Критическая масса. Как одни явления порождают другие

Водная масса, из которой, собственно, и состоит озеро, находится в некотором равновесии, поскольку она не может покинуть ограничивающий ее объем. Термодинамика позволяет нам судить о всех возможных вариантах поведения такой равновесной системы, и в соответствии с ее законами любой переход в другое, более устойчивое состояние подобен вытеканию воды из озера при открытии шлюза, после чего вода начнет перетекать из верхнего резервуара в нижний, как в школьной задаче. Гиббс установил, что для сохранения системы в равновесном состоянии (т. е. в состоянии, не допускающем немедленного изменения) «необходимо и достаточно, чтобы при любых возможных изменениях состояния системы, не изменяющих ее энергию, изменения энтропии были нулевыми или отрицательными»².

Иными словами, если система находится в равновесии, то ее можно тянуть, толкать и пихать как угодно, но она будет упорно возвращаться в исходное состояние. Это было парадоксом «классической» термодинамики, которая всегда говорила лишь о равновесных состояниях и о причинах перехода между равновесными состояниями (начальном или конечном), но ничего не могла сказать о том, как, собственно, протекает этот процесс.

Возвращаясь к образованию снежинок, вспомним, что начальным состоянием вещества является водяной пар, а конечным — очаровательная льдинка, т.е. мы имеем дело с двумя равновесными состояниями, разделенными фазовым переходом. При этом вызывает удивление тот факт, что ни одна снежинка не похожа на другую: одна шестиконечная звездочка имеет лучи, похожие на лапы ели, другая — на цветок клевера, третья состоит из плотно сложенных шестиугольников, а четвертая напоминает цветок с шестью грушевидными лепестками. Заинтересовавшийся читатель может увидеть поразительные образцы снежинок, собранные в прекрасном альбоме Снежные кристаллы Вильсона А. Бентли и У.Дж. Хэмфри (1931), где представлены две тысячи разных изображений этих кристаллов. Каждый из них имеет собственную историю возникновения, так что то, каким образом пар переходит в твердое тело, оставалось большой загадкой.

Строго говоря, разнообразие форм снежинок, т. е. проблема «изобретательности» природы при их создании, не имеет существенного значения. Читатель может вспомнить, например, что на свете нет двух абсолютно одинаковых деревьев одной породы, точно так же как не существует абсолютно одинаковой погоды в разные дни, стекающие с горных склонов ручьи не имеют постоянного русла и т.д. Разве в мире вообще могут существовать абсолютно одинаковые события или объекты? Как сказал еще в VI веке до нашей эры древнегреческий философ Гераклит: нельзя дважды вступить в одну и ту же реку.

Мир вокруг нас постоянно меняется под действием разных процессов, и мы лишь очень редко наблюдаем какие-то устойчивые, равновесные системы, которыми, собственно, и занимается термодинамика. В реальной жизни река изменяет ландшафт, постепенно пробивая себе новое русло и выискивая новые маршруты для скорейшего спуска в долину, одновременно дожди наполняют реку водой и т.д. Все эти процессы являются неравновесными и будут таковыми всегда, по меньшей мере при нашей жизни.

Даже в тех случаях, когда нам точно известны начальное и конечное состояния (для снежинок такими состояниями являются водяной пар и лед), форма продукта, образующегося в результате процесса, может оказаться очень сложной и зачастую непредсказуемой. Это обусловлено тем, что процесс роста тех же снежинок протекает в условиях, далеких от любого равновесного состояния. Одно дело, когда мы спускаем воду из водохранилища, открывая шлюз, и совсем другое, когда вода прорывает дамбу и устремляется вниз по случайному руслу.

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.

ИСТОРИЧЕСКИЕ ДЕЛА