n3yron (n3yron) wrote,
n3yron
n3yron

Category:

Хаос самоорганизуется и снова порождает часы. Теперь химические

Вот элементарный школьный опыт (возможно, он покажется интересным кое-кому из комментаторов топика про моделирование эволюции;). Берем стакан с раствором желтого цвета (гусары, тсс!;), доливаем к нему бесцветный. Смесь становится темно-синей.

Как вы думаете, какова вероятность того, что через несколько секунд весь раствор постепенно будет становиться все более прозрачным, а потом… ни с того ни с сего внезапно опять станет темно-синим, опять же весь? А потом такой цикл, безо всякой видимой причины, повторится сам собой много-много раз, с поразительным постоянством длительности каждой фазы?



(видео найдено на великолепном блоге «Понятно о непонятном», где можно найти еще массу научных чудес, а заодно немало трезвых мыслей о животрепещущих научных вопросах и о проблемах популяризации науки, огромное спасибо его автору!).

Невероятно, да? Кажется, что это какой-то фокус, что это видеомонтаж или еще какой-то подвох. Ведь после перемешивания раствора в нем просто обязано устаканиться равновесие, энтропия достигнет своего максимума и ничего интересного больше происходить не будет. В микромасштабе, да, будет всякое броуновское движение и т.п. суета, но чтоб весь объем сразу…

Вот и отставному комбригу Б. П. Белоусову, заведовавшему в ту пору лабораторией в закрытом институте биофизики, не поверили, когда в 1951 г. он впервые наблюдал подобную реакцию: какие еще, нафиг, автоколебания в однородном растворе? Только десятилетие спустя молодой химик А. М. Жаботинский смог предложить мало-мальски внятную модель, допускающую их. А заодно обнаружил, что если этот раствор разлить по ровной поверхности, то изменения окраски упорядочиваются не только во времени, но и в пространстве — в виде красивых волн. Примерно таких:
Интерференция химических волн
или таких:
Пересекающиеся химические волны
(картинки с персональной странички самого Жаботинского. Увы, с прошлого года его уже нет с нами...)

Реакция Белоусова — Жаботинского вошла в золотой фонд мировой науки XX века. Её исследованиями занимаются множество учёных и групп различных научных дисциплин и направлений во всём мире: математике, химии, физике, биологии (начиная с одного из основоположников неравновесной термодинамики И. Р. Пригожина, автора замечательной книги «Порядок из хаоса»). Обнаружены подобные реакции в разных химических системах (например, реакция Бриггса — Раушера, или «йодные часы», которую мы видели на видео выше, а также их твердофазный аналог — самораспространяющийся высокотемпературный синтез). Опубликованы тысячи статей и книг, защищено множество кандидатских и докторских диссертаций. Открытие реакции фактически дало толчок к развитию таких разделов современной науки, как синергетика, теория динамических систем и детерминированного хаоса (простите за наглый копипаст из Вики:). Впрочем… можете попробовать сами! Понадобится сущая мелочь: 4 г пищевой лимонной кислоты, два кремня для зажигалок, 12 мл раствора серной кислоты (1:2), 1,7 г бромата калия KBrO3 (только обязательно соблюдайте меры предосторожности, кислота — не игрушка!:).

Так в чем секрет самоупорядочивания раствора? Ключевое слово — автокатализ (продукты реакции ускоряют ее течение). AKA положительная обратная связь. По сути та же, которая превращает «несчастный» усилитель, выход которого замкнули на вход, в генератор (самый, наверное, знакомый всем пример — визг, раздающийся из динамика при поднесении к нему микрофона:). И так же, как усилитель нуждается в питании, автоколебательная реакция нуждается в потоке энергии через систему. Т.е. система должна быть незамкнутой (впрочем, для всех без исключения живых систем и для земной биосферы в целом это выполняется), в ролике эту энергию сообщала магнитная мешалка, на которой стоит стакан. А такие самоупорядочивающиеся структуры, возникающие при прохождении и рассеянии (диссипации) потока энергии в системе, называются диссипативными структурами. Они бывают и попроще — например, вихри. Или правильные шестиугольники (ячейки Бенара), возникающие в тонкой пленке кипящей вязкой жидкости, а также, может быть (хотя последнее — вовсе не доказанный факт, а всего лишь моя персональная, ничем не подкрепленная догадка:) в атмосфере планет-гигантов. Общая черта большинства диссипативных структур — поразительная устойчивость. Хотя бывает и так, что диссипативная структура какое-то время пребывает в одном устойчивом состоянии, потом на краткий миг возвращается к хаосу и тут же внезапно оказывается в другом устойчивом состоянии (на этом месте большинство популярных статей столь же внезапно начинают ругаться словами а-ля «странный аттрактор», «точка бифуркации» и т.п., но я, увы, не могу сам похвастаться хорошим пониманием всех этих страшных слов, а опять копипастить Вики как-то несолидно:).

Вот такие дела. Напоследок лишь скажу по секрету: некоторые фанаты неравновесной термодинамики придерживаются мнения, что мы с вами — тоже диссипативные структуры, только на много-много порядков более сложные. Но, как мы только что видели своими глазами, при наличии энергии извне сложность для самоорганизующейся материи — вовсе не помеха. И простое арифметическое умножение вероятностей тут ни при чем;)
Tags: занимательная химия, мракобесие не пройдет, неравновесная термодинамика, самоупорядочивание материи
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments