Критическая масса. Как одни явления порождают другие

Современная статистическая физика далеко ушла от простых задач, связанных с газами в сосудах. В наши дни она описывает множество интереснейших и грандиозных явлений, причем очень часто в рамках статистической физики теории и идеи прошлых веков находят новые приложения и оригинальные интерпретации. Традиционно статистическая физика занималась изучением «необычных» процессов, к их числу можно отнести и многие явления динамически развивающегося мира, в котором мы живем. Термодинамика XIX века имела дело почти исключительно с равновесными состояниями и замкнутыми системами, в которые ничего не притекает, из которых ничего не исходит и в которых по большому счету ничего не изменяется. В следующей главе рассказывается о современной статистической физике, которая занимается изучением процессов рождения и гибели, составляющих течение жизни.

ГЛАВА 5 О РОСТЕ И ФОРМЕ ВОЗНИКНОВЕНИЕ ФОРМЫ И ОРГАНИЗАЦИИ

Как отметил кто-то из древних мудрецов, чудесные и загадочные явления природы полны неопределенности. Едва ли людям когда-нибудь удастся познать глубокие тайны, так как они с трудом понимают даже то, что видят перед собой.

Стивен Хейлс (1727)

Напоминает ли общество в целом, рассматриваемое отдельно от его живых составляющих, какие-то неживые системы? Или они похожи на живые организмы? Или они не похожи ни на первое, ни на второе?

Герберт Спенсер (1876)

Порядок порождает все достоинства и добродетели! Но из чего возникает сам порядок?

Георг Кристоф Лихтенберг

Фазовые переходы всегда создают у человека ощущение некоторого чуда. В 1856 году после прогулки по зимнему лесу Генри Дэвид Торо восторженно описывал снегопад и мерцание снежинок: «Мне представлялось, что некий дух творения витает даже в воздухе, где рождаются снежинки! Казалось, что падающие на плащ снежинки подобны настоящим звездам! Вся природа вокруг была наполнена духом, наполнена божеством, и снежинки казались лишь их проявлением».¹

В настоящее время мы знаем, что снежинки возникают в атмосфере при замерзании паров воды, которые сразу превращаются из газа в твердые кристаллики. Эти шестиконечные кристаллики интересовали серьезных ученых еще с XVII века, однако лишь статистическая физика позволила объяснить рождение и красоту этих удивительных объектов. Проблема оказалась настолько сложной, что еще в 1940-х годах физики смущенно признавались, что им не удается понять механизм зарождения снежинфк, что даже вызывало некое раздражение и сомнения по отношению ко всей теории фазовых переходов. Представлялось странным, что умные физики не могут понять и описать столь распространенный природный феномен и объяснить образование простого снега, который можно отнести к одному из известнейших веществ на планете. «И чего стоят после этого ваши теории?» — с некоторым ехидством спрашивали по этому поводу у физиков-тео- ретиков их коллеги.

Традиционная статистическая механика приобрела законченную форму после работ великого американского ученого, профессора Йельского университета Джозайи Уилларда Гиббса (1839-1903). В книге Основные принципы статистической механики (1902) ему удалось объединить разрозненные данные новой науки в единое и очень элегантное целое. Исходя из работ предшественников — Клаузиуса, Максвелла, Больцмана, ван дер Ваальса и других, — Гиббс сумел превратить термодинамику во внутренне непротиворечивую науку, точно объясняющую, каким образом ее законы вытекают из поведения частиц различных систем на микроскопическом уровне.

Гиббс показал, что ключевым представлением при анализе процессов изменения является принцип минимизации энергии. Например, именно он заставляет воду стекать вниз по склонам и образовывать пруды или озера. Чем выше исходный уровень воды, тем большей гравитационной (точнее, «потенциальной») энергией она обладает, поэтому при любой возможности вода устремится вниз, как можно ниже, чтобы занять положение с минимальной энергией. Хотя это не очень очевидно, читатель может воспринимать принцип Гиббса в качестве еще одной формулировки второго закона термодинамики — утверждения, что энтропия возрастает при любых самопроизвольных изменениях.