Оглавление

КООПЕРАТИВНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В НЕРАВНОВЕСНЫХ ПРОЦЕССАХ И ФРАКТАЛЫ
К.А. Никифоров, И.К. Никифоров, Г.И. Хантургаева
Байкальский институт природопользования СО РАН, Улан-Удэ

        Речь идет о новом виде взаимодействия в системах при неравновесных процессах. Он отличается от всех известных химических видов (ковалентной, ионной и даже молекулярной связей). Проще говоря, кооперативное взаимодействие множества частиц означает то, что оно возникает сразу, спонтанно, когда частицы начинают “видеть” друг друга. Очевидно, оно относится к физическому типу взаимодействия. Дело в том, что те взаимодействия, которые привыкли называть химическими (ковалентные, ионные), обусловлены парными электронными связями, иначе в квантовой химии эти связи называют обменными.
         Кооперативные взаимодействия в системах возникают за счет сложения вращательных моментов движения. Вращение относится к инвариантному виду движения в неравновесных процессах: оно не возникает и не уничтожается, а лишь затормаживается, например химическими связями до точки бифуркации. Оно возникает при снятии этого торможения, когда состояние части системы получают некую свободу. В технике кооперативное взаимодействие возникает при вращении деталей машин и механизмов. Например, торсионные тормоза на танках вмиг останавливают махину, которую вообще не мыслят регулировать за счет инерции. Заметим, что торсионное движение – вращательное движение, оно несколько необычно за счет кооперативного взаимодействия частей в системах.
        Интересно и важно то, что до сих пор остается загадкой механизм кооперативного взаимодействия. В химии оно имеет место (зарегистрировано как открытие) в так называемых синхронных, концертных реакциях, за что авторы Вудворд и Хоффман получили Нобелевскую премию.[1], в бывшем СССР акад. Берсукер открыл электронно-колебательный механизм коллективного поведения некоторых координационных соединений [2]. Справедливости ради отметим, что нами в работе [3] сделана попытка проанализировать это явление со структурных позиций как наследование атомных группировок, являющихся основой топотаксических твердофазных реакций.
        Общим, на что обращалось внимание во всех указанных работах, является согласование, при определенных условиях, частей системы, вступающих в кооперативное взаимодействие. Согласование приводит обязательно к действию всех частей системы одновременно. Для того, чтобы это произошло – необходимо, чтобы части системы получили свободу, при этом они начинают вращаться. Согласование обычно понималось как одинаковость симметрии, но оно - понятие, на наш взгляд, больше динамическое, обуславливается типом вращения свободных частей системы. Кооперативное явление иначе можно назвать резонансным. Очевидно, сверхкритический градиент внешних воздействий освобождает части системы, вращение которых резонансно дает колебательное движение системы. В веществах резонанс означает уход электронов из межатомного пространства, т.е. известную нам поляризацию: поскольку в них имеются, по-видимому, вращательные уровни, в зависимости от резонансной энергии электроны заполняют определенные уровни, а атомы вращаются с соответствующей частотой. Совпадение уровней приводит к кооперативному взаимодействию молекул и зерен кластеров - именно так считают, Вудворд, Хоффман и Берсукер, на самом деле, кооперативные (коллективные концертные, согласованные) процессы происходят за счет вращения атомов, при котором реагирующие вещества или объекты образуют единую, целостную систему. Характерным примером может быть колеблющийся кварц, в котором в резонансных условиях электроны заполняют тот или иной вращательный уровень, и атомы за счет эффекта Яна-Теллера, вращаясь, дают колебания кварца. Следовательно, колебательные картинки кварца - кооперативные колебания атомов кремния и кислорода. Последние в резонансных частотах внешних полей как бы освобождаются. Это явление можно распространить на все упругие вещества. Вращательные уровни в молекулах занимаются электронами, например, при ИК - (тепловых) излучениях. Поэтому сверхкритический температурный градиент вызывает эффект Бенара.
        Человечество придумало вращение в основном для получения поступательного движения: вращательное движение, как бы остается с машиной. Внешне вращение связано с поверхностью тела, которое можно представить как множество точек. В простом примере зубчатой передачи приходит к зацеплению сразу множество точек каждой поверхности, на этом принципе работают редукторы. Здесь вращение передается на вал или ось, на которые насаживаются любые механизмы, приводящие к поступательному движению, например, для транспортировки грузов. Вращение в микропроцессах приводится, как правило, человеческой деятельностью, а в микропроцессах (вращение Земли и других небесных тел) оно задается природой. Вращение, как вид движения, обуславливает в неравновесных процессах колебание системы. Как известно, при некоторых внешних условиях в системе возникают критические градиенты параметров, которые приводят к освобождению вращения частей системы, определяющего их кооперативное взаимодействие. Последние и проявляются в виде колебаний системы. В технике, вращение тел обуславливают кооперативное взаимодействие частей этих тел. Вращение самих частей также приводит к их кооперативному взаимодействию. Дело в том, что вращение сопровождается образованием момента движения; каждый во множестве является слагаемым общего вектора. Он и определяет поступательное движение частей системы. Вот эта суперпозиция движений представляет колебание системы, в которой происходят неравновесные процессы.
        Отметим, что в колебательных системах время имеет прямое отношение к их вращению. Следовательно, говоря о фундаментальности времени, непосредственно приходим к фундаментальности вращения. В философии время, равно как и вращение [4], связывается с так называемой причинной механикой. Однако в [4] вращение рассматривается отдельно от времени.
        Между тем, следует различать природное фундаментальное вращение и лабораторное. Первое вращение характеризует вечность движения и обуславливает причинность явлений. Оно имеет прямое отношение к неравновесным процессам, происходящим в диссипативных (биологических) системах в точках бифуркации. Именно подобные системы приобретают другой тип взаимодействия своих частей. Он называется, как уже было сказано, кооперативной связью, определяющей (по М.М. Лаврентьеву и И.А. Егановой [4]), дальнодействие: “Н.А.Козырев рассмотрел возможность дальнодействия именно с точки зрения связи между точками пространства - времени по временному каналу. Речь идет о мгновенном действии одного объекта на другой при любом расстоянии между ними...”. По-видимому, нулевой интервал времени достигается, если части системы связаны друг с другом такой связью, что какой-то сигнал передается всем частям сразу. Эта связь устанавливается мгновенно, и она есть - суммарный момент вращения частей системы, приобретаемый ею в точке бифуркации. Очевидно, в точке бифуркации достигается резонансная частота тела (гироскопа), совпадающая с частью вращения Земли. Именно в точке бифуркации время как бы останавливается: на Земле имеются точки (по типу Бермудского треугольника), где резонансные частоты вращения образуют невидимую воронку, засасывающую любой объект. Совершенно неслучайно здесь теряются корабли и самолеты. Эти особые точки (с минимальной линейной скоростью вращения) были замечены впервые как некие реперные акад. П.А. Ребиндером, который, проводя опыты с коллоидными системами и видя их аномальные свойства, не мог объяснить их природу. Она была связана с некой причинной механикой, открытой затем японскими физиками, подтвердившими экспериментами эффект, собственного вращения гироскопа и вращение Земли [4] . Причинная механика - механика вращения, ибо причина в переходе в следствие обуславливается кооперативным взаимодействием частей системы. Когда анализируется работа [4], возникает закономерный вопрос, какая метрика может быть при нулевом времени. Поэтому замечается противоречие: взаимодействие внутри системы происходит мгновенно - событие (при достижении критических условий) наступает сразу, создается впечатление об остановке времени, но в реальности время, конечно, никогда не останавливается. Подчеркнем, что с указанных позиций временной канал, трактуемый как причина необратимых процессов, вызывающий кооперативность или по выражению авторов [4], дальнодействие, есть не что иное, как сумма векторов - вращательных моментов, о которых говорил Н.И. Кобозев [5]. В кооперативной связи частей системы проявляется еще одно свойство необратимых процессов, которое называется информационным или кодовым. Все-таки в системах устанавливается не какая-то временная связь, а вполне материальная, механическая, которая реализуется через вращение, ибо вращение “материализует” время. До точки бифуркации в системах процессы имеют “общую” скорость, дальше же точки бифуркации системы приобретают собственную скорость, то есть свое собственное время жизни.
        Заметим, что кооперативные связи, возникающие в диссипативных системах, изучены крайне слабо, хотя они известны очень давно и используются на практике, например, в производстве керамических и композиционных материалов. Эти связи характеризуют поверхностные взаимодействия называемые в общем виде объектами (в материаловедении – зернами). Интересно, в данном случае соотношение между объектом и поверхностью физического тела. Как всегда практика опережает теорию, была открыта так называемая, нанотехнология [6], основанная на применении туннельного микроскопа для сборки зерен из единичных атомов. Фундаментальность этого открытия, за что была получена Рорером Нобелевская премия, заключалась в особых свойствах зерен объектов, получаемых ими при измельчении до наноразмеров. При этом прежде всего атомы оказываются на поверхности зерен и происходит “отделение” электронов от атомов. Благодаря тому, что электроны и атомы начинают вращаться в зернах частицы взаимодействуют друг с другом кооперативно. Таким образом, нанозерна становятся похожими на плазму; они образуют кластеры. Хотя кластеры имеют разную природу, их роднит малый размер составляющих их зерен. Поэтому кластеры, представляя группу кооперативно взаимодействующих зерен отличаются весьма высокой поверхностной активностью. Они находятся в воздухе в виде пыли, а в воде в виде коллоидных частиц. В металлургии и в строительном деле, где характерны твердофазные процессы для получения композиционных материалов, сплавов и керамики.
        Малый размер зерен образуется разными путями: минералы и искусственные соединения синтезируются, особенно при избытке кислорода, они и разлагаются в присутствии кислорода до оксидов, наконец, обломочно-малые частицы (ОМЧ), и малые частицы (МЧ) встречаются в природе (называются шламами) и в механохимии. Химическую активность таких зерен обычно связывают с наличием большого количества дефектов. Однако зерна такого размера состоят из зерен еще меньших размеров, они и представляют так называемые кластеры. Кооперативные их взаимодействия дают фрактальные структуры. Таким образом, кластеры образуются большей частью не ступенчато: из единичных атомов – нанозерна, из них – кластеры, а сразу как соединения очень малого размера, именно при неравновесных процессах (в точке бифуркации). Они, как и молекулы, взаимодействуют кооперативно, давая фрактальные структуры. Последние являются диссипативными, колебательными структурами, образованными вращением атомов в кластерах. Подчеркнем роль движения и проявление его в кооперативности взаимодействия, проявляющегося в системах в неравновесных процессах. Кооперативное взаимодействие в системах наглядно просматривается, как уже было сказано, в редукторах и танковых торсионах. По-видимому, вращение, как вид движения, является причиной кооперативного взаимодействия в системах, потому что оно вечно и освобождается при резонансных взаимодействиях внешней среды. Например, торсионы в танках были изобретены как удачная находка и работают так же на принципах вращения. Следовательно, внешние взаимодействия приводят механизмы во вращение, достигая при этом критических значений. Замечено, что в природе происходит самопроизвольное колебание, сопровождающее ликвацию в магматическом расплаве [7]. Колебания в явлении Бенара [8] объясняют конвективным движением масла при сверхкритическом значении градиента температуры.
         Заметим, что в системах происходит физическое превращение, связанное с вращением их частей и приводящее поэтому к их кооперативному взаимодействию. Кооперативность – явление динамическое и проявляется очевидно при вращении объектов, освобождаемых в точке бифуркации. Первым отличительным признаком физического воздействия от химического воздействия является проявление его в резонансе при движении взаимодействующих объектов. В частном случае физическое взаимодействие можно интерпретировать как механическое, ибо оно имеет в своей основе такое движение, как вращение. Вращение характерно для неравновесных процессов. Следовательно, указанные процессы вызывают в системах кооперативное взаимодействие их частей. Вращение частей системы предполагает образование его моментов, сложение которых и определяет направленность неравновесных процессов. Впервые, как нами указывалось выше Н.И. Кобозев для биологических систем [5] показал так называемую векторизуемость. Переход в другое гипотетическое фазовое пространство, в котором могут протекать несамопроизвольно – обратимые процессы, означает (по современным представлениям) переход в точку бифуркации, в которой в системе происходят неравновесные процессы, а та термодинамика, которую развивает Н.И. Кобозев, на наш взгляд, отображает неравновесные процессы в открытых системах. По смыслу векторизуемость свободной энергии совпадает с направленностью векторов моментов вращения частей диссипативной системы, обусловливающей кооперативность их взаимодействия и колебательные движения самой системы. Следовательно, можно предположить, что направленность неравновесных процессов обуславливается кооперативностью взаимодействия составных частей системы, то есть колебательным ее движением. Как известно, по закону сохранения свободная энергия пропорциональна работе и выражается через критерий необратимости (h ) [5]: h =А/F. Считается, что свободная энергия полностью превращается в работу только в обратимых процессах (F=А, h =1), однако в природе таких процессов не бывает, поэтому Н.И. Кобозев ввел понятие о несамопроизвольно-обратимых процессах, которые могут протекать при наличии так называемого рабочего механизма. Очевидно, как уже выше нами было сказано, такие процессы являются по существу неравновесными, протекающими обязательно под действием градиентов параметров, определяющих при критических значениях вращение составных частей системы и их кооперативное (направленное) взаимодействие. Известно, что равновесные процессы в точке бифуркации переходят в неравновесные. Нами показано [7], что равновесные процессы - безградиентные и осуществляются при разделении компонентов, которые переходят в точке бифуркации в критическое значение. Последнее означает накопление образованных при разделении компонентов. В самой системе освобожденные ее части начинают вращательное движение, моменты которого и определяют кооперативное взаимодействие, характеризуемое как периодические колебательные системы. По-видимому, коллоидные системы – поистине кооперативные, состоящие из какого-то множества нанозерен. Как известно, коллоидные системы состоят из заряженных дисперсных частиц. Зерна в системах располагаются упорядоченно, о чем свидетельствует образование со средой двойного электрического слоя, выражаемого количественно как дзета-потенциал (x ). Отметим, что если электроны в твердых веществах с тонкими зернами накапливаются в зоне проводимости, то атомы в них же образуют вращательные уровни, совпадающие с двойным электрическим слоем. Доказательствами того, что поверхностные слои обладают особыми свойствами, является, прежде всего, распространение электромагнитных волн и резонансные явления, связанные со свободными атомами. Экспериментально нами определена блочная структура силикатных минералов (альбита, берилла, сподумена, ортоклаза, нефелина) [3]: на тонких частицах (меньше 5 микрон) получены те же рентгенографические рефлексы, что и для массивных зерен. ОМЧ и МЧ были получены при исследовании выветривания указанных минералов. Блочная структура свидетельствует о том, что в механизме растворения твердого вещества большое значение имеет переход указанных зерен (ОМЧ и МЧ) в раствор, затем уже образуются гидроксиды, распадающиеся на катионы, гидроксильные группы и анионы, и очевидно за счет гидроксильных групп изменяется рН раствора. По нашему рассуждению, тонкий размер зерен, как закономерность, определяет гидролиз, сопровождающий растворение твердых веществ. Блоки соединяются друг с другом, как нами показано [6], зернами наноразмеров, которыми характеризуется эвтектика**. Следует заметить одну особенность, которая отличает живое от неживого: блоки соединяются в монокристаллы, а последние в структуре состоят из атомов, которые и представляют так называемые первичные элементы. Рост же в живом осуществляется за счёт кооперативного взаимодействия первичных молекул. Последние синтезируются в организме живого с момента его зарождения до самой смерти. Однако рост организма благодаря кооперативности взаимодействия указанных молекул имеет временный предел. По достижении определенного роста организма происходит его поддержание, так сказать, постоянный его ремонт. Как показано в литературе синтез первичных молекул осуществляется на биологических катализаторах – ферментах.

Литература

  1. Вудворд Р., Хоффман Р. Сохранение орбитальной симметрии. М.:”Мир”,1971, 207 с.
  2. Берсукер И.Б. Строение и свойства координационных соединений.- Л.:Химия.-1971, 312 с.
  3. Никифоров К.А. Кристаллохимические основы топотаксических реакций в твердых веществах. – Новосибирск: Наука, 1971, 190 с.
  4. Лаврентьев М.М., Еганова И.А. Физические явления, предсказанные и обнаруженные Н.А. Козыревым в свете адекватности пространства – времени физической реальности. В журнале “Философия науки”, №1(3), 1997, Новосибирск, 34-44 с.
  5. Кобозев Н.И. Избранные труды т.2, изд-во МГУ, 1978, 390 с.
  6. Ультрадисперсные материалы. Получение и свойства. Красноярск, 1990, 188 с.
  7. Никифоров К.А., Цыремпилов А.Д., Технология: неравновесные процессы, изд-во ВСГТУ, Улан-Удэ, 2000, 340 с.
  8. Эбелинг В. Образование структур при необратимых процессах, М.:Мир, 1979, 278 с.


* *) Особые свойства эвтектики во всех системах, когда рассматривается взаимодействие фаз связанных с тонкими зёрнами , имеющими именно наноразмер и благодаря этому фазы образуют кооперативные связи.

Оглавление