Ясно, что наблюдаемые изменения объясняются склонностью энергии к рассеянию. Действительно, теперь состояние возбуждения атомов оказалось физически рассеянным в пространстве вследствие спонтанного рассеяния атомов по объему сосуда. Каждый атом обладает кинетической энергией, и потому распространение атомов по сосуду приводит и к распространению энергии.

1.3 Хаос и порядок

В химии, как и в физике, все естественные изменения вызваны бесцельной “деятельностью” хаоса. Мы познакомились с двумя важнейшими достижениями Больцмана: он установил, каким образом хаос определяет направление изменений и как он устанавливает скорость этих изменений. Мы убедились также в том, что именно непреднамеренная и бесцельная деятельность хаоса переводит мир в состояния, характеризующиеся все большей вероятностью. На этой основе можно объяснить не только простые физические изменения (скажем, охлаждение куска металла), но и сложные изменения, происходящие при превращениях вещества. Но вместе с тем мы обнаружили, что хаос может приводить к порядку. Если дело касается физических изменений, то под этим понимается совершение работы, в результате которой в свою очередь могут возникать сложные структуры, иногда огромного масштаба. При химических изменениях порядок также рождается из хаоса; в этом случае, однако, под порядком понимается такое расположение атомов, которое осуществляется на микроскопическом уровне. Но при любом масштабе порядок может возникать за счет хаоса; точнее говоря, он создается локально за счет возникновения неупорядоченности где-то в ином месте. Таковы причины и движущие силы происходящих в природе изменений.

1.4 Понятие структуры

Каждый из нас в общих чертах знает, что такое структура ; как правило, это определенное расположение, конфигурация частиц — атомов, молекул или ионов. Так, вполне определенную структуру представляет собой кристалл. Он отличается от газа, от жидкости и от куска масла, так как во всех этих веществах взаимное расположение частиц не является строго определенным, фиксированным. Но имея дело с кристаллом, мы можем быть уверены, что обнаружим частицы на строго определенном расстоянии друг от друга. В бесструктурных состояниях вещества — в газах, жидкостях и аморфных твердых телах — относительные расположения частиц совершенно неопределены.

Обобщая эти предварительные наблюдения (в дальнейшем мы будем иметь дело с более сложными примерами), нетрудно заметить, что частицы в кристаллических твердых телах расположены упорядочено (или, как иногда говорят, обладают пространственной когерентностью); иными словами, расположение частиц взаимно коррелированно. В противоположность этому в газах (и в меньшей степени в жидкостях) подобная пространственная упорядоченность практически отсутствует: расположения частиц не обладают взаимной корреляцией. Таким образом, можно сказать, что понятие структуры равнозначно понятию упорядоченности, когерентности, когда частицы организованы в строго определенные конфигурации; напротив, отсутствие структуры означает и отсутствие упорядоченности, когда расположения частиц вполне случайны. В такое понимание связи структуры и порядка хорошо вписываются как твердое тело, обладающее структурой, так и бесструктурные газы.

Такое предварительное определение структуры через описание вещества, состоящего из частиц с упорядоченным расположением, можно уточнить с тем, чтобы дать более адекватное описание природы жидкого состояния. При изменении расположения частиц в жидкостях одним из методов рентгеноструктурного анализа, столь широко используемых ныне для исследования строения твердых тел, обнаруживается вполне определенное локальное расположение частиц. Однако чем дальше мы отходим от данной частицы, тем все с меньшей уверенностью можем ожидать, что действительно обнаружим следующую частицу там, где ей следовало бы находиться согласно установленному локальному порядку. Иными словами, с удалением друг от друга частицы становятся все более независимыми, а их расположение - неуправляемым (т.е. взаимная корреляция частиц ослабляется). Короче говоря, твердые тела обладают дальним порядком; им присуща глобальная структура или крупномасштабная когерентность — в том смысле, что расположения частиц вполне предсказуемы на больших расстояниях (например, вплоть до границ кристалла). Газы практически полностью лишены подобной глобальной структуры (они не имеют даже границы своего положения); в расположении их частиц отсутствует когерентность даже на самых малых расстояниях. Жидкости, как подсказывает нам интуиция, занимают промежуточное положение между твердыми телами и газами. Они обладают лишь локальной структурой и лишены структуры глобальной; на малых расстояниях (порядка нескольких соседних молекул) расположения частиц сохраняют упорядоченность, полностью теряя ее на больших расстояниях. Существуют различные виды жидкостей с большей или меньшей степенью упорядоченности. Например, жидкие кристаллы обладают дальним порядком по некоторым направлениям, тогда как по другим он полностью отсутствует. Можно сказать, что такие анизотропные вещества по одним направлениям являются твердыми телами, а по другим - жидкостями. Подобная анизотропия служит причиной необычных оптических свойств этих веществ, позволяющих использовать их в качестве материала для дисплеев ЭВМ, микрокалькуляторов, наручных часов и т. д.

Уточним теперь наше предварительное определение структуры и расширим область его применимости. Здесь и далее мы будем рассматривать понятия структуры и упорядоченности как синонимы (лат. structura означает строение, расположение, порядок). Везде и всегда, если только устанавливается состояние упорядоченности, мы будем рассматривать это как возникновение структуры. Более того, будем считать, что упорядоченность — это не только наличие корреляции в пространстве, как в обычных физических объектах; она может также проявляться — и это имеет принципиальное значение — как корреляция во времени (в последнем случае термин “когерентность” употребляется в своем буквальном смысле).

Обобщив таким образом наши рассуждения, посмотрим, какие объекты подходят под новую классификацию. Очевидно, что сюда безоговорочно относится давно знакомое нам твердое тело; обнаруживаются, однако, и “новички”. Один из них представляет собой структуру такого типа, которая сохраняется только при условии рассеяния энергии. Подобные структуры называют диссипативными; к ним, в частности, относятся живые организмы, в том числе человек.

Диссипативные структуры — это структуры, образующиеся в результате рассеяния (диссипации) энергии. К ним относятся некоторые недолговечные структуры, которые распадаются, как только прекращается поток энергии или вещества. Некоторые из таких структур являются по своей природе биологическими, другие - физическими; все они возникают из хаоса - “праха” и вновь обращаются в “прах”. Одной из первых описанных структур подобного вида была ячеистая структура, образующаяся в жидкости при наличии конвекции между двумя горизонтальными плоскостями, нижняя из них нагрета сильнее, чем верхняя. Пока разность двух плоскостей мала, движущиеся частицы жидкости распределены хаотично. Однако, когда разность температур становится достаточно большой, возникает неустойчивость Бенара, и жидкость обнаруживает структуру.