Стрела времени и необратимость, возникновение хаоса из порядка и порядока из хаоса как следствие фундаментального детерминизма (стр. 8 из 11)

Рассмотрим поведение диссипативной системы при ее нахождении по ту или иную сторону от диссипативного порога.

а) при

потоки энергии образуются в микрообластях и тут же рассеиваются. Вся потенциальная энергия неравновесности сразу переходит в хаотическую форму и не способна производить макроскопическую работу. В зоне локального равновесия также существуют потоки энергии от высшего потенциала к низшему, но из-за того что эти потоки не обладают кооперативным движением, т.е. у них , то эти потоки не способны совершать макроскопическую работу, а стало быть и резкие видоизменения (бифуркации) в среде. Эти потоки приводят только к постепенному изменению системы к состоянию равновесия. Отнесём к потокам энергии Умова-Пойтинга только потоки энергии, имеющие , т.е. обладающие кооперативным движением. Возникновение этих потоков и есть результат самоорганизации кооперативного движения в диссипативной среде. Из выше сказанного и понимания механизма релаксации легко видна справедливость универсального критерия эволюции Гленсдорфа-Пригожина. Согласно этому критерию, в любой неравновесной системе с фиксированными граничными условиями процессы идут так, что скорость изменения производства энтропии, обусловленная изменением термодинамических сил, уменьшается. Из механизма релаксации вытекает что в неравновесной системе, где безгранично действуют причины релаксации и из вне не поддерживается неравновесность неизбежно наступает равновесие, а из рисунка -1, поясняющего механизм релаксации, видно что после первого соударения частицы ее направленная энергия уменьшилась в двое. Затем уже после столкновения двух движущихся частиц оставшаяся направленная энергия снова уменьшилась вдвое, но это уже будет четвертая часть от первоначально направленной энергии и так далее. По мере развития процесса релаксации доля направленной энергии переходящая в хаотическую уменьшается, а следовательно уменьшается производство энтропии и ее производная отрицательна. Условие а) -определяет направление эволюции неравновесной системы к равновесию.

б)

При выполнении данного условия в неравновесной системе возникают потоки направленной кинетической энергии, связанной с результирующим импульсом, и у системы появляется возможность совершать макроскопическую работу, при этом в системе формируется динамический процесс. Происходит первая бифуркация, в диссипативной среде формируется диссипативная структура. Диссипативная структура в зависимости от конкретных условий имеет определенные пространственные и временные рамки. Для открытой диссипативной структуры возможны три варианта развития:

Вариант 1): при равенстве подводимого из вне потока энергии для поддержания неравновесности и отводимой во внешнюю среду диссипированной энергии и энтропии, полученной в результате диссипации кооперативного движения при функционировании структуры плюс внешняя работа, структура может существовать сколь угодно долго.

(4)

Назовем ( 4 ) соотношением стабильности. Для отдельного процесса это условие его стационарности, для сложной диссипативной структуры, состоящей из согласованно действующей совокупности многих процессов, это условие её существования во времени.

Мы не говорим о внесении отрицательной энтропии. Мы говорим о подводе в открытую систему потенциальной или направленной энергии для подержания неравновесности, энтропия которой равна нулю. А отводим в окружающую среду диссипированную энергию, в результате энтропия закрытой системы (диссипативная структура + окружающая среда) возрастает.

По причине того, что в стационарных процессах действие причин релаксации ограничено (энергия передается на ограниченную массу, когерентность делает соударение близким к центральному удару, что также снижает рассеяние) по сравнению с условиями когда в процессе релаксации масса вовлекается лавинообразно, то становятся понятными принцип Онсагера о минимальном рассеянии энергии и принцип Пригожина о минимальном производстве энтропии в стационарных процессах.

Вариант 2):

Здесь также возможны два случая: во-первых весь избыток направленной энергии, получаемый диссипативной структурой сверх необходимого для функционирования самой структуры, структура расходует на совершение внешней работы и может как и в варианте 1) существовать сколь угодно долго. Во-вторых, если внешняя работа не совершается, идет накопление кооперативной энергии или неравновесности в системе и диссипативная структура идет к новой бифуркации, в результате которой формируется новое состояние, новая диссипативная структура. Принципиальный механизм бифуркации одной диссипативной структуры в другую заключается в следующем: при нарастании кооперативной энергии или неравновесности в диссипативной структуре, за счет увеличения мощности преобразования потенциальной энергии в направленную кинетическую, возникает излишнее для данной диссипативной структуры направленное кооперативное движение, способное совершать работу по преодолению оказывающихся на его пути потенциальных барьеров. Момент времени и совершаемая при этом работа и представляют собой бифуркацию: переход одной диссипативной структуры в другую. Бифуркации возникают не спонтанно, а в момент преодоления потенциального барьера, возникающего на пути кооперативного движения. Если после бифуркации в новой диссипативной структуре устанавливается равновесие по варианту 1), то новая структура будет устойчивой. Если в новой диссипативной структуре вновь при определенных условиях с некоторого момента начинает накапливаться кооперативная энергия или неравновесность, то система вновь готова к очередной бифуркации, к формированию последующей структуры. Описанное выше представляет собой механизм, динамику эволюции структур. Потенциальные барьеры, встающие на пути кооперативного движения, могут иметь самую различную величину и форму и тем самым определяют величину кооперативной энергии которую должна приобрести диссипативная структура для последующей бифуркации. Потенциальные барьеры, несмотря на самую различную величину и форму, по своей природе бывают только двух типов: создаваемые силами притяжения или силами отталкивания. На величину кооперативной энергии, необходимую для бифуркации данной структуры может влиять присутствие катализаторов, способствующих преодолению барьеров. Величина производства энтропии от одной диссипативной структуры к другой не имеет никакой тенденции, а определяется механизмом релаксации данной структуры, мощностью диссипации направленной энергии и отводом ее в окружающую среду. За главным пороговым соотношением, в зоне эволюции структур, энтропия не играет ту фундаментальную роль как в зоне локального равновесия. При эволюции структур вновь на первое место выходят законы динамики в понимании динамики Ньютона, главенствует эволюционный детерминизм. Хотя фундаментальное свойство диссипативных систем, их способность вырождать результирующий импульс, постоянно присутствует в жизни диссипативной структуры, определяя характер и время ее существования. Рассмотрим это в третьем варианте существования диссипативной структуры.

Вариант 3):

Как только выполняется условие 3), то диссипативная структура начинает затухать и разрушаться. Диссипативная система переходит на низшую структуру, а если затухающая диссипативная структура сложная, например биоструктура, состоящая в свою очередь из совокупности согласованных подпроцессов, подсистем, то такая структура или разрушается совсем, вплоть до равновесного состояния или должна восстановить равновесие соответствующее данной диссипативной структуре.

Принципиальная схема эволюции неравновесных диссипативных систем изображена на Рис. – 3.

Рис. 3

Необходимо также отметить, что оба противоположных направления эволюции диссипативных систем протекают благодаря имеющейся в природе неравновесности и срабатывают ее, диссипируя кооперативное движение. Таким образом, если в природе не будет процессов по воссозданию неравновесности из уже равновесной подсистемы общей энергии Вселенной, то, исходя из закона сохранения энергии, Клаузиус прав в своем выводе о тепловой смерти Вселенной.

Подчеркнём, что динамика много частичных сред отличается от хорошо изученной динамики малого числа взаимодействующих частиц тем, что в много частичной среде на известные законы динамики накладывается эффект вырождения результирующего импульса. Следствием эффекта вырождения импульса становится присущий каждой многочастичной системе диссипативный порог, разделяющий динамику многочастичной среды на два направления эволюции: по Клаузиусу – в направлении равновесного состояния, соответствующего максимуму энтропии и по Дарвину – в направлении формирования и усложнения диссипативных структур.