Тит Лукреций Кар “О природе вещей”.

Порядок, как следствие структуры пространства, определяет закономерность размещения частей материального микро- и макромира, микрокосма и макрокосма.

Порядок в строении атома определяется структурой закономерного размещения в ядре атома протонов и нейтронов, кварков, наконец, а вокруг ядра – электронных оболочек. Этот порядок обеспечивается взаимодействием ядерных, электромагнитных, гравитационных сил, то есть полевых форм материи.

Порядок, как выражение структурно-энергетического состояния системы, характеризуется минимальной энтропией, хаос – максимальной. Чем больше хаос, тем больше энтропия. Рост энтропии является следствием перехода отдельных видов движения материи в тепло. В случае, когда создается более упорядоченное состояние в какой-либо небольшой системе за счет влияния извне, совершенно обязательно это вносит дополнительный беспорядок в бульшую систему. Это наглядно можно увидеть на примере работы холодильника, в котором работающий мотор выделяет дополнительное тепло в атмосферу, еще больше нагревая ее и увеличивая “хаос” движения молекул. Законы термодинамики гласят, что “порядок”, установленный в меньшей системе, обязательно увеличивает “хаос”, внесенный в большую систему. Поэтому, несмотря на то, что в каких-то отдельных частях может быть установлен порядок, в целом в мире “хаос”, энтропия должны только нарастать.

На уровне минерала порядок обеспечивается структурой вхождения атомов, ионов элементов в определенный тип элементарной решетки (ячейки), которая, повторяя (транслируя) себя множество раз по кристаллографическим направлениям, образует устойчивую структуру, генетически обусловленную для каждого минерального вида.

Эта обусловленность исходит из взаимодействия между атомами кристаллической структуры, которая в первом приближении может быть описана с помощью модели, которую в начале 40-х годов нашего столетия создали английские кристаллофизики Л.Брегг, Д.Най и В.Ломер. Самое важное следствие взаимодействия между атомами в кристалле непосредственно вытекает из простейшего факта, который состоит в том, что расстояние между соседними атомами при постоянной температуре имеет вполне определенную величину. Речь идет о расстоянии между положениями, около которых атомы кристалла совершают колебания, и в которые возвращаются, восстанавливая определенное расстояние между собой, при вызванных внешними причинами отклонениях от этих положений.

На определенном расстоянии, обусловленным свойством кристаллической структуры, силы притяжения и отталкивания между атомами оказываются равными по величине. Силы притяжения и отталкивания между атомами в кристаллической решетке определяются энергией. Кривая зависимости энергии от взаимодействия между ними выражается потенциалом взаимодействия и является функцией расстояния между атомами. С повышением температуры, когда тепловая энергия колебания атомов в структуре кристалла возрастает, происходит тепловое расширение кристалла, а атомы смещаются относительно своих прежних положений (раз­дви­га­ют­ся), т.е. увеличивается их равновесное расстояние друг относительно друга. Реально взаимодействуют не пара соседних атомов, а их множество в структуре кристалла; их колебания друг относительно друга определяют теплоемкость кристалла, коэффициент его теплового расширения и пр.

В 1819 году французские ученые Пьер Луи Дюлонг и Алексис Терез Пти на основе обобщения своих опытов по теплоемкости твердых тел сформулировали фундаментальный закон (носящий их имена), согласно которому произведение теплоемкости одного грамма вещества в твердом состоянии на его молярную массу есть величина почти одинаковая для всех веществ, не зависящая от температуры и составляющая около 6 калорий. Или, по иному: теплоемкость в расчете на моль для всех веществ одна и та же и равна 6 кал/моль^.°К. Так как моль любого вещества содержит одно и то же количество атомов, то открытие Дюлонга и Пти обозначает, что для повышения на 1 градус температуры твердого тела каждый атом поглощает одно и то же количество энергии.

Однако через десять лет после открытия Дюлонга и Пти оказалось, что некоторые тугоплавкие вещества, например алмаз, не подчиняются этому закону. А поэтому было установлено, что теплоемкость таких веществ не является постоянной, а увеличивается с ростом температуры, стремясь к тому значению, которое именно предусматривается законом. Другими словами, закон Дюлонга и Пти справедлив в высокотемпературной области.

Исследования поведения атомов в твердых телах на основе модели классических маятников (пружинной модели колебания атомов в кристаллической решетке) позволили установить, что период их колебаний относительно так называемой оседлости (относительного положения в структуре кристалла) практически не зависит от температуры. Значение амплитуды и периода колебаний атома таковы, что он за секунду совершает 10¹²-10¹³ колебаний и при этом проходит путь равный 10³-10⁴ см! Это говорит об очень активной “жизнедеятельности” атомов в структуре кристаллов.

Открытие Дюлонга и Пти оказалось первым этапом почти вековой истории выяснения природы теплоемкости кристалла. Два последующих этапа связаны с именами великих физиков ХХ века – Альберта Эйнштейна и Петера Дебая. Их достижения относятся к области теории кристаллической структуры. Экспериментальным же изучением теплоемкости в ХХ веке занимались во многих лабораториях мира.

Эйнштейн отказался от классической модели маятника, описывающего колебания атомов в кристаллической решетке, и принял квантовую. В новой модели атомы в структуре решетки могут менять свою энергию лишь определенными порциями, квантами. Различные величины, характеризующие свойства вещества и зависящие одна от другой, в классической (не квантовой) физике связаны так, что любое сколь угодно малое изменение одной из величин влечет за собой малое изменение другой величины. Нет скачков, нет ступенек, а есть непрерывное изменение: “чем-тем”. Согласно Эйнштейну, последовательность значений энергии, которую может иметь атом, колеблющийся в узле кристаллической решетки, образует “энергетическую лесенку”.

Физический смысл идеи Эйнштейна заключается в том, что при низкой температуре тепловая энергия, которая как известно пропорциональна температуре, может оказаться меньше той минимальной “квантовой” порции энергии (энергетической лесенки), которую атом, колеблющийся с частотой n, может поглощать. Складывается ситуация, противоречащая здравому смыслу, воспитанному на классических закономерностях: мы греем кристалл в обычной “классической печи”, а он, следуя квантовым законам, не должен поглощать тепло. Если бы атомы имели абсолютно одинаковые свойства, кристалл бы обнаружил нулевую теплоемкость до температуры Т » 400°К. В действительности, когда средняя тепловая энергия kT меньше квантовой порции hn, некоторое малое количество атомов, вследствие случайного стечения обстоятельств, может иметь энергию, равную энергии одного кванта. С повышением температуры число таких атомов будет возрастать. Могут даже появиться атомы, энергия которых равна энергии двух и большего числа квантов. А это означает, что они (а с ними и кристалл) будут поглощать энергию, и кристалл обнаружит ненулевую теплоемкость.

Заслугу Эйнштейна переоценить трудно: он не только устранил кричащее противоречие между классическим представлением о теплоемкости твердых тел и результатами ее экспериментального исследования, не только внес существенную корректировку в классические представления о непременных признаках жизни кристалла, но и перенес квантовые представления в теорию твердых тел. Полученные Эйнштейном формулы качественно верно отражали экспериментально найденные зависимости теплоемкости от температуры, и все же количественное совпадение теории с результатами эксперимента не достигалось. Этого совпадения добился Петер Дебай (1884-1966).

Дебай, вместо того, чтобы описывать судьбу каждого атома в отдельности на основе их колебаний в квантовой модели Эйнштейна, предложил описывать судьбу каждого из зависящих друг от друга колеблющихся атомов на основе волнового принципа. Это можно сделать, сопоставив каждую волну, для которой характерна частота n, и некоторую фиктивную частицу, энергия которой hn. Эту не реальную, а “квазичастицу” физики называют фонон. Фотон – сгусток световой, а фонон – звуковой энергии. Фонон – “квази”, а не настоящая частица. Настоящую материальную частицу можно было бы изъять из кристалла и поселить где-нибудь в другом месте, например в ином кристалле. А квазичастица существует лишь как возбуждение в твердом теле, а значит, удалить ее из кристалла нельзя. Квазичастица – одно из фундаментальных представлений, лежащее в основе современной квантовой теории твердого тела. К образу квазичастицы физики-теоретики прибегают при описании практически всех свойств твердых тел: и тепловых, и электрических, и магнитных, соответственно, имеется целый ряд квазичастиц – экситоны, ротоны и пр.

Задачу о теплоемкости твердого тела Дебай свел к задаче о теплоемкости квазичастиц – фононов. Выполнив расчеты, Дебай, в согласии с опытом показал, что если кристалл составлен из одинаковых атомов, то в области низких температур его теплоемкость с температурой изменяется по закону С~Т³. А это значит, что картину теплового движения атомов в твердом теле он дорисовал правильно: атомы колеблются, каждый из них является квантовым маятником, маятники между собой связаны теорией теплоемкости от Дюлонга-Пти к Эйнштейну.

Как поведут себя атомы кристаллической решетки, когда температура кристалла будет равна нулю? Классические колебания атомов должны замереть, а нулевые, или квантовые, остаются в чистом виде. Они не чувствительны к температуре и неуничтожаемы, являясь непременным признаком (атрибутом) жизни кристалла. При приближении температуры кристалла к абсолютному нулю возникают весьма своеобразные квантовые эффекты, наиболее изученным среди которых является сверхпроводимость: кристалл полностью утрачивает сопротивление электрическому току. Один из предложенных вариантов объяснения эффекта состоит в объединении электронов в пары (куперовские пары, по имени исследователя), при чем они отчасти приобретают полевые свойства, свойства бозонов (в нормальном состоянии электрон – классический фермион). Современная теория сверхпроводимости еще не в состоянии предсказать, при какой конкретно температуре перейдет какое-либо сложное соединение в сверхпроводящее состояние. Синтезировано большое количество квазиодномерных и квазидвумерных (слоистых) соединений, как правило, керамик, в числе которых одной из наиболее высоких критических температур (около 23,2 °К) обладает соединение ниобия с германием (1973 г). Следует сказать о сверхпроводимости серы (26-31 °К) при особой обработке высоким давлением.

В толщу идеального сверхпроводника слабое магнитное поле не проникает, т.е. сверхпроводник является сверхдиамагнетиком. Такое его свойство названо эффектом Мейснера. В 1978 г. в Московском университете был обнаружен сверхдиамагнетизм в хлориде меди (CuCl), наблюдавшийся под давлением в несколько килобар и при температуре 150‑200 °К. Возможно, что это явилось следствием появления высокотемпературной сверхпроводящей фазы, возникающей у некоторых полупроводников или полуметаллов. В 1980 г. также наблюдался сильный диамагнитный эффект в кристаллах CdS при температуре жидкого азота и с давлением 40 кбар. Точное контролирование свойств этих веществ достаточно сложно, поскольку значительную роль здесь играют различные примеси и остаточные напряжения.

Импульс атома в узле кристаллической решетки, т.е. в той позиции, где в соответствии со структурой кристалла атом расположен, не может быть равен нулю (потому что нуль – величина точная, а у импульса должна быть некоторая неопределенность), Иными словами, атом должен пребывать в движении, колебаться. Один из непременных признаков жизни кристалла – нулевые колебания составляющих его атомов. Частота тепловых колебаний и нулевых – одинакова.

У разных веществ энергия нулевых колебаний различна. Например, для кристалла водорода, который плавится при температуре 14°К, энергия нулевых колебаний равна 10–¹⁴ эрг, а для кристалла золота, который плавится при температуре 1336°К она равна около 3,5Ч10^-14 эрг. Обладая близкими энергиями нулевых колебаний, эти кристаллы отличаются своими характеристиками. Например, энергия связи между атомами в водороде равна 10^-14 эрг, а в золоте – 10^-12, то есть на два порядка выше. Если сравнить энергии нулевых колебаний с энергиями связи, то окажется, что в случае золота энергия нулевых колебаний составляет всего около 3 % от энергии связи. Так как энергия нулевых колебаний от температуры не зависит, а энергия тепловых колебаний с температурой возрастает, то должна существовать некоторая граничная Т_R, ниже которой главенствуют нулевые, а выше – тепловые колебания. Для водорода она равна 73°К, а для золота Т_R = 255°К. Кристалл водорода раньше расплавится, чем перейдет в область температур, где главенствуют тепловые колебания, а кристалл золота уже при комнатной температуре, которая ниже температуры его плавления больше, чем на тысячу градусов, окажется во власти главным образом тепловых колебаний.

Чем легче атомы, из которых состоит кристалл, тем больше амплитуда их нулевых колебаний. Отношение амплитуды нулевых колебаний к межатомному расстоянию определяется параметром де Бура, который для большинства веществ значительно меньше единицы. А вот для гелия этот параметр приблизительно равен 3.

Когда параметр де Бура больше единицы, это означает, что вещество ни при какой температуре не может существовать в кристаллической фазе, если искусственно (приложением внешнего давления) не уменьшить амплитуду нулевых колебаний и таким образом уменьшить параметр де Бура.

Гелий, который в обычных условиях остается жидким при сколь угодно низких температурах, можно перевести в кристаллическое состояние, лишь приложив внешнее давление около 25 атмосфер.

Интуитивное желание видеть в структуре кристалла идеальный порядок противоречит законам природы. Очаг беспорядка в кристалле может появиться, например, когда атом покинет свое законное место, которое он занимал в узле решетки, и перескочит в зазор между узлами. Но для этого необходимо затратить энергию. В области будущего очага беспорядка энергия, заимствованная из энергии теплового движения атомов ближайшего окружения, может появиться случайно. Ближайшие атомы колеблются не строго согласованно, и случайные стечения обстоятельств могут привести к такому перераспределению энергии их тепловых колебаний, при котором в области будущего очага беспорядка появится энергия, достаточная для рождения очага. Появляется необходимая энергетическая флуктуация. С ростом температуры, когда активность теплового движения возрастает, должна возрастать и частота флуктуаций энергии, достаточной для возникновения очагов беспорядка, и, следовательно, концентрация очагов также должна расти.

Таким образом, флуктуация энергии, очаги беспорядка могут возникать самопроизвольно. Это не означает, что появление очагов беспорядка в кристалле сопровождается увеличением его энергии, ее удалением от требующегося термодинамического минимума. Для того, чтобы при повышенной температуре поддерживать в кристалле идеальный порядок (все атомы в узлах, все узлы заняты атомами), надо было бы энергию затратить на то, чтобы гасить самопроизвольно возникающие энергетические флуктуации. Эта энергия, привнесенная в кристалл извне, делала бы его энергию заведомо не минимальной. А это значит, что очаги беспорядка возникать будут просто потому, что не возникать не могут. Они – условие существования кристалла при температуре, отличной от нуля.

Каковы пределы возможного беспорядка в кристаллах?

В сложном переплетении процессов рождения и исчезновения вакансий атомов при данной температуре в кристалле автоматически поддерживается строго определенная, необходимая ему концентрация. Ее именуют равновесной. С ростом температуры равновесная концентрация вакансий будет возрастать.

С повышением температуры по экспоненциальному закону беспорядок в кристалле приводит к тому, что многие его характеристики изменяются, подчиняясь этому же закону.

До сих пор мы рассматривали кристалл как структуру, в узлах которого располагаются атомы. Но есть кристаллы ионные, в узлах которых находятся положительно и отрицательно заряженные ионы.

В конце 10-х годов нашего столетия Абрам Федорович Иоффе (1880-1960) изучал процессы в ионном кристалле и установил, что в условиях приложения разности потенциалов в кристалле возникает ток, интенсивность которого возрастает пропорционально температуре ионного кристалла. Это было парадоксально, т.к. сами ионы перемещаться в структуре кристалла не могут. Они намертво “приписаны” к узлам решетки самой структурой кристалла.

Этот парадокс объяснил Яков Ильич Френкель (1894-1952). Он рассуждал так: если к кристаллу приложена разность потенциалов, то одновременно, в одном акте “испарения атома в кристалл”, возникают два дефекта. Эти два дефекта называются “парой Френкеля”. Оба компонента “пары Френкеля” – и межузельный ион, и вакансия – заряжены, и под действием электрического поля могут направленно перемещаться по решетке, а, значит, переносить заряд. При этом под заряженной вакансией можно понимать ион, покинувший узел решетки и ушедший в междуузлие вместе со своим зарядом, равным по величине и обратным по знаку. Ушел катион – осталась отрицательно заряженная вакансия, ушел анион – осталась положительно заряженная вакансия. Термодинамика, требующая появления флуктуаций в кристалле, делает “пары Френкеля” не только возможными, но и необходимыми.

При высокой температуре в кристаллической решетке концентрация вакансий – “атомов пустоты” – велика (около сотой доли процента позиций в решетке вакантны). Если температуру кристалла понижать, то и концентрация вакансий должна понизиться. Важно, с какой скоростью будет происходить понижение температуры и уменьшение концентрации вакансий. Если температуру понижать медленно, вопроса не возникает: для каждой температуры концентрация вакансий будет в точности соответствовать равновесной. При низких температурах диффузионная подвижность вакансий пренебрежимо мала; вакансии, т.е. атомы пустоты, оказываются “замороженными”.

Исследование замороженных вакансий дает основание для получения информации о самодиффузии вакансий в кристаллах. Оказалось, что скорости самодиффузии вакансий в кристаллах различны. Например, в золоте время “оседлой” жизни вакансий примерно равно 10^-10 с, число скачков, которое осуществляет вакансия в секунду равно 10¹⁰, а путь который проходит вакансия в одну секунду по ломаной линии достигает 3 м. При этом путь по прямой в триста тысяч раз короче пути по ломаной, вакансия смещается по прямой всего лишь на 10 мкм.

Атомы ведут себя спокойнее вакансий. Но и они миллион раз в секунду меняют место оседлости и движутся со средней скоростью 1 м/ч.

С понижением температуры коэффициент самодиффузии будет уменьшаться, а время “оседлости” увеличиваться.

Идеи замороженной пустоты и движения вакансий породили много интереснейших и заманчивых экспериментов, положив в основу учения о кристаллах представления о мигающих вакансиях, о движении электронов в металлах, о ветрах в кристаллах и т.д.

Важнейшим следствием изучения кристаллов является оценка появления и существования различных дефектов, исследуя которые ученые решают сложнейшие проблемы, связанные с жизнью самого кристалла. В частности определяют условия его кристаллизации на основе изучения включений в минералах, оценивают состав раствора, из которого формировался кристалл сотни миллионов или даже миллиарды лет назад. Так называемая генетическая минералогия дала в руки исследователей мощнейший инструмент познания микромира твердых веществ.

Кристалл жив своими дефектами, они – его сила и слабость, цепкая память и транспортные магистрали, органы приспособления и “памяти” об окружающей его среде. Наконец, это информационная система, реагирующая на внешние воздействия (температуру, давления, дислокации, приложения разности потенциалов, облучение различными частицами). Кристалл – это окно в микро- и макромиры. Это инструмент их познания и область важнейших технологических применений.

Другими словами, ген минерального вида[20], ответственный за его наследственные признаки (структура кристалломорфологической формы, твердость, температура плавления, плотность, и т.д.), определяется структурным типом элементарной ячейки определенного набора атомов и ионов, имеющим собственные свойства (величину ионного радиуса, координационное число и т.д.).

Выдающийся русский кристаллограф Е.С.Федоров восклицал, что кристаллические многогранники буквально блещут своей симметрией. Наука кристаллография построена на законах симметрии. Обязательным же атрибутом симметрии являются закономерно повторяющиеся в пространстве равные элементы кристаллической решетки (структуры). Элементами же симметрии выступают вспомогательные геометрические образы – точки симметрии, оси симметрии, плоскости симметрии. Но как бы идеальны не были структурные формы кристаллов, полное отражение симметрии в них – редкость. Подавляющая часть минералов, слагающая твердое вещество во Вселенной, формируется в структурах весьма далеких от идеальных законов симметрии и характеризуется “дефектами”, которые как раз и несут в себе информацию об их генезисе, а также процессах, которые происходили с ними на протяжении всей истории их существования.

А что же с органическим миром? Там происходит то же самое: за кажущейся внешней симметричностью фигуры человека, животных, обыкновенного листа – несимметричность внутреннего строения.

К весьма важным свойствам структуры объектов (от кристалла до Вселенной) относится однородность и неоднородность.

Однородной (изотропной) представляется структура, которая во всем пространстве объекта (кристалла, например) во всех направлениях обнаруживает одинаковые свойства.

Неоднородной (анизотропной) является структура объекта, которая при одинаковых свойствах по параллельным кристаллографическим направлениям (например, кристаллов) в общем случае обладает неодинаковыми свойствами по непараллельным направлениям. Ниже мы покажем, что свойство однородности и неоднородности применимо и к структуре мегамира – Вселенной.

Структура горных пород представляет собой определенный порядок (структуру и текстуру) вхождения в нее присущих только этой породе минеральных видов. В конце концов, минералы, входящие в структуру горной породы, определяют свойства самой породы. Причем структурно-энергетическая упорядоченность возрастает в направлении порода – минерал – атом. В этом направлении падает энтропия. Для того чтобы, например, разрушить породу до уровня выделения из нее минеральных видов надо затратить меньше энергии, чем для разделения минерала на составные части атомов и уж гораздо больше энергии потребуется, чтобы разрушить атом. Отсюда можно сделать вывод, что образование месторождений минеральных видов из рассеянного состояния в породах земной коры – это процесс сохранения от вырождения материи, процесс, сопровождающийся уменьшением энтропии. Разрушение минеральных видов человеком, рассеяние их в биосфере (металлизация биосферы) приводит к росту энтропии и к вырождению живой материи под влиянием хозяйственной деятельности человека.

На уровне живого вещества порядок обеспечивается уже структурой органических молекул, состоящих из структурированного в молекулу определенного набора атомов, формирующих аминокислоты, белки и т.д., клетки, наконец. Генетическая информация об условиях наследственности, репликации клеток определяется структурой гена. У высших организмов (эукариот) он входит в состав хромосом. Совокупность же всех генов организма составляет его генетическую конституцию – генотип.

Разный уровень порядка (структуры) рождает новый, более высокий уровень порядка и структуры в органическом и неорганическом мире. При этом формирование живого вещества из неживого – есть процесс также препятствующий вырождению материи, потому что это ведет к снижению энтропии структуры органических соединений и живого вещества.

Ближний и дальний порядок структуры определяет свойство объекта структуры. Например, вода обладает свойствами структуры ближнего порядка, что роднит эту жидкость с минералом. Для нее характерен процесс полиморфизма (структурного изменения под влиянием температуры), как и для некоторых минеральных видов. Структура составляющих воду кластеров не имеет дальнего порядка, который присущ минералам. Подавляющее большинство жидкостей не имеет структуры ближнего и дальнего порядка, а некоторые из них (жидкий гелий) обладают свойствами сверхтекучести.

Газы, пыль, рассеиваясь в пространстве, образуют бесструктурный хаос составляющих его молекул и атомов. Однако под влиянием движения, течений, флюктуаций возникает структура турбулентных потоков, завихрений и т.д., которые могут в определенных энергетических условиях формировать структурированные формы вещества во Вселенной.

Упорядоченность структур макрокосма (планетарных, звездных систем, Галактики, Метагалактики) определяется законом всемирного тяготения, законами существования движения, масс, полевых форм материи.

Процесс разрушения структуры (порядка) ведет к понижению упорядоченности и, в конце концов, к хаосу. Хаос – бесструктурная, неупорядоченная форма существования вырожденной материи с максимальной энтропийностью системы. Однако элементы материального мира, сколь бы хаотичными они ни казались, всегда составляют некоторую структуру. Высокоэнергетические состояния (взрывного типа) относительно высокоупорядочены; но и теряя энергию при приближении к абсолютному нулю неструктурированная вырожденная материя не становится полностью хаотичной, структурируясь под действием гравитационных полей.

Эволюция – это вечная самоорганизация, поиск структурами своих оптимумов в меняющихся условиях. Если на каком-то этапе эволюции это условие достигается, это означает, что находится механизм, который становится на пути вырождения материи. Как будет показано ниже, появление жизни на Земле и есть выдающийся случай нахождения такого варианта самоорганизующейся структуры.

Сущность эволюции – в предотвращении вырождения (реструктуризации) материи, создание самоорганизующихся структур. Это вечная борьба хаоса и порядка, структурного и бесструктурного во Вселенной.

Эволюционные задачи природа может решать в основном на квантовом уровне. Все фундаментальные проблемы физики, включая “задачу трех тел”, т.е. описание поведения трех взаимодействующих друг с другом тяготеющих тел, например Земли, Луны и Солнца, трех атомов в молекуле воды или трех кварков в протоне – это анализ хаотических структур[21]. “Свойства... атомных объектов такие, как заряд, масса, спин, вид оператора энергии и закона взаимодействия частиц с внешним полем, с одной стороны совершенно объективны и могут быть абстрагированы от средств наблюдения, а с другой стороны, требуют для своей формулировки новых, квантовомеханических, понятий. В особенности это относится к формулировке задач многих тел”[22].

В природе известны так называемые спусковые (“триггерные”) процессы, при которых система от слабого внешнего воздействия скачкообразно переходит из устойчивого в неустойчивое состояние. Так, подчас небольшой приток энергии может вызвать весьма мощный процесс со значительными результатами. Такие процессы происходят в ходе формирования рудного тела в земной коре, появления циклонов в атмосфере и пр.

Создание теории фазовых переходов второго рода – один из значительных успехов физики конденсированных сред. Понятие “фазовый переход второго рода” означает изменение скачком свойств вещества, например, теплоемкости, сжимаемости, магнитных свойств; сюда же относится переход в сверхпроводящее состояние при сохранении внутренней энергии и плотности. Первые шаги в описании таких критических явлений были сделаны еще в 60-70-ые гг.

Истекшие годы принесли много нового в изучении как отдельных фазовых переходов, так и переходов в целых классах веществ. Это и т.н. “несоразмерные” фазы в сегнетоэлектриках и магнетиках, фазовые переходы в жидких и квантовых кристаллах, переходы в атомарном водороде и жидком гелии (сверхтекучесть).

Одним из наиболее важных свойств диссипативных структур является нелинейность описывающих их уравнений состояния, а также наличие внешних ограничений, управляющих поведением системы вдали от равновесия. При этом качественное соотношение диссипативной структуры определяется одной или несколькими характеристиками, называемыми управляющими параметрами. При малых значениях управляющих параметров поведение системы характеризуется устойчивым состоянием. При переходе управляющим параметром критического значения, система теряет равновесие и спонтанно переходит из симметричного к несимметричному состоянию. То есть, симметрия системы до критического значения управляющего параметра выше, чем после. Такое явление называется бифуркацией (термин означает раздвоение и употребляется в широком смысле для обозначения всевозможных качественных перестроек или превращений различных параметров). Ее характерным свойством является принципиальная невозможность предсказания поведения системы при переходе через критическое значение управляющего параметра.

Таким образом, диссипативные структуры, появляющиеся в различных физико-химических системах, обнаруживают глубокое качественное сходство. Это сходство обусловлено поведением новых ветвей решений в результате бифуркации, происходящей вследствие потери устойчивости стандартного состояния, вызванной нелинейностями и внешними ограничениями в открытой системе. Как научное направление возникла теория катастроф, исследующая необратимые бифуркации в нелинейных системах.

Бифуркационный принцип работает и в системе эволюции органического мира. Напряжение, которое растет сейчас в биосфере – это предпосылки работы механизма триггера, за которым могут лежать катастрофические процессы преобразования биосферы.

Немаловажное значение в системе взаимодействий имеет вариационный принцип механики, который гласит: для изменения состояния какой-либо материальной системы, имеющей связи, необходимо и достаточно, чтобы ее полная энергия дошла до состояния экстремума (т.е. максимума или минимума) в результате резонансных процессов взаимодействующих систем.

Если замкнутая материальная система первоначально находится в состоянии неустойчивого равновесия, то достаточно весьма малых смещений в ее структурах, чтобы произошло перераспределение масс – потенциальная энергия переходит в кинетическую.

Атмосфера и литосфера Земли представляет собой автоколебательные системы, непрерывно подпитываемые энергетикой Солнца, полем тяготения Луны и процессами, происходящими внутри самой Земли. В результате автоколебательная система непрерывно испытывает существенные собственные и вынужденные колебания как по фазе, так и по амплитуде, что, в конце концов, приводит в действие триггерный механизм.

Эту систему использовал А.В.Дьяков при прогнозе погоды с изучением солнечной активности и динамики изменения атмосферных процессов. Даже малые колебания энергии должны обеспечить весьма значительный кумулятивный эффект в развитии атмосферных процессов.

Согласно фундаментальной теореме австрийского физика Людвига Больцмана (1844-1906), на которой основан второй закон термодинамики, при самопроизвольном развитии материальных систем более вероятны такие процессы, для которых характерно уменьшение потенциальной энергии, нежели те, что требуют энергии извне.

Что касается подвода энергии извне, то здесь решающую роль играет не абсолютное значение физической величины, а ее изменения. Это характерно для любых естественных процессов и явлений.

Удаление от равновесия по представлениям бельгийского ученого И.Р.Пригожина – это движение от повторяющегося к уникальному.

Таким образом, процессы самоорганизации могут развиваться в неживой природе. От порядка к беспорядку – таков обычный ход процессов в неживой природе. А вот образование руд и минералов из рассеянного состояния в земной коре приводит к росту упорядоченности структур. На смену этой упорядоченности человек за счет нерационального использования ресурсов приводит к рассеянию энергии и металлов в земной коре... Но зато поддерживает свой порядок своей организационной структуры в рамках человеческого общества...

Иными словами, не формирует ли материя в процессе своего развития живые структуры для того, чтобы предотвратить свое вырождение? Может быть именно в борьбе с ростом энтропии и состоит предназначение человека?..

Мы, и весь окружающий нас мир, состоит из одних и тех же атомов. Последние, в свою очередь, состоят главным образом из физического вакуума, населенного электронами и положительно заряженными ядрами. Нуклоны тоже имеют структуру и ведут себя подобно крошечным молекулам, построенным из сочетания кварков[23].

Принято считать, что живой организм не имеет ничего общего с атомом – его можно разделять на части, пластать и кромсать[24]. Однако живое существо, в частности, человек представляет собой нечто большее, нежели простое собрание точечных тел. Их организация представляет собой нечто столь же реально существующее, как и сами частицы. Упорядоченное группирование эквивалентно информации, и в определенных сложных молекулах эта организация приводит в конечном счете к разуму и самосознанию[25].

Хотя мы и научились зондировать микромир и наносить на карту Вселенную, мы все же не знаем, как и почему возник этот мир. Мы не знаем, как и почему на этой планете появился и стал развиваться разум. Мы не знаем, являемся ли мы единственными созданиями во Вселенной, которые ее измеряют и пытаются познать. Но независимо от того, одиноки мы или нет, особое предназначение человека видится в том, чтобы исследовать и понять свою Вселенную. Возможно в этом заключается наша истинная роль и смысл существования.