelenie entropii. On dokazal i znamenituyu H-teoremu, soglasno kotoroi v processe ustanovleniya ravnovesnogo sostoyaniya entropiya monotonno vozrastaet i ostaetsya postoyannoi pri ego dostizhenii. Nakonec imenno Bol'cman ponyal, chto v zamknutyh sistemah entropiya mozhet sluzhit' meroi otnositel'noi stepeni haotichnosti. I vse zhe imenno Bol'cman opredelil XIX vek kak vek Darvina. Tem samym na pervoe mesto on postavil princip biologicheskoi evolyucii. V chem zhe delo? Ved' vo vremena Bol'cmana ne sushestvovalo kakih-libo matematicheskih modelei biologicheskoi evolyucii. Osnovnym dvizhushim faktorom byla uverennost' Bol'cmana v tom, chto razvitaya im teoriya vremennoi evolyucii gaza v zamknutoi sisteme budet obobshena i na otkrytye sistemy. K chislu poslednih otnosyatsya i vse biologicheskie ob'ekty. Teoriya evolyucii Darvina i byla, takim obrazom, pervym shagom v teorii evolyucii otkrytyh sistem. Bol'cman byl odnim iz nemnogih v to vremya, kto ponyal vazhnost' etogo "pervogo shaga". Takuyu tochku zreniya v to vremya razdelyali ne mnogie. Da i sama teoriya Bol'cmana vyzvala vozrazheniya u bol'shinstva uchenyh togo vremeni. Vokrug teorii Bol'cmana bushevali strasti. Sredi ego opponentov byl i velichaishii matematik togo vremeni Anri Puankare. On polnost'yu otvergal teoriyu Bol'cmana. Dlya illyustracii privedem nebol'shoi otryvok iz knigi I. Prigozhina [1] "Ot sushestvuyushego k voznikayushemu": "Puankare v odnoi iz svoih rabot otkryto ne rekomendoval izuchat' trudy Bol'cmana na tom osnovanii, chto posylki v rassuzhdeniyah Bol'cmana protivorechat ego, Puankare, vyvodam!" Puankare, osnovyvayas' na obratimyh uravneniyah mehaniki, prishel k vyvodu, chto teoriya neobratimyh processov i mehanika nesovmestimy. Osnovaniem sluzhilo, v chastnosti, to, chto v mehanike net funkcii, igrayushei rol' entropii. Izvestno i drugoe vyskazyvanie Puankare, privedennoe v odnoi iz statei I. Prigozhina: "V etoi svyazi zabavno vspomnit' slova Puankare o tom, chto rekomendovat' komu-libo prochitat' rabotu Bol'cmana on ne mozhet, tak kak ne mozhet rekomendovat' izuchenie dokazatel'stv, v kotoryh vyvody protivorechat predposylkam." Kak razitel'no otlichaetsya ot ocenki Puankare ocenka rabot Lyudviga Bol'cmana, dannaya predstavitelem sleduyushego pokoleniya uchenyh, odnim iz osnovatelei kvantovoi mehaniki - Ervinom Shredingerom. Na str. 161 toi zhe knigi [1] Prigozhina chitaem: "Ego (Bol'cmana) napravlenie myshleniya mozhno bylo by nazvat' moei pervoi lyubov'yu. Nikakie idei ne zahvatyvali menya stol' gluboko i vryad li smogut zahvatit' menya v budushem." Takim obrazom, uzhe na poroge XX stoletiya stalo yasno, chto razvitie teorii neravnovesnyh processov v fizicheskih i biologicheskih sistemah yavlyaetsya odnoi iz vazhneishih zadach estestvoznaniya. Okazalos', odnako, chto ot ponimaniya vazhnosti problemy do ee dazhe daleko ne polnogo resheniya potrebovalos' pochti celoe stoletie. Pervym principial'nym shagom v etom napravlenii byla razvitaya Al'bertom Einshteinom, Marianom Smoluhovskim i Polem Lanzhevenom teoriya brounovskogo dvizheniya - haoticheskogo dvizheniya malyh, no vse zhe makroskopicheskih chastic v zhidkosti. Ego prichinoi yavlyayutsya tolchki so storony molekul zhidkosti. Takim obrazom, sistema brounovskih chastic predstavlyaet primer otkrytoi sistemy. Teoriya brounovskogo dvizheniya byla razvita v nachale tekushego stoletiya i srazu stala rabochim instrumentom pri rassmotrenii mnogih fizicheskih yavlenii. Odnako lish' po proshestvii bolee poluveka v statisticheskoi teorii otkrytyh sistem byli sdelany posleduyushie principial'nye shagi. Dlya etogo ponadobilis' novye idei, novye obrazy i ponyatiya: samoorganizaciya, sinergetika, fizika otkrytyh sistem. Ob etom i poidet rech' nizhe. Zdes' zhe otmetim sleduyushee. Bol'shuyu rol' v teorii otkrytyh sistem igrayut raboty A.M. Lyapunova - odnogo iz sozdatelei teorii ustoichivosti dvizheniya, matematika A.N. Kolmogorova, fizikov L.I. Mandel'shtama, A.A. Andronova, N.S. Krylova, Ya.B. Zel'dovicha i mnogih drugih. K chislu osnovopolozhnikov teorii samoorganizacii otnositsya nesomnenno Vladimir Ivanovich Vernadskii - sozdatel' ucheniya o noosfere (sfere razuma). Pristupim teper' k izlozheniyu osnovnogo materiala. Po mere prodvizheniya vpered my snova budem delat' kratkie ekskursy v istoriyu.

Vpered

Publikacii s klyuchevymi slovami: otkrytye sistemy - fazovyi perehod - haos - dissipativnye struktury Publikacii so slovami: otkrytye sistemy - fazovyi perehod - haos - dissipativnye struktury
Sm. takzhe: haos Dal'nii i blizhnii poryadok Dinamicheskie sistemy Obychnye i neobychnye fazovye perehody Agregatnye sostoyaniya