Критическая масса. Как одни явления порождают другие

Нагревая на медной сковородке тонкий слой жидкости, Бенар изучал так называемые конвективные потоки, когда нагретая и более легкая жидкость со дна поднимается вверх, заменяя более холодную и тяжелую, опускающуюся, в свою очередь, вниз. Такая система, безусловно, является неравновесной хотя бы из-за того, что в ней постоянно присутствует перепад температур; в равновесной же системе температура во всех точках одинакова и отсутствуют конвективные потоки. Более того, описываемая система постоянно удаляется от равновесия из-за нагрева снизу, и она может, собственно говоря, начать какое-то движение к равновесию лишь после прекращения нагрева.

При очень умеренном нагреве никакой конвекции в жидкости не происходит, и теплота просто перераспределяется в объеме жидкости по механизму теплопередачи, но после того как разность температур между дном сосуда и поверхностью жидкости достигает некоторого порогового значения, поведение жидкости совершенно меняется, и в ней возникают конвективные потоки, циркулирующие снизу вверх и обратно[46]. Бенару удалось заметить поразительный факт: такие потоки способны к самоорганизации, в результате чего в жидкости вдруг образуются примерно правильные шестиугольники, в которых конвективные потоки поднимаются в центре и стекают вниз по краям. Эти интересные образования и получили название ячеек Бенара (рис. 5.1, а).

При других экспериментальных условиях конвективные узоры (паттерны) становятся еще более сложными (рис. 5.1, б и в). Кстати, д’Арси Томпсон также отметил конвективные узоры в клубах табачного дыма и сравнил их с формой причудливых облаков, которые в Англии называются макрелевыми⁴, вероятно, за внешнее сходство с косяками этой промысловой рыбы. Механизм их образования действительно оказался связан с конвективными потоками в атмосфере, однако Томпсону, конечно, не удалось объяснить, почему в атмосфере образуются такие узоры. В 1916 году знаменитому физику лорду Рэлею удалось наконец описать на основе гидродинамики образование регулярных конвективных потоков типа показанных на рис. 5.1, б, Окончательное теоретическое решение задачи было получено лишь в 1960-х годах, однако и сейчас никто не может предсказать, какие именно паттерны проявятся в заданной неравновесной системе при определенных условиях Именно эта неопределенность и означает упомянутое отсутствие общегс правила, эквивалентного правилу Гиббса для равновесных систем.

Поиски некоторой априорной предсказуемости поведения таких систем сейчас кажутся заведомо тщетными и бессмысленными, поскольку выясняется, что конвективные узоры Рэлея — Бенара (по современной терминологии' оказываются различными даже при кажущихся совершенно одинаковым «конечных» условиях, если при этом различался метод приготовления — га грев с разной скоростью, наличие или отсутствие дополнительного пере мешивания и т. п. Все это приводит к тому, что образующиеся паттерн] различаются. Таким образом, неравновесные устойчивые состояния завися не только от условий, но и от истории собственного создания[47].

Конвективные узоры Рэлея — Бенара являются типичными примерам так называемых диссипативных структур, самоорганизующихся в нераі новесных системах структур, образующихся вследствие диссипации, т. < рассеяния, энергии (существование конвективных паттернов поддержив; ется лишь непрерывным потоком теплоты) и, следовательно, производств энтропии. В 1950- 1960-х годах И. Пригожин и его сотрудники выдвинул идею, что диссипативные структуры возникают, когда неравновесная сі стема достигает некоторой критической точки, получившей название точк бифуркации. Термодинамическая система вблизи равновесия фактическ не имеет вариантов развития. При медленном нагревании жидкость н сковородке Бенара лишь проводит теплоту, ничего более. Но в точке бі фуркации ее поведение вдруг резко меняется, и возникают причудливы узоры.

Из названия нового термина следует, что он означает некий выбор межд двумя вариантами поведения. Вернемся еще раз к ячейкам Рэлея — Бенар на рис. 5.1,5, где сплошные жирные линии — это цилиндрические «валики вращающиеся в противоположных направлениях подобно валикам для отжі ма белья[48]. Отметим, что в принципе направление вращения любого валик может быть заменено на противоположное, разумеется, при условии, что вс остальные валики также сменят направление вращения, т.е. фактически м имеем дело с двумя эквивалентными системами, «закрученными» в разны стороны. Чем определяется выбор направления вращения? По-видимом он осуществляется случайно, что вновь напоминает нам о флуктуация: которые физики часто называют просто шумом.