Юрий Григорян - Эволюция человечества. Книга 2. Эволюционный путь человечества. Через войны и кризисы к интеграции

Физики (после Эренфеста) различают два вида фазовых переходов – первого и второго рода. При переходе первого рода теория указывает на разрыв первых производных (откуда идет его название) свободной энергии по температуре и давлению. Происходит скачок по внутренней энергии и объему, плотности, упорядоченности. Почти так же, как взаимосвязь атомов при образовании молекулы приводит к выделению энергии (обменная энергия, энергия связи, «работа выхода»). Например, при кристаллизации жидкости выделяется теплота. Чтобы лучше представить превращение, рассматривают две фазы раздельно, выявляя затем в сочетании, как реализуется то или иное качество при преобразовании. Например, начало представляют в качестве идеальной жидкости, а итог – пользуясь моделью идеального кристалла.

При фазовых переходах второго рода скачок испытывают вторые производные свободной энергии по температуре и по давлению: коэффициент теплового расширения, теплоемкость и сжимаемость, – а внутренняя энергия и объем в точке перехода не изменяются. Теплота при переходе не выделяется и не поглощается. Изменяется конфигурация взаимосвязей, их симметрия. Кристалл остается кристаллом, но его решетка, положим, тетрагональной модификации превращается в кубическую с повышением симметрии. Особенностью этого перехода является непрерывность изменения состояния тела, так что в точке перехода состояния обеих фаз совпадают, хотя симметрия меняется скачком. Это обстоятельство делает фазовый переход второго рода более удобным для формализации, чем переход первого рода, когда два различных состояния, различных качества, могут сосуществовать в точке перехода. Видимо, поэтому на них чаще всего опираются теории синергетики.

ДОСТОИНСТВО ВНЕШНЕГО ВКЛАДА В ОБРАЗОВАНИЕ НОВОГО КАЧЕСТВА

На мой взгляд, однако, большую ценность для понимания эволюции представляют переходы первого рода. Они лучше соответствуют явлениям новообразования, когда исходная суммативная система, достигнув критического состояния, преобразуется в совершенно новую, не имевшую ранее аналога, целостность. Дело в том, что между этими двумя родами переходов есть существенная разница. Теоретически она заключается в том, что, как показал Ландау, фазовые переходы первого рода двумодальны, а второго – одномодальны. Отсюда следует, что в первом случае возможны метастабильные состояния, во втором – нет. Второй род протекает c непрерывным изменением термодинамических параметров, а скачок конфигурации системной взаимосвязи происходит почти мгновенно, как только бывает превышен критический рубеж. Примерно также в теории диссипативных систем сразу после точки бифуркации устанавливается одно из возможных состояний. Но вот для первого рода преодоление точки фазового перехода недостаточно. Система может долго оставаться в исходной фазе, хотя это состояние для нее не является устойчивым. Иначе говоря, одних только сверхпороговых термодинамических параметров недостаточно, чтобы возникло новое качество. Вследствие этого в камере Вильсона сохраняется пересыщенный пар; путем изобарического нагрева жидкости можно получить метастабильную перегретую жидкость; переохлажденная вода может оставаться водой даже при отрицательных температурах.

Этот момент в акте формирования новых интеграций, на мой взгляд, имеет ни с чем не сравнимую ценность, в особенности для живых существ. На уровне физических и химических явлений как-то скрадывается значение «центра нуклеации»; ему просто предоставляют роль случайного фактора, способствующего зародышеобразованию.

Но даже в этом аспекте проблема зародыша превращается в самостоятельную головоломку, так как надо на сей раз изучить условия появления отдельного зачатка новой фазы, объединяясь вокруг которого частицы системы формируют новую структуру. У теорий фазового перехода и так есть масса проблем с согласованием микроскопического и макроскопического анализа. В теоретических попытках вывести макросостояния из микросостояний обычно пользуются описанием и тех и других одними и теми же параметрами. Микроскопические теории принимают в качестве единиц анализа компоненты системы, группы частиц, допускающие применение «малого параметра», через который можно выйти на всю их сумму, макросистему. Этот подход в ряде случаев позволяет оценить среднее значение макропараметра и функцию отклонений, флуктуаций. Флуктуациям Пригожим придает наибольшее значение в поведении системы после бифуркации. Действительно, в преобразованиях, аналогичных переходам второго рода, именно они оказывают воздействие, определяющее конечный результат. Но когда обращаемся к переходам первого рода далеко не всегда можно замкнуться на внутренних отклонениях. Центр нуклеации имеет отличные от остальных частиц собственные свойства. Поэтому необходимо отвлечься от единых параметров и выделить отдельные признаки данной частицы – центра. Иначе говоря, отстраниться от системных качеств, т.е. того, что только и может участвовать в уравнениях, и обратиться к многообразным случайностям внешней среды. К тому же и флуктуации свидетельствуют о внешних воздействиях, не говоря уже о наличии всевозможных примесей, способствующих переходу первого рода.

Роль системы по отношению к флуктуациям сводится скорее всего к относительной упорядоченности отклонений. Внутри системы они частично усредняются благодаря тем хаотическим столкновениям, которые так или иначе случаются. Частицы с чрезмерным отклонением, положим по энергии, плотности и т.п., удаляются из системы. Сами отстраняются от суммативной системы, а из целостной их отстраняют насильно. И на клеточном, и на организменном уровне имеется немало механизмов вывода несоответствующих норме элементов. В системе сохраняются только слабые отклонения от присущих ей средних значений параметров. Переход к новой интеграции происходит при определенных сочетаниях степени метастабильности и степени флуктуационного своеобразия, притом в обратной пропорции. К примеру, то, что называют гомогенным зародышеобразованием, происходит при значительно углубленной метастабильности, но вот гетерогенное, благодаря примесям, может начаться сразу после преодоления порога фаз. Вода в водоемах замерзает, как правило, раньше, чем дистиллированная вода.

ЭФФЕКТ СЛУЧАЙНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МЕТАСТАБИЛЬНУЮ СИСТЕМУ

В теории диссипативных систем возможное поведение системы после бифуркации известно как два варианта последующего состояния системы. Случайность задает переход к тому или другому варианту, флуктуации лишь «выбирают» ветвь, которой будет следовать система (2, с.119). Возможно наращивание последующих бифуркаций (последовательность Фейгенбаума) (2, с. 112). Между их последовательными точками поведение системы соответствует моделям равновесного и слабо неравновесного состояния, что в целом предсказуемо. В ряде случаев теория способна и на большее: определить, что, «если до точки бифуркации управляющий параметр был невелик и шло медленное увеличение его, то вероятнее переход на устойчивую ветвь, вниз. Высокий и быстрый проще перейдет на неустойчивую ветвь. Но в целом переход случаен. Не помогает ни макроскопическое ни микроскопическое описание» (2, с. 154).