Неравновесная термодинамика И. Пригожина

Эта концепция имеет несколько иной аспект. Ее основоположник И. Пригожин отметил, что в теоретической химии и физике возникло новое направление, находящееся в самом начале своего развития, в нем важнейшую роль будут играть термодинамические концепции. Задачей новой науки является доказательство того факта, что неравновесие может быть причиной порядка.

До недавнего прошлого физическая наука вполне обходилась равновесной термодинамикой. Предметом этой дисциплины являются процессы преобразования энергии, протекающие в замкнутых системах, состояние которых близко к термодинамическому равновесию. Но в подобных системах для самоорганизации нет места. Поэтому нужно создать новую термодинамику, способную отражать скачкообразные процессы.

Чтобы система могла не только поддерживать, но и создавать упорядоченность из хаоса, она непременно должна быть открытой и иметь приток энергии и вещества извне. Именно такие системы названы Пригожиным диссипативными. Весь доступный нашему познанию мир состоит именно из таких систем, и в этом мире повсюду обнаруживается эволюция, разнообразие форм и неустойчивость.

В ходе эволюционного этапа развития диссипативная система достигает в силу самого характера развития состояния сильной неравновесности и теряет устойчивость. Это происходит при критических значениях управляющих параметров, и дальнейшая зависимость происходящих процессов от действующих сил приобретает крайне нелинейный характер.

Разрешением возникшей кризисной ситуации служит быстрый переход диссипативной системы в одно из возможных устойчивых состояний, качественно отличающихся от исходного. Пригожин трактует такой переход как приспособление диссипативной системы к внешним условиям, чем обеспечивается ее выживание. Это и есть акт самоорганизации системы.

Самоорганизация проявляется в форме гигантской коллективной флуктуации, которая не имеет ничего общего со статистическими законами физики. В состоянии перехода элементы системы ведут себя коррелированно, хотя до этого они пребывали в хаотическом движении.

В качестве примера можно взять этап перехода от однородной Вселенной к структурной. В начале этого перехода Вселенная представляла собой смесь трех почти не взаимодействовавших между собой субстанций: лептонов, фотонов и барионного вещества. Температура (3000 К) и плотность вещества к этому времени уже были достаточно низкими, и в этих условиях ни одно из четырех фундаментальных взаимодействий не могло обеспечить процессы нарастания сложности и упорядоченности вещества. Перспективой было образование «лептонной пустыни», аналога «тепловой смерти». Но этого не случилось, произошел скачок системы в качественно новое состояние: во Вселенной возникли разномасштабные структуры, находящиеся в сугубо неравновесных состояниях. Для объяснения этого процесса и привлекаются идеи самоорганизации материи. С формальной точки зрения Вселенную можно считать диссипативной системой, так как она открыта (если считать окружающей средой Вселенной вакуум); неравновесна (в ней нарушен равновесный состав вещества и антивещества, она состоит из трех почти не взаимодействующих между собой частей, каждая из которых имеет свою температуру); температура и плотность вещества на данном этапе являются критическими, так как ни одно из физических взаимодействий не обеспечивает дальнейшего развития Вселенной. Все это и привело к скачку, образованию структурной Вселенной.

Переход диссипативной системы из критического состояния в устойчивое неоднозначен. Сложные неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчивого в одно из нескольких дискретных устойчивых состояний. В какое именно из них совершится переход - дело случая. В системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации, под действием одной из них происходит скачок в конкретное устойчивое состояние. Поскольку флуктуации случайны, то и «выбор» конечного состояния оказывается случайным. Но после совершения перехода назад возврата нет. Скачок носит одноразовый и необратимый характер. Критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, называют точкой бифуркации.

Обнаружение феномена бифуркации, как считает Пригожин, ввело в физику элемент исторического подхода. Любое описание системы, претерпевшей бифуркацию, требует включения как вероятностных представлений, так и классического детерминизма. Находясь между двумя точками бифуркации, система развивается закономерно, тогда как вблизи точек бифуркации существенную роль играют флуктуации, которые и определяют, какой из путей дальнейшего развития будет избран.

Таким образом, самоорганизация заставляет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем, в природе в целом. В развитии выделяются две фазы: плавная эволюция, ход которой достаточно закономерен и жестко детерминирован, и скачки в точках бифуркации, протекающие случайным образом и поэтому случайно определяющие последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в новой критической точке.

В том, что точки бифуркации - это не абстракция, имеет возможность убедиться каждый человек. У любого человека возникали ситуации, когда он стоял перед выбором своего дальнейшего жизненного пути и случайное стечение обстоятельств определяло этот путь. Например, человек собирался уехать учиться в другой город, но сломал себе ногу и должен был остаться дома. Так случай определил последующий жизненный этап. Подобные примеры можно продолжить, каждый может привести их из своей жизни.

Важным моментом в разработке проблем неравновесной термодинамики является ее отношение к проблеме необратимости времени. Самоорганизация не подчиняется статистическим законам, но при ее протекании в явном виде обнаруживается «стрела времени» - процесс скачка невозможно повернуть вспять. Классическая механика, основанная на динамических законах, не исключает возможности обращения времени. Так, поменяв в уравнениях, описывающих движение тела, знак плюс на минус перед временем и скоростью, мы получим описание движения этого тела по пройденному пути в обратном направлении. И хотя весь наш опыт убеждает в невозможности повернуть время вспять, такая возможность теоретически не исключалась. Другое дело - статистические законы, в том числе законы термодинамики. Для систем, состоящих из очень большого числа частиц, неизбежно вытекает однонаправленность процессов природы.

Проблемами самоорганизации также занимается теория катастроф. Катастрофами называют скачкообразные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Эта теория дает универсальный метод исследования всех скачкообразных переходов, разрывов, внезапных качественных изменений.

Сегодня картина мира выглядит так. Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма заложена присущая материи способность к самоорганизации, проявляющаяся в критических точках системы. Самая крупная из известных человеку систем - это развивающаяся Вселенная.

План семинарского занятия (2 часа)

1. Классическая и современная концепции развития в естествознании.

2. Сущность идеи самоорганизации материи.

3. Основы синергетики и неравновесной термодинамики.

Темы докладов и рефератов

1. Значение книги И. Пригожина и И. Стенгерс «Порядок из хаоса» для современной науки.

2. Основы теории катастроф.

ЛИТЕРАТУРА

1. Арнольд А. И. Теория катастроф. М., 1990.

2. Пригожий И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.

3. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1996.

4. Хакен Г. Синергетика. М., 1985.

ТЕМА 17

СТАНОВЛЕНИЕ И РАЗВИТИЕ ХИМИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ МИРА

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ХИМИИ

Процесс зарождения и формирования химии как науки был длительным во времени, сложным и противоречивым по содержанию. Истоки химических знаний лежат в глубокой древности. В их основе лежит потребность человека получить необходимые вещества для своей жизнедеятельности. Для этого нужно было научиться производить из одних веществ другие, с заданными свойствами, то есть осуществлять их качественные превращения.

Происхождение названия «химия» не выяснено до сих пор, хотя по этому вопросу существует несколько версий. Согласно одной из них, это название произошло от египетского слова «хеми», что означало Египет, а также «черный». Историки науки переводят этот термин также как «египетское искусство». Таким образом, в этой версии слово химия означает искусство производить необходимые вещества, в том числе и искусство превращать обыкновенные металлы в золото и серебро или их сплавы.

Однако в настоящее время более популярно другое объяснение. Группа ученых полагают, что слово «химия» произошло от греческого термина «химос», который можно перевести как «сок растений». Поэтому «химия» означает «искусство получения соков», но сок, о котором идет речь, может быть и расплавленным металлом. Так что химия может означать и «искусство металлургии».

История химии показывает, что ее развитие происходило неравномерно: периоды накопления и систематизации данных эмпирических опытов и наблюдений сменялись периодами открытия и бурного обсуждения фундаментальных законов и теорий. Последовательное чередование таких периодов позволяет разделить историю химической науки на несколько этапов:

1. Период алхимии - с древности до XVI в. нашей эры. Он характеризуется поисками философского камня, эликсира долголетия, алкагеста (универсального растворителя). Кроме того, в алхимический период почти во всех культурах практиковалось «превращение» неблагородных металлов в золото или серебро, но все эти «превращения» у каждого народа осуществлялись самыми разными способами.

2. Период зарождения научной химии, который продолжался в течение XVI - XVIII веков. На этом этапе были созданы теории Парацельса, теории газов Бойля, Кавендиша и др., теория флогистона Г. Шталя и, наконец, теория химических элементов Лавуазье. В течение этого периода совершенствовалась прикладная химия, связанная с развитием металлургии, производства стекла и фарфора, искусства перегонки жидкостей и т.д. К концу XVIII века произошло упрочение химии как науки, независимой от других естественных наук.

3. Период открытия основных законов химии охватывает первые шестьдесят лет XIX века и характеризуется возникновением и развитием атомной теории Дальтона, атомно-молекулярной теории Авогадро, установлением Берцелиусом атомных весов элементов и формированием основных понятий химии: атом, молекула и др.

4. Современный период длится с 60-х годов XIX века до наших дней. Это наиболее плодотворный период развития химии, так как в течение немногим более 100 лет были разработаны периодическая классификация элементов, теория валентности, теория ароматических соединений и стереохимия, теория электролитической диссоциации Аррениуса, электронная теория материи и т.д.

Вместе с тем в этот период значительно расширился диапазон химических исследований. Такие составные части химии, как неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, фармацевтическая химия, химия пищевых продуктов, агрохимия, геохимия, биохимия и т.д. приобрели статус самостоятельных наук и собственную теоретическую базу.

К сожалению, рамки нашей книги не дают возможности подробно описать даже основные химические теории, поэтому мы остановили свое внимание лишь на наиболее интересных и значительных в истории этой науки.

АЛХИМИЯ

Традиционно алхимия считалась псевдонаукой, или эзотерическим знанием, полным мистики и тайн. Целью ее были поиски философского камня, создание эликсира долголетия и открытие способов превращения металлов в золото и серебро. При таком понимании алхимии изучение ее в курсе истории науки представляется весьма сомнительным. Но такая оценка алхимии является односторонней.

Дело в том, что в течение своей многовековой истории алхимики в процессе проводимых ими исследований решали многие практически важные задачи. В течение алхимического периода были получены сведения о многих процессах и открыты различные методы производства продуктов, пользовавшихся большим спросом. Алхимики, хотя и не смогли найти философский камень, сделали столько открытий, наблюдали столько реакций, что это способствовало становлению новой науки. Именно алхимики в поисках философского камня заложили фундамент для создания химии.

Наивысшего развития алхимия достигла в трех основных своих типах: греко-египетском, арабском и западно-европейском. Выделение этих типов в структуре алхимических исследований обусловлено прежде всего особым пониманием целей и предмета в каждом из них.

Родиной алхимии был Египет. Там еще в древности были известны способы производства металлов, получения сплавов для монет и драгоценных изделий, которые держались в секрете и были достоянием очень ограниченного круга жрецов. Постоянно увеличивающийся спрос на благородные металлы, вызванный ростом населения, расширением торгового обмена, снижением продуктивности старых золотоносных месторождений подтолкнул представителей практической металлургии к реализации предполагавшейся тогда возможности превращения одного металла в другой, и, в частности, превращения свинца или железа в золото (трансмутация). Считалось, что у этих практиков накопилось достаточно наблюдений, подтверждающих превращение неблагородных металлов в благородные.

Свою роль в становлении алхимии сыграла философская теория Эмпедокла о четырех элементах Земли (вода, воздух, земля, огонь). Согласно этой теории различные вещества на Земле различаются только по характеру сочетания этих элементов. Эти четыре элемента могут смешиваться и в однородные вещества. Само предположение о том, что эти элементы взаимозаменимы, не было лишено оснований. Вполне можно было допустить, что вода при испарении превращается в воздух, который в свою очередь превращается в воду во время дождя. Дерево во время нагревания превращается в огонь и дым (вид воздуха) и т.п. Почему же в таком случае не допустить возможность других изменений? Может быть, все зависит только от выбранного метода? Практическим следствием такого хода мысли явилось то, что на протяжении столетий алхимики самозабвенно старались отыскать способ получения золота. Многочисленные неудачи привели некоторых из них к выводу, что проще и выгоднее представить себя обладателем философского камня, так как это давало власть и создавало репутацию.

Вполне естественно, что алхимический характер металлургии довольно быстро связал ее с астрологией и магией. Число семь в древности было священным, число известных металлов было тоже семь и открытых планет также семь. Это совпадение послужило основой для предположения, что каждый металл имеет астрологическую связь с соответствующей планетой. Так, золото связывалось с Солнцем, серебро - с Луной, медь - с Венерой, железо - с Марсом, свинец - с Сатурном, олово - с Юпитером, ртуть - с Меркурием. Соответственно возникло и обозначение металлов символами и наименованиями, отвечающими небесным светилам.

Важнейшей проблемой алхимии считался поиск философского камня. Но в тщетной погоне за ним алхимиков углублялись и расширялись их знания о химических процессах. В это время греко-египетские алхимики улучшили процесс очистки золота путем купеляции (нагревая богатую золотом руду со свинцом и селитрой). Было также широко распространено выделение серебра путем сплавления руды со свинцом. Получила развитие и металлургия обыкновенных металлов. Ртуть широко применялась для извлечения золота и серебра, был известен и сам процесс получения ртути.

Итоги начального периода алхимии были зафиксированы в «Изумрудной скрижали», приписываемой Гермесу Трисмегисту, составленной примерно в III в. и ставшей классическим алхимическим сочинением.

Однако в период правления императора Диоклетиана в Древнем Риме алхимия стала преследоваться, так как Диоклетиан боялся, что получение дешевого золота окончательно подорвет шаткую экономику империи. Он приказал уничтожить все труды по алхимии.

Свою роль в запрете алхимии сыграло и христианство. В первые века нашего летоисчисления оно выступило против алхимической практики, рассматривая ее тогда как дело дьявола. «Языческие» знания были не популярны, а искусство алхимии, тесно связанное с древней египетской религией, казалось особенно подозрительным, и вскоре стало фактически нелегальным.

АРАБСКАЯ АЛХИМИЯ

В VII веке на мировой арене появились арабы. В 641 г. н.э. они вторглись в Египет и вскоре заняли всю страну. Подражая древним египетским фараонам, арабские халифы стали покровительствовать наукам. К концу VIII века в арабском мире появились химики. Арабы преобразовали египетское слово хеми в аль-химия. Европейцы позднее заимствовали это слово у арабов и в результате в европейских языках появились термины «алхимия» и «алхимик».

Самым талантливым и прославленным арабским алхимиком был Джабир ибн Хайям, ставший известным в Европе позднее под именем Гебер. После себя он оставил многочисленные труды, в которых описал нашатырный спирт, технологию приготовления свинцовых белил, способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты.

Однако основным предметом его исследований стало изучение возможности трансмутации металлов и эти его исследования оказали сильнейшее влияние на последующие поколения арабских алхимиков. Джабир полагал, что ртуть является наиболее чистым из всех металлов, так как благодаря своей жидкой форме, она содержит очень мало примесей. Столь же необычными свойствами обладает и сера: она способна самостоятельно воспламеняться. При этом он считал, что более чистым металлом является тот, который содержит больше ртути, а менее чистым тот, который содержит больше серы. Среди арабских алхимиков вообще существовало глубокое убеждение, что более прочные, блестящие и ковкие металлы содержат больше ртути, а металлы, легче подвергающиеся изменению, содержат больше серы.

Основополагающая идея теории Джабира заключалась в том, что все семь основных металлов образуются из смеси ртути и серы. Труднее всего образуется золото - наиболее совершенный металл. Чтобы осуществить превращение одного металла в другой, необходимо было согласно этой теории, иметь некое «лекарство», которое вызывает превращение неблагородных металлов в благородные, ускоряет «созревание» золота.

В старинных рукописях говорилось, что это вещество представляет собой сухой порошок, камень, великий эликсир, «магистерий». Греки называли его ксерион, а арабы изменили это название на аль-иксир, и в конце концов в европейских языках появилось слово эликсир. В Европе это удивительное вещество получило название философского камня. Эликсир должен был обладать многими чудесными свойствами: излечивать от всех болезней, давать бессмертие, а самое главное -превращать неблагородные металлы в серебро и золото. Все последующее развитие арабской алхимии шло двумя параллельными путями: одни занимались трансмутацией золота, другие искали эликсир жизни, дававший бессмертие.

ЗАПАДНОЕВРОПЕЙСКАЯ АЛХИМИЯ

Появление алхимии на Западе стало возможным прежде всего благодаря крестовым -походам. Тогда европейцы позаимствовали у арабов многие научно-практические знания и среди них алхимию, которая получила быстрое распространение и способствовала расширению знаний о препаратах, необходимых в медицине.

Европейская алхимия находилась в этот период под покровительством астрологии и поэтому приобрела характер тайной науки. Политические условия, сложившиеся в средневековой Европе, и острое соперничество многочисленных королевских дворов благоприятствовали развитию алхимии. В период с XI до XVI века, то есть в течение пяти веков, западная алхимия дала много крупных мыслителей, оставивших глубокий след в развитии химии.

Начиная с 1200 года европейские ученые могли близко познакомиться с наследием алхимиков прошлого и дальше развивать их исследования. Имя самого видного из средневековых алхимиков осталось неизвестным, но, вероятно, он был испанцем и жил в XIV веке. Его заслуга перед химией Состояла в том, что он первый описал серную кислоту - одно из самых важных соединений современной химии (после воды, воздуха, угля и нефти). Он также описал, как образуется азотная кислота. Ее открытие также связано с попытками получить золото. Было замечено важное свойство царской водки (получаемой при взаимодействии азотной кислоты с раствором нашатыря) воздействовать на золото, считавшееся до тех пор неподдающимся изменению.

Открытие сильных минеральных кислот было самым важным достижением химии после успешного получения железа из ртути примерно за 3000 лет до того. Используя сильные минеральные кислоты, европейские химики смогли осуществить многие новые реакции и, в частности, сумели растворить такие вещества, которые древние греки и арабы считали нерастворимыми.

Минеральные кислоты дали человечеству гораздо больше, чем могло бы дать золото, если бы его научились получать с помощью трансмутации. Если бы золото перестало быть редким металлом, оно мгновенно бы обесценилось. Ценность же минеральных кислот тем выше, чем они дешевле и доступнее.

В XIV веке западные алхимики, разочаровавшись в попытках получить философский камень, вернулись к теории, которая рассматривала ртуть и серу как основные составные части металлов, но при этом они ввели третью составную часть -«соль». Под солью здесь подразумевалось соляное основание металлов, которое должно было дополнить две другие составные части и придать ртути свойство затвердевать и противостоять огню. Таким образом были изучены соли, число которых значительно возросло. Их различали по происхождению:

хлористый натрий называли морской солью, селитру - каменной солью и т.д.

Западные алхимики не внесли значительного усовершенствования в металлургию, они лишь применили то, что было известно арабским алхимикам, к условиям европейских стран и, главным образом, к переработке руд металлов.

Из достижений европейских алхимиков особого упоминания заслуживает изучение продуктов брожения (вино, уксус), поскольку именно в западной алхимии берет начало изготовление чистого спирта путем перегонки крепких вин и водки. Перегонные аппараты применялись в Италии с XI века и быстро нашли распространение в других европейских странах. Заслугой западных алхимиков является также значительное расширение знаний в области практической и прикладной химии. В этот период были созданы аппараты, применяемые при различных операциях, связанных с нагреванием на прямом огне, на песчаной бане, на водяной бане, применяемые при перегонке, выпаривании, фильтровании, кристаллизации, настаивании и возгонке.

Таким образом были подготовлены соответствующие условия для исследований химических соединений, их применения в медицине и практической науке. Поиск золота стал делом многих мошенников, хотя некоторые великие ученые даже в просвещенном XVII веке (Бойль, Ньютон) не смогли устоять от соблазна попытаться получить золото посредством трансмутации. И вновь изучение алхимии было запрещено. Запрещение преследовало две цели: нельзя было допустить обесценивания золота и необходимо было бороться против мошенничества.