Порядок и беспорядок в природе
3 Порядок и беспорядок в природе.
3.1 Фазовая вертикаль (агрегатные состояния вещества): газ, жидкость, твердое тело, плазма, вакуум.
Принято считать, что материя в форме вещества, которая может двигаться только со скоростью меньше скорости света в вакууме, может находиться в твердом, жидком, газообразном состоянии. Четвертое состояние вещества – это плазма. То, в каком состоянии находится вещество, зависит от температуры и давления. Если тепловая энергия kТ, где k = 1,38×10-23 Дж/К, больше энергии взаимодействия атомов или молекул, то это будет газ. Если эти энергии соизмеримы – будет жидкое состояние, а при kТ меньше энергии взаимодействия получают твердое состояние.
В свою очередь твердое состояние может быть аморфным и кристаллическим. В первом случае нет так называемого дальнего порядка в расположении атомов, есть лишь некоторый ближний порядок. В кристаллах атомы «правильно» располагаются в трех взаимно перпендикулярных направлениях (если симметрия кубическая) и образуют кристаллическую решетку. При этом атомы можно представлять в виде шариков, соприкасающихся друг с другом. Кристаллическая решетка обладает различными видами симметрии.
Симметрия – это свойство решётки совпадать с самой собой при некоторых пространственных её перемещениях. Все кристаллы делят на 7 кристаллических систем. Самая низкая симметрия у триклинной системы, где базисные оси а ¹ b ¹ с, вдоль которых расположены атомы, а углы между ними a ¹ b ¹ g ¹ 90°. Самая высокая симметрия у кубической решетки: а = b = с, a = b = g = 90°.
В жидкостях (промежуточное состояние между газом и твердым состоянием) атомы, молекулы могут относительно свободно перемещаться, хотя основное время атомы проводят в оседлом состоянии, лишь изредка перемещаются в другую позицию. Встречаются и жидкие кристаллы, где существует почти дальний порядок, т.е. упорядоченное расположение атомов в пределах значительного объема. При перескакивании атомов из одной позиции в другую происходит диффузия – перемещение атомов по объёму жидкости.
Существуют и аморфные твердые тела, далекие от состояния термодинамического равновесия с хаотичным расположением атомов.
Плазма – это почти нейтральный в смысле электрического заряда ионизированный газ. Считают плазму идеальной, если тепловая энергия на атом kТ немного превышает потенциальную энергию их взаимодействия для среднего в ней расстояния между атомами (ионами). Для неё, как и для идеального газа, давление p = n kT, где n – число ионов в единице объема плазмы.
В плазме происходит ионизация термическая (за счет энергии kТ), ударная (заряженными частицами), фотоионизация – за счет электромагнитного излучения. Плазма сильно взаимодействует с электрическими и магнитными полями. У неё есть ряд специфических особенностей (продольные колебания зарядов), она диамагнитна и т.д. Это наиболее распространенное состояние вещества во Веленной. Из неё полностью состоит Солнце и звезды. Их основной источник излучения – термоядерный синтез при температурах 107–109 К.
Туманности и межзвездная среда это низкотемпературная плазма. Вблизи Земли в радиационных поясах также есть плазма. Она находит применение и на практике: служит рабочим телом в плазменных ракетных двигателях и МГД-генераторах, вырабатывающих электрический ток, с её помощью надеются термоядерный синтез сделать управляемым. Тогда энергетическая проблема для Земли была бы снята, как мы уже говорили об этом.
3.2 Хаос теплового движения. Влияние этой концепции на развитие представлений о веществе. Порядок из хаоса.
С некоторых пор ряд понятий из физики стал общезначимым. К ним в первую очередь можно отнести «турбулентность». Есть основополагающие вопросы или представления (по Вернадскому) о Космосе, которые стали затрагивать специалистов из разных областей знаний. Точно также и «хаос» стал синонимом отсутствия порядка. Однако он стал обретать структуру, как физический вакуум, считавшийся синонимом «ничего». Эти понятия Пригожин применил к идее самоорганизации. Есть процессы в изолированных системах, ведущие к равновесному состоянию, отвечающему максимальной неупорядоченности, то есть хаосу. Это следует ещё из работ Больцмана и Гиббса, показавших, что энтропия служит мерой неупорядоченности, или хаоса системы. Её аналог в общественной жизни – правила поведения. Их соблюдение поддерживает порядок в обществе. Если нет знания – нет порядка в фактах – это хаос.
Рекомендуемые материалы
Для записи выражения закона – порядка - изобрели число, письменность и язык. Знания тщательно хранились, например, жрецами в древнем Египте, символизируя власть над природой и людьми. Галилей и Ньютон установили три закона динамики и закон всемирного тяготения. Для извлечения количественных следствий из них Ньютон создал дифференциальное и интегральное исчисление. Пространство и время у него наделялись свойствами, в которых проявлялось движение. Можно сказать, что Ньютон открыл, что в природе существует порядок, который человек может познать.
Оказывается, порядок есть и в случайности. С последними люди сталкивались и в обычной жизни, например, при игре в карты, кости и так далее. В них везде торжествовал случай. Математики заинтересовались, почему наживаются владельцы казино, ведь при бросании монеты можно ожидать события с разным исходом? Но во множестве событий можно установить вероятность интересующего нас события, которая определяется отношением числа «выпавших» интересующих нас событий к числу испытаний при числе испытаний, стремящемуся к бесконечности.
7 Физико-химические основы азотнокислотного разложения фосфоритов - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
Работами Максвелла с использованием понятия вероятность была создана статистическая физика. С её помощью удалось точно вычислять макропараметры системы (давление, температуру и так далее), хотя при этом изначально идет речь об исчезающе малых объектах – атомах или молекулах. Математика подводит нас к тому, что хаос оборачивается порядком. В этой статистической механике было создано позже две статистики: с целым спином (Бозе–Эйнштейна) и с полуцелым (Ферми–Дирака). Итак, мы приходим к выводу, что случайность в единичном дает порядок при множественном проявлении единичности. Таким образом, повторение случайности – закономерность.
Как говорят, мир человека возник из хаоса и обломков, он хрупок и рискует снова обратиться в ничто. Возникший мир отмечен печатью неустранимой неопределенности, а потому закон для хаоса требует глубокого его изучения. В отличие от Больцмана и Гиббса, Пригожин в своей книге «Порядок из хаоса» разработал вопросы термодинамики неравновесных процессов в открытых системах. В ней акцентируется внимание на изучение разупорядоченности и нелинейных явлений, в которых малый сигнал (возмущение) на входе системы может вызывать сколь угодно сильный отклик на её выходе. Следовательно, хаос может обрести порядок. Это значит, что возможно спонтанное возникновение порядка и организации из беспорядка и хаоса. Это и есть самоорганизация. При этом энтропия выступает как прародительница порядка.
Типичный пример имеет место, когда в подогреваемых жидкостях, начиная с некоторых значений перепадов температуры, образуются почти идеальные соты шестиугольных ячеек Бенара. То же самое происходит в газоразрядной трубке лазера, где при некотором критическом значении электрического поля достигается скачком упорядоченное состояние: излучение становится поляризованным и когерентным.
Во всех наблюдающихся процессах односторонность хода времени (его необратимость) играет важнейшую роль, как это следует по Клаузиусу из второго начала термодинамики. В изолированных системах энтропия монотонно возрастает, достигая максимального значения в состоянии равновесия, то есть её изменение DS ³ 0. Энтропия выступает в роли тени энергии – царицы природы.
В идеальных машинах с обратимыми процессами DSид = 0. В реальных же S = Sид + Sнеоб. Причём, здесь dSнеоб ³ 0. Энтропия – показатель эволюции или стрела времени: для изолированных систем будущее всегда расположено в направлении возрастания энтропии. Каждое макросостояние системы характеризуется числом способов Р, которым оно может быть достигнуто, то есть числом микросостояний. По Больцману энтропия S = k lnP, где Р = Р1×Р2×Р3×... Рn, k = 1,38×10-23 Дж/К – постоянная Больцмана.
То есть необратимое изменение есть изменение в сторону более вероятного состояния и это состояние – аттрактор – есть макросостояние, отвечающее максимальной вероятности системы. Тогда начальные условия забываются системой. Как бы система ни эволюционировала, она перейдет в одно из тех микросостояний, которым отвечает макросостояние хаоса и максимальной симметрии. Все это обобщено и на случай открытых систем, где ситуация более сложная. В замкнутой системе равновесие соответствует минимуму свободной энергии F = U - TS, где U – внутренняя энергия системы и равновесие есть результат конкуренции между U и TS. При малых температурах равновесие определяется минимумом внутренней энергии (для металлов и кристаллов). При высоких температурах доминирует хаос. Экстремумы S и F задают состояние системы (её аттрактор). Именно в это состояние самопроизвольно стремится система.
