Этот редкий пример, когда нерегулярное турбулентное совмещение жидкости, вызванное конвекцией (внутренним тепловым движением различающихся по плотности частей жидкости, возникающим вследствие различия температур), превращается в регулярное перемешивание, в регулярную конвекцию.

Солитоны, как и странные аттракторы, теперь опознают во многих явлениях, объединённых основной чертой нелинейным законом изменения хотя бы одной величины, существенной для их возникновения и развития. Так, например, физико- химики хорошо изучили процессы горения, которые иногда происходят лишь в тонком слое, отделяющем холодное горючее от продуктов горения. Именно в этом слое происходит процесс окисления горючего, процесс горения. Этот слой обычно называют фронтом пламени или фронтом горения. Раз возникнув, он проявляет удивительную устойчивость, двигаясь с постоянной скоростью относительно горючего вещества, если условия горения (состав горючего и его начальная температура, состав воздуха и его температура и т. п.) остаются неизменными. Этот фронт движется в пространстве, если горючее неподвижно, или остаётся неподвижным, когда горючее поступает к месту горения с постоянной скоростью.

Солитоном является также волна детонации при её движении во взрывчатом веществе. Солитоном является ударная волна, возбуждаемая взрывом, или ударные волны, возникающие в плазме или в воздухе, когда самолёт преодолевает звуковой.

«Наша школа» № 6 2005 г.

У тайны жизни

Нелинейная теория колебаний недавно обогатилась ещё одним направлением развития. Оно, пожалуй, впервые позволило приблизиться к пониманию того, как и при каких условиях возможно возникновение порядка из беспорядка в живой природе, как возникла жизнь.

Нет, пожалуй, другой тайны, которая волнует большее количество людей, чем эта тайна. Вероятно, каждый человек хотя бы один раз задумался о тайне жизни. Было время, когда ею монопольно владели служители культов. Но эти времена давно миновали. Сейчас даже религиозные люди не довольствуются догматом творения.

Философы, главным образом натурофилософы, искали пути к этой тайне, но не преуспели.

Откуда произошла жизнь? Ответ гласит: живое произошло из неживого. Жизнь возникла как закономерный результат цепи случайностей.

Философы знают, что из слов не рождаются научные истины. Научные истины возникают из исследования природы, из опытов и обобщения полученных результатов, из их анализа при помощи математики. Даже марксистская политэкономия построена с применением математики.

Но возвратимся к происхождению жизни. Советский академик А. И. Опарин создал глубокую теорию происхождения жизни. В соответствии с этой теорией жизнь возникла из неживого «бульона», скопления органических молекул в районах тёплых мелководий древних морей. А эти органические молекулы возникли из неорганических соединений под действием солнечного света и молний.

Лабораторные опыты подтвердили эту часть теории. В замкнутые сосуды, полностью свободные от любых живых существ, в том числе от простейших одноклеточных, помещали различные комбинации разнообразных неорганических соединений. Затем тщательно проверяли, не попали ли туда случайно органические молекулы. Убедившись, что их нет, в течение длительного времени пропускали высоковольтные электрические заряды между электродами, предварительно впаянными в стенки сосудов, — один конец электрода снаружи, второй — внутри.

В сосуде под действием этих микромолний происходили различные химические реакции. Последующий химический анализ обнаруживал и идентифицировал молекулы, возникшие в ходе опыта. В большинстве случаев появлялись известные ранее неорганические молекулы. Но из некоторых исходных составов со временем появлялись и органические молекулы, даже такие сложные, как аминокислоты — непременные кирпичики, входящие в состав живых существ.

Такие опыты подтвердили, что теория Опарина ведёт по правильному пути, но ни живые существа, ни даже белковые молекулы таким простым путём не возникали.

Вопрос о том, как возникло живое, оставался открытым. Но наука на этом не остановилась.

Ещё и сейчас на Западе ряд учёных, они называют себя виталистами (от латинского vitalis — жизненный), считают, что живое отличается от неживого присутствием в живом особой жизненной силы. На вопрос о том, что такое жизненная сила и как она возникает, они отвечают сложными рассуждениями, суть которых состоит в том, что жизненная сила присуща живым организмам и передаётся от предков к потомкам. То, что жизнь передаётся от предков к потомкам, конечно, верно, но это не поясняет, что же такое жизненная сила и что, передаваясь потомкам, делает их живыми.

Биологи, изучающие живые организмы, сходятся на том, что в основе жизни, в основе процессов, сопровождающих жизнь, лежат химические процессы. Но вопрос о том, как известные, изученные химические процессы превращаются в биологические процессы, остаётся открытым.

Читатель вправе сказать, что всё это хорошо известно, и спросить: какое отношение это имеет к нелинейным процессам?

Сейчас мы посмотрим, как нелинейная теория колебаний вплотную подошла к тайне жизни. Тайна превращения хаоса в порядок уже перестала быть тайной. Но главная тайна — тайна возникновения жизни ещё продолжает бросать вызов учёным.

Известно, что двигаться к истине легче, если идти постепенными шагами. Часто добивается успеха тот, кто умеет правильно ставить вопросы. Вопрос, поставленный правильно, содержит в себе часть ответа, путь к ответу или хотя бы направление, в котором следует искать ответ.

Когда речь заходит о жизни и смерти, когда нужно определить, жив ли человек или животное, прежде всего возникает вопрос: сохранилось ли дыхание, бьётся ли сердце? Жизнь высших существ невозможна без дыхания и сердцебиения. Без сложной периодической работы мышц, осуществляющих эти процессы. Реакция живого организма на внешние условия, нагрузку — физическую и умственную, — на эмоции, боль, на многое другое, автоматизм дыхания и сердцебиения — всё это продолжает поражать наше воображение.

Почему и как происходят эти сложные процессы? Виталисты, конечно, ссылались на жизненную силу. Медики обнаружили специальный орган, управляющий работой сердца, — синусовый узел. Он посылает периодические нервные импульсы в особую область сердца — узел Гисса, который распределяет эти импульсы по сердечной мышце так, чтобы по очереди согласованно сокращались предсердия и желудочки сердца, образующие этот живой насос, совершающий ежесуточно около 100 ООО рабочих циклов, более 30 миллионов циклов в год. Но и сейчас осталось невыясненным, что и как определяет периодическую работу синусового узла, что и как управляет дыханием. В биологию вошёл термин «биологические часы», а потом, когда выяснилось, что в организме протекают и другие периодические процессы, появился и новый термин — «биоритмы».

Разумные медики, не верящие в существование пресловутой жизненной силы и понимающие, что биологическая жизнь основана на сложных химических процессах, считают, что и биологические часы являются видимой реализацией каких-то химических процессов. Следует выяснить — каких.

Но химики не могли с этим согласиться. Они давно установили, что все химические реакции развиваются однонаправленно, что скорость химической реакции определяется произведением концентраций реагирующих веществ и по мере истощения хотя бы одного из них скорость химической реакции уменьшается.

Уверенность химиков в том, что периодические химические реакции невозможны, сильно укрепилась, как это ни парадоксально, после работы А. Лотка, который в 1910 году объявил, что такие реакции могут существовать. И разработал математическую модель колебательной химической реакции. Эта модель основана на хорошо известном химикам законе действующих масс, установленном в количественной форме в шестидесятых годах прошлого века К. Гульдбергом и П. Вааге.

Лотка предложил простейшую схему реакций, включающих одну автокаталитическую стадию. Автокаталитической называется химическая реакция, продукт которой является катализатором этой реакции. Значит, по мере накопления продукта реакции скорость реакции возрастает, несмотря на уменьшение концентрации реагирующих веществ. Эта модель описывает затухающие колебания концентраций. Затухание обусловлено тем, что по мере расхода исходных реактивов их концентрация уменьшается и закон действующих масс пересиливает влияние автокатализа. Таким образом, эта модель ведёт себя как маятник, выведенный из состояния равновесия и предоставленный самому себе.

В 1920 году Лотка усовершенствовал свою модель, введя в неё вторую автокаталитическую стадию, после чего она могла описывать незатухающие колебания концентраций реагирующих химических веществ.

Однако многочисленные настойчивые попытки химиков реализовать колебательную химическую реакцию не привели к цели. Это лишь укрепило уверенность химиков в том, что скорость химических реакций неизбежно определяется законом действующих масс, то есть концентрациями реагирующих веществ, и что привлечение автокаталитических реакций не нарушает монотонного уменьшения скорости химических реакций.

Загадка биоритмов оказалась надолго зачисленной в категорию неразрешимых

Однажды проблемой периодичности сердцебиения заинтересовался физик. тот, кто впервые построил теорию лампового генератора радиоволн. Ван дер Поль со своим сотрудником ван дер Марком задумались над тем, можно ли воспользоваться ламповым генератором как моделью сердца. Конечно, речь шла не о попытке замены сердца генератором. Они задумали смоделировать то, что отличает сердце от других органов живого организма. Смоделировать периодичность работы сердечной мышцы, периодическое возникновение нервных импульсов в синусовом узле. Им было ясно, что обычный ламповый генератор слишком прост для того, чтобы служить моделью такой сложной системы, как сердце. Простой ламповый генератор может пребывать только в двух состояниях — в состоянии покоя или состоянии периодических колебаний. Обычно состояние покоя лампового генератора неустойчиво и случайные флуктуации возбуждают в нём колебания, амплитуда которых быстро растёт, приближаясь к амплитуде устойчивых периодических колебаний. Это, конечно, напоминает свойства сердца, начинающего свои колебания ещё до рождения и продолжающего их в течение всей жизни. Способность лампового генератора возвращаться к определённому режиму периодических колебаний тоже напоминает способность сердца возвращаться к нормальному ритму после того, как этот ритм ускорится под действием нагрузки или замедлится во время сна.

Но исследователи знали, что врачи наблюдают различные отклонения сердечного ритма от нормы, связанные с тем или иным заболеванием. Простейшее отклонение — ненормально медленное возвращение к обычному ритму после снятия нагрузки. Более сложные и даже опасные отклонения проявляются в разнообразных нарушениях сердечного ритма: пропуски в сердечных сокращениях, одиночные или повторяющиеся в различных комбинациях, внезапные ускорения ритма или переход от обычных сокращений сердечной мышцы к смертельно опасным трепетаниям-фибрилляциям, при которых сердце перестает перекачивать кровь, В начале двадцатых годов врачи уже зафиксировали у людей 21 вид сердечных аритмий.

Для того чтобы модель могла воспроизводить эти режимы работы сердца, ван дер Поль и ван дер Марк усложнили схему лампового генератора и, соответственно, усложнили уравнения, описывающие процессы, происходящие в генераторе. В результате им удалось воспроизвести все известные то время виды аритмий и ещё два неизвестных вида. Впоследствии, после создания совершенных электрокардиографов, медикам удалось обнаружить у человека не только эти два, но и, к сожалению, ещё несколько типов аритмий. Дальнейшее усложнение модели позволило воспроизвести их.

Врачи скептически отнеслись к этой работе физиков, ставшей первой в числе многих работ по применению радиотехники и электроники в медицине. Ведь эта работа позволила лишь смоделировать динамику, описать уравнениями один из параметров работы сердца. Таким параметром может быть давление в полостях сердца, смещение какой-нибудь точки сердечной мышцы и т. п. Эта модель, эти уравнения, описывающие работу модели, не позволяли ответить ни на один из вопросов, существенных для медиков: каким образом происходит ритмическая работа синусового узла, как он управляет сокращениями сердечной мышцы, почему возникают нарушения работы сердца, как их предупреждать, как их лечить

Тайна работы сердца и тайна биологических часов оставались неприступными. Они продолжали интересовать многих. Многие чувствовали, что основа скрыта в химии, но химики сознавали своё бессилие.

КОЛЕБАНИЯ В ХИМИИ

Так продолжалось до середины нашего века, когда студент-физик, со школьных лет интересовавшийся тайнами жизни, не узнал мнения химиков и причину их пессимизма. Он, по-видимому, не знал афоризма, приписываемого Эйнштейну. Суть афоризма: все знают, что сделать что-то невозможно; потом приходит невежа, не знающий, что это невозможно, и делает это.

Может быть, на него повлияли лекции по химии или книги, излагающие созданную Н. Н. Семёновым теорию цепных реакций, скорость которых не затухает, а возрастает, как это бывает при взрыве. Может быть, его вдохновили лекции и книги о теории колебаний, о теории нелинейных колебаний. Может быть, дело в молодости, хотя через это прошли и другие.

Во всяком случае, Анатолий Жаботинский начал искать в литературе описание химических реакций, которые не затухают, как обычно. Ряд таких реакций был описан и изучен, и среди них были периодические химические реакции. Самая известная из них — поющее пламя. Газ, горящий на конце трубки, иногда начинает звучать. При этом яркость пламени периодически изменяется в такт со звуковыми колебаниями. Как говорят в детской игре — тепло, но не больше. Процесс, приводящий к возникновению поющего пламени, хорошо изучен. При некоторых скоростях течения газа в нём возникают турбулентные вихри, они вызывают изменения давления и скорости течения газа. Здесь в игру вступает труба, она превращается в подобие органной трубы, звучание которой тоже связано с образованием вихрей, срывающихся в районе её выходного отверстия. Колебания воздуха в трубе воздействуют на процесс образования вихрей, навязывая им свой ритм. Воздух, текущий в органной трубе, и газ в поющем пламени приносят энергию, необходимую для образования вихрей. Так возникает обратная связь, необходимая для того, чтобы процесс стал самоподдерживающимся. Нелинейные свойства процесса сильного сжатия газа необходимы для того, чтобы колебательный режим был устойчивым, устойчивым по амплитуде (по величине) колебаний. Пламя в поющих пламенах увеличивает температуру в зоне горения и способствует проявлению нелинейных свойств газа при меньших давлениях и скоростях течения, чем в случае органной трубы, где воздух холодный.