– Мама, почему я пью молоко, компот, какао, а писаю только чаем?
– Потому что ты диссипативная структура, сынок.
Именно с этой шутки начинает свою книгу «Анатомия и физиология алюминиевого электролизера», подготовленную к печати по заказу РУСАЛа, доктор химических наук, профессор П. В. Поляков.
Внимание! Вы можете высказать свое мнение по этой статье и принять участие в голосовании.
Сегодня представление о диссипативных структурах входит в вузовские учебники — правда, в учебники для самых «продвинутых». А что об этом знаете вы?
В середине XIX века, после изобретения паровой машины, когда взаимодействие тепловой, электрической и механической работы привлекло к себе значительный интерес, были сформулированы принципы термодинамики. Согласно одной из версий первого начала термодинамики (принцип сохранения энергии) в любой закрытой системе энергия не исчезает и не возникает, а переходит из одной формы в другую. Второе начало термодинамики (принцип энтропии) описывает тенденцию систем переходить в состояние меньшей упорядоченности. В дальнейшем были разработаны теория статистической термодинамики для обратимых систем в условии равновесия (Джозайя Уиллард Гиббс) и теория неравновесных необратимых систем (Теофил де Донде). Классическим примером первой системы является таяние кусочка льда при температуре, близкой к температуре замерзания воды (когда лед то тает, то опять замерзает). Примером второй — таяние льдинки в стакане теплой воды. Пригожина больше всего интересовали неравновесные специфически открытые системы, в которых либо материя, либо энергия, либо и то и другое обмениваются с внешней средой в реакциях. При этом количество материи и энергии со временем увеличивается или уменьшается. Чтобы объяснить поведение систем, далеких от равновесия, Пригожин сформулировал теорию диссипативных структур (от dissipatio – рассеяние). Он считал, что неравновесность может служить источником организации и порядка, и описал способность систем обмениваться материей и энергией со внешней средой и спонтанно себя рестабилизировать. То есть открытие заключается в том, что биологические системы в хаосе становятся последовательными и стабилизированными. Сегодня стало очевидным, что теория и модели Пригожина применимы также к эволюционным и социальным схемам, природопользованию, к таким областям, как рост населения, метеорология, астрономия и др.
В Красноярске вот уже много лет теорией образования диссипативных структур применительно к своей области науки (металлургия легких металлов) интересуется Петр Васильевич Поляков. Его ноу-хау состоит в том, что в качестве диссипативных он рассматривает не только биологические системы, но и созданные самим человеком.
НАШЕ ДОСЬЕ.
Пётр Васильевич Поляков — профессор, доктор химических наук, заслуженный металлург РСФСР, член-корреспондент Российской академии технологических наук, заведующий кафедрой металлургии легких металлов Института цветных металлов и золота. Один из ведущих учёных в области металлургии, неоднократно читал лекции и участвовал в совместных научных исследованиях в Америке, Швейцарии, Норвегии, Китае и др. Автор около 350 научных работ, в том числе 125 изобретений и патентов. С 1998 года является руководителем Высших российских алюминиевых курсов. С 1995 года созданный П. В. Поляковым Научно-технический центр «Легкие металлы» (совместно с UC RUSAL и Институтом цветных металлов и золота) организует ежегодную Международную конференцию-выставку «Алюминий Сибири». По масштабу она не уступает аналогичным американским и европейским симпозиумам, сразу вышла за отраслевые рамки металлургии, превратившись в место встречи науки и производства.
Идея отождествления неорганических и органических систем не нова. И это понятно — ведь человек-творец, в основном, творит структуры, воспроизводящие его самого. Тем не менее единый методологический подход (к биологии и к технике) весьма плодотворен.
Итак, мы (как диссипативные структуры) поддерживаем свою жизнь, потребляя и отдавая энергию, взаимообмениваясь. А являются ли диссипативными структурами машины? Ведь они тоже и потребляют энергию, и отдают…
Что отличает диссипативные структуры? Можно выделить следующий перечень свойств: 1. питание отрицательной энтропией; 2. наличие подсистем и их корпоративное поведение; 3. чувствительность к граничным условиям; 4. нелинейность;
5. множественность стационарных состояний; 6. наличие точек бифуркации (т. е. точек ветвления решений); 7. возможность селекции, т.е. улучшение «потомства».
Для сравнения применимости этих свойств к органическим и неорганическим объектам П. В. Поляков взял электролизную ванну и... корову. И получилось, что и для той, и для другой применимы и перечисленные свойства, и вытекающие из них общие принципы, связанные с обихаживанием этих структур. Более того, и корову, и ванну можно описать «человеческим» языком, и он гораздо точнее, чем язык терминов, определяет суть происходящих процессов. Точно так же, как корова, ванна когда‑то «рождается» (и в зависимости от «отбора» исходных продуктов она может оказаться как высококачественной, так и никуда не годной: 25 % ванн выходят из строя преждевременно из‑за некачественных «родов», т. е. обжига и пуска).
«Питание» электролизера отличается большой капризностью. Так, наличие в глиноземе всего лишь 0,005 % фосфора приводит к тому, что ванна будет «болеть», и пусть у коров более тысячи болезней, а у ванн более ста, но они тоже есть.
Серьезный вопрос – «испражнения». У созданных человеком систем выбрасываемые вещества сегодня несовместимы с окружающим миром. В мировой алюминиевой промышленности вот уже много лет решается проблема замены угольных анодов (выделяющих вредные газы) на металлические, которые должны выделять кислород. Проблема пока упирается в коррозию металлов, но и норвежцы, и китайцы, и «РУСАЛ» пытаются найти выход. Тогда бы аналогия с «коровой» стала еще более полной: рядом с алюминиевым заводом люди стремились бы построить дачи – кислород не менее «навоза» благотворен для растений…
Можно продолжать параллели, но смысл ясен: П. В. Поляков хотел бы «очеловечить» ванну (в том числе – для рабочих, которым и предназначена в первую очередь его книга), доказать, что это такая же диссипативная структура, как мы сами, и обходиться с ней жестоко – грех. Не говоря о том, что грех, когда созданное человеком содержится в небрежении — это сказывается на самом человеке…
Описанный подход сам П. В. Поляков иногда называет «развлекательным», предназначенным лишь для более эффективного обучения. Но понимающие люди видят за этим и совершенно новую методологию, и философский подтекст. Такой подход дает и неожиданные практические выводы. Например, никто не ставит задач выработки параметров здоровья, параметров тревожности и болезни для технических систем. Не говорится о показателях «здорового питания», о симптомах, диагностике и методах «лечения». А уже одно подобное словоупотребление может в корне изменить производственный процесс. Здесь смыкается биология, физиология, медицина, даже теология. Затрагиваются вопросы нравственности. Даже книги, содержащие эти идеи, обладают некой магией — они апеллируют к здравому смыслу, к тому, что человек интуитивно знает (себя, свою организацию), а стало быть, он знает по крайней мере то устройство мира, которое произведено по его образу и подобию. Это снимает флер таинственности с казалось бы сложных технических, производственных вопросов, делает их познаваемыми. В том числе для студентов.
Валентина ЕФАНОВА