Естествознание (стр. 23 )

Рис.3

При дальнейшем увеличении накачки интенсивность излученного света (т. е. выходная мощность) резко возрастает. Очевидно, что при этом макроскопические свойства лазера коренным образом изменились, причем изменение напоминает фазовый переход в ферромагнетике.

Пример 4. Конвективная неустойчивость, или неустойчивость Бенара. Пусть слой жидкости подогревается снизу, а сверху температура поддерживается постоянной. При малой разности температур теплота переносится благодаря теплопроводности и жидкость остается в покое. Когда температурный градиент достигает некоторого критического значения, в жидкости начинается макроскопическое движение. Так как нагретые области жидкости расширяются, они имеют более низкую плотность и всплывают наверх, охлаждаются и опускаются снова на дно. Это движение происходит упорядоченно. При этом формируются либо цилиндрические, либо гексагональные ячейки. Таким образом, из однородного состояния возникает упорядоченная пространственная структура. Более того, при еще большем увеличении температурного градиента возникает новое явление — в цилиндрах начинается волновое движение вдоль их осей. С помощью этих и аналогичных явлений предпринимаются попытки описывать процессы движения воздуха и образования облаков, перемещения литосферных плит и т. д.

Пример 5. В реакции Белоусова — Жаботинского также образуются пространственные, временные или пространственно-временные структуры. Для ее осуществления смешивают Ce2(SO4)3, КВгО3, СН2(СООН)2, H2SO4 и добавляют несколько капель ферроина (окислительно-восстановительного индикатора). Получающуюся однородную смесь переливают в пробирку, где сразу начинаются временные осцилляции. Раствор периодически меняет цвет - с красного, указывающего на избыток Се3+, на голубой, соответствующий избытку Се4+. Так как реакция идет в замкнутой системе, она в конце концов приходит в однородное равновесное состояние. Процессы образования подобных структур подчиняются принципам, аналогичным тем, которые управляют переходами типа порядок - беспорядок в лазерах, а также в гидродинамических и других системах.

Пример 6. Моделью клеточного взаимодействия может служить агрегация слизевика (многоклеточного организма, образованного путем соединения отдельных клеток). В фазе роста организм существует в виде отдельных амебовидных клеток. Через несколько часов после прекращения роста эти клетки собираются и образуют полярное тело, вдоль которого они разделяются на споровые и стебельковые клетки, составляющие плодовое тело слизевика. Отдельные клетки способны время от времени спонтанно испускать в окружающее пространство порции молекул определенного типа, называемые цАМФ, и, более того, усиливать импульсы цАМФ. Таким образом, они спонтанно выделяют химические вещества. Происходит коллективное испускание химических импульсов, которые мигрируют в виде волн концентрации из центра, вследствие чего возникает градиента концентрации цАМФ. Отдельные клетки «чувствуют» направление градиента и мигрируют к центру с помощью псевдоподий (ложноножки). В результате получаются макроскопические волновые структуры (спиральные или концентрические круги).

Таким образом, во многих системах различного характера (физических, химических, геологических, биологических, географических и т. д.) активно происходят процессы самоорганизации и возникновения более сложных структур. При этом такие системы должны быть открытыми (обмениваться веществом и энергией с окружающей средой) и существенно неравновесными (находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия).

Свойства самоорганизующихся систем

Поведение систем, рассматриваемых синергетикой, описывается с помощью нелинейных уравнений - уравнений второго или большего порядка, поскольку самоорганизующиеся системы крайне сложны (нелинейны). Следовательно, эти системы можно характеризовать как неустойчивые и неравновесные. Неравновесность в свою очередь порождает избирательность системы, ее сложные реакции на внешние воздействия среды. При этом некоторые более слабые внешние воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы. Иначе говоря, в нелинейных системах возможны ситуации, когда совместные действия двух причин вызывают эффекты, которые не имеют ничего общего с результатами воздействия этих причин по отдельности.

Важным следствием нелинейности поведения самоорганизующихся систем является пороговый характер многих процессов в таких системах, т. е. при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, слабые возмущения (флуктуации) оказывают сильное воздействие на систему, разрушая сложившуюся структуру и способствуя ее радикальному качественному изменению. Поэтому нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой иногда создаются отношения обратной положительной связи, а именно: система влияет на среду таким образом, что в последней вырабатываются определенные условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе. Примером может служить ситуация, когда в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, наличие которого стимулирует производство самого этого фермента.

При взаимодействии открытых системы с внешней средой происходит диссипация энергии - переход энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного процесса, в конечном счете в тепловую энергию. В общем случае диссипативными именуют такие системы, в которых энергия упорядоченного процесса переходит в энергию неупорядоченного, в конечном счете теплового (хаотического) движения. В открытых системах с нелинейным протеканием процессов возможны термодинамически устойчивые неравновесные состояния, далекие от состояния термодинамического равновесия и характеризующиеся определенной пространственной и временной упорядоченностью (структурой), которую называют диссипативной, так как ее существование требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой. При этом огромное количество микропроцессов приобретает интегративную результирующую на макроуровне, которая качественно отличается от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом. Благодаря этому могут спонтанно возникать новые типы структур, характеризующиеся переходом от хаоса и беспорядка к порядку и организации.

Понятие диссипативности непосредственно связано с понятием параметров порядка. Самоорганизующиеся системы характеризуются множеством параметров, причем эти параметры улавливают воздействие окружающей среды неодинаково. С течением времени в системе выделяется несколько ведущих, определяющих параметров, к которым «подстраиваются» остальные. Такие параметры системы именуются параметрами порядка. Соотношения, связывающие параметры порядка, обычно намного проще, чем математические модели, детально описывающие систему в целом, поскольку параметры порядка отражают содержание оснований неравновесной системы. Поэтому выявление параметров порядка - одна из важнейших задач, решаемых при изучении самоорганизующихся систем.

Закономерности и факторы эволюции

Одной из центральных в синергетике является идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фактором самоорганизации выступает положительная обратная связь системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой (в химии такое явление называется автокатализом).

Способность систем к самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Обычно самоорганизация переживает переломные моменты - точки бифуркации. При этом под бифуркацией обычно понимают приобретение нового качества в движениях динамической системы при малом изменении ее параметров. Основы теории бифуркации заложены А. Пуанкаре и A. M. Ляпуновым в начале XX в., затем эта теория была развита A. A. Андроновым и его учениками.

Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются существенные случайные отклонения физических величин от их средних значений (флуктуации), поэтому роль случайных факторов резко возрастает. В переломный момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры - лазерные пучки, неустойчивости плазмы, химические волны Белоусова - Жаботинского, структуры Рэлея и др.). В точке бифуркации система как бы стоит перед выбором пути дальнейшего развития. В таком состоянии небольшая флуктуация может послужить толчком к началу эволюции (организации) системы в некотором определенном (часто неожиданном или даже маловероятном) направлении, одновременно исключая возможности развития в других направлениях. Оказалось, что переход от хаоса к порядку поддается математическому моделированию и существует не так уж много общих моделей такого перехода. При этом существенно, что качественные переходы в самых разных сферах действительности (в природе и обществе) могут происходить по одному и тому же сценарию. Знание основных бифуркаций позволяет существенно облегчить исследование реальных систем (физических, химических, биологических и др.), в частности предсказать характер новых движений, возникающих в момент перехода системы в качественно другое состояние, оценить их устойчивость и область существования.

Итак, основными условиями формирования новых структур являются открытость системы, нахождение ее вдали от точки равновесия и наличие флуктуации. Неустойчивость и неравновесность определяют развитие систем. В особой точке бифуркации (критическое состояние) флуктуации достигают такой силы, что организация системы может разрушиться. Разрешение кризисной ситуации достигается быстрым переходом диссипативной системы на новый, более высокий уровень упорядоченности, который получил название диссипативной структуры. Это и есть акт самоорганизации системы. Поскольку флуктуации случайны, то и выбор конечного состояния системы является случайным, неоднозначным, причем процесс перехода одноразовый и необратимый. В процессе перехода все элементы системы ведут себя коррелированно (согласованно), хотя до этого они находились в состоянии хаоса.