Естествознание. Базовый уровень. 11 класс - [21]
В лабораторных условиях можно наблюдать поразительный пример движения масла, приводящего к спонтанной самоорганизации. Такой опыт можно провести даже на собственной кухне. Возьмите сковороду с плоским дном, налейте в неё немного масла, смешанного с каким-нибудь порошком для того, чтобы было заметно движение жидкости, и поставьте её на слабый огонь. Нижний слой масла будет разогреваться в первую очередь, возникнет разница температур между дном и поверхностью масла и движение масла от дна к поверхности. Охладившись на поверхности, остывшие участки масла будут опускаться вниз.
Рис. 25. Ячейки Бенара и схема их образования
Вначале это движение будет хаотичным. Но когда различие температур в глубоком и поверхностном слое достигнет определённого уровня, движение участков масла станет согласованным. Мы увидим, как на поверхности жидкости образуются правильные шестиугольные ячейки, в середине которых частицы порошка движутся вверх, а по краям, т. е. на местах соприкосновения этих ячеек, – вниз. Эти ячейки называются ячейками Бенара, по имени впервые описавшего их исследователя (рис. 25). С точки зрения термодинамики Больцмана вероятность такого упорядоченного состояния почти равна нулю. И всё же самоорганизация происходит!
В чём причина такого странного и даже невероятного явления? Проще ответить на этот вопрос, используя вместо традиционного для физики слова «причина» непринятое для этой науки понятие «цель». Тогда вопрос надо поставить так: зачем это происходит? Очевидно, что такое упорядоченное движение молекул обеспечивает более эффективную теплопередачу, так как молекулы не сталкиваются друг с другом, т. е. «не путаются друг у друга под ногами». Воспользуемся аналогией, предложенной Г. Хакеном, о котором мы ещё будем упоминать в дальнейшем (рис. 26). «Представим себе бассейн, в котором люди плавают из одного конца в другой. Если пловцов очень много, то они будут постоянно оказываться друг у друга на пути. Чтобы избежать подобной сутолоки в открытых бассейнах, переполненных желающими искупаться в жаркий день, некоторые смотрители запускают пловцов по кругу, так что они теперь мешают друг другу гораздо меньше. Коллективное движение по кругу «предписано» пловцам смотрителем бассейна, однако не исключено, что они и сами могли додуматься до чего-то подобного: сначала, возможно, в этом участвовали всего несколько человек, но со временем к ним присоединились бы и другие – те, кому эта идея понравилась бы и такой способ плавания оказался бы удобнее. Так, в конце концов, может возникнуть коллективное движение; поскольку это происходит при отсутствии внешнего организатора, можно говорить о самоорганизации. Пример с жидкостью показывает, что и Природа поступает точно так же».
Рис. 26. Бассейны с хаотично плавающими людьми (А) и людьми, плавающими по кругу (Б)
Каким же образом происходит самоорганизация движения молекул? Считается, что это происходит в результате того, что в хаотическом движении молекул могут случайно возникать «микроупорядоченности». Большая их часть оказывается бесполезной и быстро разрушается. Однако если движение случайно сложившейся группы молекул оказывается более выгодным, то к этой группе начинают присоединяться другие молекулы. Упорядоченный процесс разрастается и в конце концов захватывает всю систему.
Для того чтобы быть самоорганизующимися, физические структуры должны постоянно поглощать и выделять, т. е. пропускать через себя, большое количество энергии. Такие структуры называют диссипативными (от «диссипация» – рассеивание), потому что они поглощают и рассеивают энергию. В следующем параграфе мы рассмотрим устройство лазеров – одной из используемых в практике диссипативных систем.
1. Сравните изолированные и открытые системы. Какие из них более распространены в природе?
2. Приведите пример системы, через которую проходит поток вещества и энергии.
3. Дайте определение стационарного состояния открытой системы.
4. Чем отличается движение воды в горном потоке от её течения в равнинной реке?
5. Используя рисунок 25, объясните, как происходит образование ячеек Бенара.
6. Что такое диссипативные структуры?
Используя материал параграфа, организуйте и проведите работу по получению ячеек Бенара. Сфотографируйте или снимите на видео результат вашего эксперимента.
§ 14 Лазеры как неравновесные самоорганизующиеся системы
Хлынов указал на светящуюся прямую, как игла, нить. Она шла сверху от развалин по направлению заводов Анилиновой компании. Путь её обозначался вспыхивающими листочками, горящими клубками птиц. Теперь она светилась ярко, – большой отрезок её перерезывал чёрную стену сосен.
– Она опускается! – крикнул Вольф. И не окончил. Оба поняли, что это была за нить. В оцепенении они могли следить только за её направлением. Первый удар луча пришёлся по заводской трубе, – она заколебалась, надломилась посредине и упала. Но это было очень далеко, и звук падения не был слышен.
Почти сейчас же влево от трубы поднялся столб пара над крышей длинного здания, порозовел, перемешался с чёрным дымом. Ещё левее стоял пятиэтажный корпус. Внезапно все окна его погасли. Сверху вниз, по всему фасаду, побежал огненный зигзаг, ещё и ещё… Хлынов закричал, как заяц… Здание осело, рухнуло, его костяк закутался облаками дыма.
