863

Самоорганизация в живой и неживой природе

Конспект

Естествознание и природоведение

Порядок и беспорядок в природе. Особенности эволюционных процессов. Синергетический подход в естествознании. Общие свойства систем, способных к самоорганизации. Качественное описание процесса самоорганизации. Синергетика и самоорганизация.

Русский

2013-01-06

136.5 KB

118 чел.

Самоорганизация в живой и неживой природе

1. Порядок и беспорядок в природе

    В предыдущих лекциях мы рассматривали эволюцию Вселенной, звезд, Земли, живой материи. Во всех этих случаях подчеркивалась характерная для эволюционных процессов идея развития, усложнения структуры объектов, рождения порядка из беспорядка. В этом эволюция коренным образом отличается от поведения систем материальных точек, которые изучаются механикой Ньютона. В классической механике достаточно задать положения и скорости материальных точек, чтобы, зная силы, определить все последующие и восстановить все предыдущие состояния этих материальных точек. Системы, для которых можно однозначно определить состояние в любой момент времени, называются динамическими. Таким образом, поведение динамических систем полностью детерминировано (определено) начальными условиями и действующими силами. Никаких качественных изменений в поведении динамических систем не происходит, просто одно состояние сменяется другим. Такое поведение обратимо в том смысле, что разные направления движения по траекториям не имеют никакого преимущества друг перед другом.

Можно привести много примеров естественных и искусственных объектов, которые с большой точностью могут считаться динамическими. Это космические объекты (звезды, планеты, спутники, космические корабли), артиллерийские снаряды. К динамическим теориям относятся гидро- и аэродинамика. Однозначно предсказуемо поведение термодинамических систем в состоянии равновесия и вблизи него, поэтому и эти системы относятся к динамическим. Динамическими теориями являются классическая электродинамика, теория относительности, теория химического строения и др.

    Динамические системы — это в определенном смысле абсолютно упорядоченные системы, поведение которых абсолютно предсказуемо. Никаких случайных изменений состояния таких систем быть не может. Однако еще древние греки, впервые осознавшие и восхитившиеся феноменом порядка, отмечали и противоположное порядку качество — хаос. При хаотическом поведении невозможно установить никакие, даже кратковременные пространственно-временные корреляции между состояниями системы. Другими словами, при хаотическом поведении каждое последующее состояние системы совершенно не зависит от предыдущего, никак с ним не связано. Хаотически ведут себя пылинки в воздухе и цветочная пыльца в жидкости (броуновское движение), языки пламени костра и пузырьки воздуха в кипящей воде и т. д. И все-таки о поведении хаотически движущихся частиц, если их достаточно много, можно сказать нечто вполне определенное, если описывать их состояние не так, как это делалось в случае динамических систем. Например, при каждом бросании монеты невозможно предсказать, выпадет «орел» или «решка». Однако если бросать монету много раз, то примерно в половине случаев выпадет «орел», а в половине — «решка». Выпадения «орла» в ста случаях из ста практически не будет никогда, вероятность этого ничтожно мала. Отметим, что вместо того, чтобы бросать сто раз одну монету, можно бросить одновременно сто монет. Результат будет тот же: примерно половина монет ляжет «орлом» вверх. Очевидно, чем больше монет, тем с большей точностью половина монет упадет «орлом» вверх.

Таким образом, при абсолютно хаотическом поведении отдельных частиц большой ансамбль таких частиц обнаруживает вполне определенные закономерности в поведении. Но эти закономерности относятся уже не к одной частице, а ко всему ансамблю, и формулируются на языке теории вероятностей.

Так мы приходим к понятию статистических закономерностей, статистических систем, о которых шла речь в лекции 7.

Состояние статистической системы — это, прежде всего, вероятностная характеристика. Оно определяется не значениями физических или каких-то других величин, а статистическими распределениями этих величин, задаваемыми в той или иной форме, например функцией плотности вероятности, определенной в лекции 7. Соответственно в статистических теориях однозначно определяются не сами физические величины, а вероятности того, что значения этих величин лежат внутри тех или иных интервалов. Однозначно определяются также средние значения, средние отклонения и т. д. В этом состоит главная задача статистических теорий.

    Подчеркнем, что классические статистические системы, например, газ — это системы из очень большого числа хаотически движущихся частиц, поведение каждой из которых непредсказуемо. А вот всё вместе они ведут себя так, что можно однозначно предсказать те или иные статистические характеристики этой системы, например давление газа при определенной температуре.

     В квантовой механике, которая также является статистической теорией, статистическими свойствами обладают не системы, состоящие их большого числа частиц, а отдельные микрочастицы: электроны, атомы и т.п. Но и в этом случае физический смысл состояния – вероятность иметь значения определенных величин внутри тех или иных интервалов – сохраняется.

Важной особенностью статистических систем является необратимость их перехода в равновесное состояние, характеризуемое максимальной энтропией. При этом независимо от начального состояния (начального статистического распределения), система переходит в одно и то же конечное, равновесное состояние, характеризуемое определенной температурой. В этом состоит смысл второго начала термодинамики или, иначе, закона возрастания энтропии.

Состояние с максимальной энтропией мы назвали неупорядоченным, а с малой энтропией — упорядоченным. Статистическая система, если она предоставлена самой себе, переходит из упорядоченного в неупорядоченное состояние с максимальной энтропией, соответствующей данным внешним и внутренним параметрам (давление, объем, температура, число частиц и т. д.). Таким образом, понятия «хаос» и «беспорядок» не являются синонимами. Хаос — это такое поведение частиц, когда их состояния не коррелированы ни в пространстве, ни во времени. Беспорядок — это состояние макроскопических систем из большого числа частиц с максимальной энтропией.

Если система выведена из состояния равновесия (например, в результате флуктуации) и затем предоставлена самой себе, то она возвращается (релаксирует) в равновесное состояние. Статистическая система никогда не будет, в нарушение второго начала термодинамики, самопроизвольно далеко уходить из равновесия в упорядоченное состояние, никогда не будет образовывать структуры, обладающие более низкой энтропией по сравнению с неупорядоченным, равновесным состоянием.

     Здесь мы снова возвращаемся к объектам, о которых мы говорили в последних лекциях и поведение которых на первый взгляд явно не соответствует ни динамическим, ни статистическим теориям. Все эволюционные процессы характеризуются уменьшением энтропии, усложнением структуры объектов, существенно необратимым, непредсказуемым характером самоорганизации. Об эволюционных процессах речь пойдет позже, а сейчас остановимся на одном важном вопросе, касающемся соотношения динамических и статистических теорий.

Приводя примеры динамических систем, мы подчеркивали, что эти системы могут считаться динамическими лишь с некоторой точностью. Другими словами, так же как понятия «материальная точка», «инерциальная система отсчета», понятие «динамическая система» является идеализацией. Любые реальные космические объекты, механические, термодинамические, электромагнитные системы всегда испытывают большое число неконтролируемых воздействий, которые невозможно учесть, но которые так или иначе влияют на движение этих систем. Если попытаться учесть хотя бы некоторые из них, то это приведет к тому, что состояние рассматриваемой системы начнет меняться случайным образом, и для того, чтобы учесть эти случайные отклонения, нужно вводить статистические распределения. Таким образом, статистические теории являются более точным, но и более сложным описанием реальных объектов. Эти теории должны удовлетворять принципу соответствия: динамические закономерности являются предельным случаем статистических закономерностей при стремлении большинства малых случайных воздействий к нулю.

2. Особенности эволюционных процессов

    Итак, закон возрастания энтропии (второе начало термодинамики) утверждает, что в природе должны существовать лишь процессы, в которых происходит разрушение упорядоченных структур и переход от порядка к хаосу. Такие процессы действительно наблюдаются в природе, можно привести достаточно много примеров. Капля чернил, попавшая в воду, постепенно растворяется во всем объеме воды, так что вместо первоначальной структуры (капли) образуется однородная бесструктурная смесь. Горные породы под воздействием ветра, влаги и температуры разрушаются, и рельеф местности выравнивается. Ударная волна (упорядоченная во времени структура), образующаяся в результате электрического разряда — молнии (а также в результате выстрела или взрыва), по мере распространения размывается и вместо резкого хлопка вблизи разряда мы слышим гулкие раскаты на большом расстоянии от него. Берега искусственных водохранилищ постепенно размываются, а вместо первоначальных островов образуются отмели.

Наряду с такими процессами в природе существуют и противоположные им, а именно процессы, связанные с образованием структур из хаоса. Такие процессы называются процессами самоорганизации. Наиболее явственно и наглядно подобные явления демонстрирует живая природа. Из семечка, посаженного в землю, может вырасти большое растение со сложной структурой (ствол, ветви, листья, цветы) и вся огромная по сравнению с первоначальным семечком масса этого растения образуется из бесструктурного вещества (вода, углекислый газ, элементы почвы). На первый взгляд такие процессы настолько отличаются от процессов в неживой природе, где в основном проявляются процессы разрушения структур, что долгое время существовало мнение о неприменимости законов физики к описанию живой природы. Тем не  менее  существует достаточно много примеров процессов самоорганизации и в неживой природе.

    Всем знакомые снежинки, обладающие высокосимметричной структурой, образуются из бесструктурного водяного пара. В спокойном течении реки при огибании препятствий или при ускорении течения в области сужения русла могут возникнуть структуры в виде вихрей.

    Классическим примером образования структур из полностью хаотической фазы в лабораторных условиях являются ячейки Бенара. В 1900 г. была опубликована статья Ч. Бенара с фотографией структуры, по виду напоминавшей пчелиные соты. Эта структура образовалась в ртути, налитой в плоский широкий сосуд, подогреваемый снизу, после того как перепад температуры между верхним и нижним слоем жидкости превысил некоторое критическое значение. Весь слой ртути (то же происходит и с другой вязкой жидкостью, например растительным маслом) распадался на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой. В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней — опускается. В поверхностном слое жидкость растекается от центра к краям, в придонном — от границ призм к центру. По сравнению с однородным состоянием такие конвективные ячейки, очевидно, являются более высокоорганизованной структурой.

Примерами образования структур являются автоколебания. Звуковые автоколебания возникают в смычковых и некоторых духовых инструментах, когда равномерное (бесструктурное по времени) движение смычка или струи воздуха приводят к возникновению периодической волны (то, что звуки производит живой человек, не является принципиальным, завывания ветра также являются подобными автоколебаниями). Электрические или электромагнитные автоколебания образуются в генераторах электрических сигналов, используемых в радио, телевидении, компьютерах, а также в оптических квантовых генераторах — лазерах. Автоколебания в механических часах, вообще говоря, самопроизвольно не возникают, однако при соответствующих условиях, например, если часы-ходики поместить на ветру, такая автогенерация становится возможной (далее мы еще вернемся к этому примеру, так как на нем хорошо видна причина самоорганизации).

Автоколебания возникают и при некоторых химических процессах. Классическим примером химической реакции этого типа является реакция Белоусова-Жаботин-ского, наблюдавшаяся, в смеси серной кислоты, малоновой кислоты, сульфата церия (Се) и бромида калия. В процессе этой реакции ионы Се4+, находящиеся в растворе периодически превращаются в ионы Се3+и затем обратно. Внешне это проявляется в периодическом изменении цвета раствора. В зависимости от концентрации растворенных веществ период колебаний варьируется от 2 до 100 секунд.

Естественно, автоколебания присущи не только неживой природе. В живой же природе они происходят как на уровне организма — биение сердца, периодическое непроизвольное сокращение мышц и т. д., так и на более высоком уровне, например на уровне биогеоценоза. Примером являются синхронные колебания популяций кроликов и рысей, наблюдавшиеся, в частности, на протяжении ста лет в Канаде.

До сих пор говорилось о макроструктурах, то есть о структурах в макромире. Однако структуры наблюдаются и в мегамире. Поскольку время образования таких структур значительно превышает время существования человеческой цивилизации, мы не можем наблюдать их самообразование. Наблюдаются лишь процессы разрушения, например взрыв сверхновой звезды, и образование на ее месте Крабовидной туманности. Тем не менее современные гипотезы, подтвержденные расчетами в рамках соответствующих математических моделей, говорят о том, что структуры мегамира также образовались из однородного на начальной стадии вещества Вселенной, а процесс образования таких структур продолжается и в настоящее время.

Из приведенных примеров следует, что процессы самоорганизации существуют как в живой, так в неживой природе. Более того, такие процессы выходят за рамки объектов, исследуемых естественными науками, и проявляются и в обществе, живущем по социальным законам. Бесструктурное при первобытно-общинном строе общество в ходе истории трансформировалось в общество со многими иерархическими структурами и объединениями. Автоколебания возникают в экономике и проявляются в виде периодических подъемов и спадов производства.

    Таким образом, процессы самоорганизации являются достаточно типичным свойством нашего мира, а следовательно, должны подчиняться и некоторым общим законам. Это означает, что математические уравнения, описывающие эти процессы, должны иметь нечто общее. Однако до последнего времени исследование таких задач было затруднено ввиду чрезвычайной сложности соответствующих уравнений. И даже в том случае, когда исходные уравнения выглядят просто, получить их решения, описывающие процессы самоорганизации (например, образование вихрей в движущейся жидкости), часто является непосильной задачей.

Тем не менее в последнее время ученые начинают активно исследовать подобные задачи, что, в частности, объясняется их важностью в силу универсального характера. И хотя успехи в этом направлении более чем скромны по сравнению, например, с исследованиями в физике микромира, многие качественные особенности такого рода задач становятся понятными. Соответствующее научное направление выделилось в отдельную область, для которой Г. Хакен (1973) предложил название синергетика. Предметом этой новой области науки было названо изучение общих принципов функционирования систем, в которых из хаотических состояний самопроизвольно возникают упорядоченные пространственные, временные и пространственно-временные структуры. Синергетика призвана построить физическую модель этих процессов и подобрать для их описания адекватный математический аппарат. Не ставя целью изложение соответствующей теории, рассмотрим качественные особенности систем, в которых происходят процессы самоорганизации, и обсудим причины, приводящие к возникновению структур в этих системах.

3. Общие свойства систем, способных  к самоорганизации

    Самоорганизация — это процесс эволюции от беспорядка к порядку. Естественно энтропия системы, в которой происходит самоорганизация, должна убывать. Однако это ни в коей мере не противоречит закону возрастания энтропии в замкнутой системе, то есть второму началу термодинамики. Из приведенных выше примеров видно, что все подобные системы являются открытыми системами, то есть обменивающимися с окружающими их системами либо веществом, либо энергией или и тем, и другим. Понятно, что можно выделить замкнутую систему, в которой происходит самоорганизация. Например, можно представить себе изолированный от излучения звезд космический корабль, в котором произрастают растения. Очевидно, однако, что в любой такой замкнутой системе можно выделить подсистему, в которой именно и происходит самоорганизация, и энтропия которой убывает, в то время как энтропия замкнутой системы в целом возрастает в полном соответствии со вторым началом термодинамики.

Таким образом, можно сформулировать общее правило: процессы самоорганизации происходят в открытых системах. Если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой происходит самоорганизация, в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.

    Следующей особенностью является то, что самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный момент существенно отлично от состояния статистического равновесия. Иногда упрощенно говорят, что к самоорганизации способны системы, находящиеся вдали от равновесия. Нарушение статистического равновесия вызывается внешним воздействием. В приведенном выше примере с ячейками Бенара внешнее воздействие — это нагревание сосуда, которое приводит к различию температур в отдельных макроскопических областях жидкости. В электрических генераторах внешнее воздействие — это напряжение, создаваемое источником, которое приводит к отличному от равновесного распределению электронов. То же происходит в оптических квантовых генераторах под воздействием внешней оптической накачки или электрического разряда, происходящего от внешнего источника. Состояние системы, далекой от равновесия, является неустойчивым, в отличие от состояния вблизи равновесия. Именно в силу этой неустойчивости и возникают процессы, приводящие к возникновению структур.

Самоорганизация возможна лишь в системах с большим числом частиц, составляющих систему. В ряде случаев это достаточно очевидно, поскольку, например, макроскопические пространственные структуры содержат большое число атомов и молекул. Однако если обратиться к примеру с автоколебаниями популяций, то можно утверждать, что при малом числе особей в популяции такие автоколебания невозможны. Дело в том, что только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуации — макроскопических неоднородностей.

Роль флуктуации в процессах самоорганизации, как мы далее покажем, оказывается весьма важной, поэтому рассмотрим это понятие подробнее. Если мы возьмем макроскопический сосуд, в котором находится порядка десяти молекул, то понятия плотности или давления в такой системе теряют смысл. Эти понятия применимы лишь к сосуду, содержащему большое число частиц, именно в этом случае мы можем измерить давление нашими приборами. При статистическом равновесии, как следует из определения, в различных областях пространства сосуда прибор должен показывать одинаковое давление. Однако оказывается, что в достаточно малых (но макроскопических) областях в какие-то моменты времени это давление, а, следовательно, и плотность, отличается от среднего давления и средней плотности в сосуде. Самопроизвольное (спонтанное) отклонение от состояния статистического равновесия и называется флуктуацией. В случае с газом или жидкостью в сосуде флуктуации давления невозможно наблюдать обычными манометрами. Тем не менее именно такими флуктуациями объясняется броуновское движение. Его можно наблюдать, если в сосуд с жидкостью поместить легкую, но в то же время видимую в микроскоп частицу (напомним, что молекулы жидкости наблюдать в микроскоп невозможно). Опыт показывает, что частица совершает сложные хаотические, но вполне регистрируемые движения. Такое движение было названо броуновским.

Объяснение этого опыта было дано А. Эйнштейном и М. Смолуховским, которые показали, что оно является результатом возникновения по разные стороны частицы областей с разным числом молекул жидкости. Наличие флуктуации характерно для любой системы, содержащей большое число частиц.

Эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями. В задачу данного курса не входит исследование уравнений, поэтому мы не будем давать строгого определения нелинейности, а лишь проиллюстрируем некоторые важные свойства, следующие из нелинейности уравнений.

В отличие от систем, эволюция которых описывается линейными уравнениями, а малые изменения начального состояния которых приводят к малым изменениям их конечного состояния через ограниченный промежуток времени, для систем, описываемых нелинейными уравнениями, такое свойство, вообще говоря, не имеет места.

Для иллюстрации вспомним выражение для траектории материальной точки в однородном поле силы тяжести: r(t) = gt2/2 + v(0)t + г(0). В этом уравнении начальное состояние в момент t = 0 определяется начальной координатой г(0) и начальной скоростью v(0), от которых уравнение зависит линейно. При малом изменении этих параметров координата и скорость в любой последующий момент времени изменятся незначительно.

Противоположный пример, когда малые изменения начальной координаты и начальной скорости приводят к радикальному изменению эволюции, реализуется в игре «детский биллиард». Скатываясь по наклонной плоскости, шарик ударяется и отскакивает от нескольких штырьков. Достаточно очевидно, что конечное состояние (положение) шарика полностью определяется начальными условиями и в то же время повторить траекторию шарика практически невозможно (в чем собственно и заключается смысл игры). Если описать движение шарика при помощи уравнений, которые в этом случае имеют, естественно, более сложный вид, то оказывается, что эти уравнения нелинейно зависят от начальных условий.

Строго говоря, фундаментальные законы естествознания в современных теориях всегда являются нелинейными, линейность является некоторым приближением, которое иногда оправданно. Говоря о том, что системы, способные к самоорганизации, описываются нелинейными уравнениями, мы подразумеваем, что эффекты, обусловленные нелинейностью, являются достаточно значительными по сравнению с флуктуациями. Заметим, что при планировании своих действий человек на уровне обыденного сознания всегда мыслит в линейном приближении, которое часто не оправдано, если речь идет о достаточно сложных системах, например при планировании социальных и экономических процессов в обществе. 

4. Качественное описание процесса самоорганизации

В отличие от процессов, связанных с разрушением структур и переходом к беспорядку, которые объясняются тем, что хаотическое состояние является более вероятным, процессы образования структур долгое время оставались непонятными. Как уже упоминалось, существовало мнение, что эти процессы не подчиняются и противоречат известным физическим законам. Чтобы понять причины, приводящие к самоорганизации, рассмотрим процесс возникновения электрических автоколебаний. Простейший эксперимент можно осуществить, имея усилитель (например, магнитофон) и поднося микрофон, подключенный к входу усилителя, к громкоговорителю, подключенному к выходу усилителя. При малом усилении или большом расстоянии между микрофоном и громкоговорителем мы услышим лишь бесструктурные шумы. Эти шумы обусловлены тем, что электрический ток, проходящий через громкоговоритель, не является строго постоянным, а хаотически изменяется в малых пределах, что, в свою очередь, вызвано флуктуациями плотности электронов.

Если увеличивать усиление или подносить микрофон ближе к громкоговорителю, начиная с некоторого момента спонтанно может возникнуть гудение или свист, обусловленный автогенерацией  электрического сигнала. Объясняется это тем, что в силу обратной связи, осуществляемой подачей выходного сигнала на вход, уравнения, описывающие процессы в усилителе, являются нелинейными. При малом усилении (слабой обратной связи) отклонения от линейного приближения малы и флуктуации не приводят к существенному изменению тока. При увеличении усиления (усилении обратной связи), начиная с некоторого порога, изменения тока, обусловленные флуктуациями, начинают разрастаться, система выходит из первоначального состояния и возникает генерация.

Аналогично можно рассмотреть опыт с ячейками Бенара. При малой мощности нагревателя отклонение системы от состояния статистического равновесия мало и соответственно малы отклонения от линейного приближения. Процесс передачи тепла от более нагретого нижнего слоя жидкости к менее нагретому верхнему обеспечивается теплопроводностью, то есть макроскопические потоки жидкости отсутствуют. Тем не менее в силу существования флуктуации в жидкости всегда имеются микропотоки. При увеличении мощности нагревателя отклонение системы от положения статистического равновесия возрастает, а с ней возрастают нелинейные эффекты, и с некоторого момента флуктуационные потоки начинают разрастаться. Возникают уже макроскопические конвекционные потоки жидкости. Система переходит в состояние с новой фазой, возникают упорядоченные структуры.

Приведенный выше пример позволяют дать следующее объяснение процессам самоорганизации. Возникновение структур в системе происходит, когда нелинейные эффекты, определяющие эволюцию и обусловленные внешним воздействием на систему, становятся достаточными для разрастания флуктуации, присущих таким системам. Следует отметить, что определение параметров возникающей структуры не является легкой задачей. Более того, часто при описании процессов самоорганизации не удается даже написать соответствующие уравнения эволюции, и рассмотрение проводится на основе некоторых упрощенных моделей. В последние годы для этой цели привлекается также компьютерное моделирование.

5. Синергетика и самоорганизация

5.1. Синергетика

    Синергетика  — междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем. «…Наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы…».

    Синергетика изначально заявлялась как междисциплинарный подход, так как принципы, управляющие процессами самоорганизации, представляются одними и теми же (безотносительно природы систем), и для их описания должен быть пригоден общий математический аппарат.

    Основное понятие синергетики — определение структуры как состояния, возникающего в результате многовариантного и неоднозначного поведения таких многоэлементных структур или многофакторных сред, которые не деградируют к стандартному для замкнутых систем усреднению термодинамического типа, а развиваются вследствие открытости, притока энергии извне, нелинейности внутренних процессов, появления особых режимов с обострением и наличия более одного устойчивого состояния. В обозначенных системах возможно образование новых структур и систем, в том числе и более сложных, чем исходные.

    Этот феномен трактуется синергетикой как всеобщий механизм повсеместно наблюдаемого в природе направления эволюции: от элементарного и примитивного — к сложносоставному и более совершенному.

    Область исследований синергетики чётко не определена и вряд ли может быть ограничена, так как её интересы распространяются на все отрасли естествознания. Общим признаком является рассмотрение динамики любых необратимых процессов и возникновения принципиальных новаций. Математический аппарат синергетики скомбинирован из разных отраслей теоретической физики: нелинейной неравновесной термодинамики, теории катастроф, теории групп, тензорного анализа, дифференциальной топологии, неравновесной статистической физики. Существуют несколько школ, в рамках которых развивается синергетический подход:

  1.  Школа нелинейной оптики, квантовой механики и статистической физики Германа Хакена, с 1960 года профессора Института теоретической физики в Штутгарте. В 1973 году он объединил большую группу учёных вокруг шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени увидели свет 69 томов с широким спектром теоретических, прикладных и научно-популярных работ, основанных на методологии синергетики: от физики твёрдого тела и лазерной техники и до биофизики и проблем искусственного интеллекта.
  2.  Физико-химическая и математико-физическая Брюссельская школа Ильи Пригожина, в русле которой формулировались первые теоремы (1947 г), разрабатывалась математическая теория поведения диссипативных структур (термин Пригожина), раскрывались исторические предпосылки и провозглашались мировоззренческие основания теории самоорганизации, как парадигмы универсального эволюционизма. Эта школа, основные представители которой работают теперь в США, не пользуется термином «синергетика», а предпочитает называть разработанную ими методологию «теорией диссипативных структур» или просто «неравновесной термодинамикой», подчёркивая преемственность своей школы пионерским работам Ларса Онзагера в области необратимых химических реакций (1931 г).

5.2. Синергетический подход в естествознании

     Основные принципы синергетического подхода в естествознании заключаются в следующем:

  •  Природа иерархически структурирована в несколько видов открытых нелинейных систем разных уровней организации: в динамически стабильные, в адаптивные, и наиболее сложные — эволюционирующие системы.
  •  Связь между ними осуществляется через хаотическое, неравновесное состояние систем соседствующих уровней
  •  Неравновесность является необходимым условием появления новой организации, нового порядка, новых систем, т.е — развития
  •  Когда нелинейные динамические системы объединяются, новое образование не равно сумме частей, а образует систему другой организации или систему иного уровня
  •  Общее для всех эволюционирующих систем: неравновесность, спонтанное образование новых микроскопических (локальных) образований, изменения на макроскопическом (системном) уровне, возникновение новых свойств системы, этапы самоорганизации и фиксации новых качеств системы
  •  При переходе от неупорядоченного состояния к состоянию порядка все развивающиеся системы ведут себя одинаково (в том смысле, что для описания всего многообразия их эволюций пригоден обобщённый математический аппарат синергетики)
  •  Развивающиеся системы всегда открыты и обмениваются энергией и веществом с внешней средой, за счёт чего и происходят процессы локальной упорядоченности и самоорганизации
  •  В сильно неравновесных состояниях системы начинают воспринимать те факторы воздействия извне, которые они бы не восприняли в более равновесном состоянии
  •  В неравновесных условиях относительная независимость элементов системы уступает место корпоративному поведению элементов: вблизи равновесия элемент взаимодействует только с соседними, вдали от равновесия — «видит» всю систему целиком и согласованность поведения элементов возрастает
  •  В состояниях, далеких от равновесия, начинают действовать бифуркационные механизмы — наличие кратковременных точек раздвоения перехода к тому или иному относительно долговременному режиму системы — аттрактору. Заранее невозможно предсказать, какой из возможных аттракторов займёт система.

5.3. Синергетика и самоорганизация

    Синергетика объясняет процесс самоорганизации в сложных системах следующим образом:

  1.  Система должна быть открытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией и прекратить любые эволюции.
  2.  Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точке равновесия сколь угодно сложная система обладает максимальной энтропией и не способна к какой-либо самоорганизации. В положении, близком к равновесию и без достаточного притока энергии извне, любая система со временем ещё более приблизится к равновесию и перестанет изменять своё состояние.
  3.  Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение нового порядка и усложнение систем через флуктуации (случайные отклонения) состояний их элементов и подсистем. Такие флуктуации обычно подавляются во всех динамически стабильных и адаптивных системах за счёт отрицательных обратных связей, обеспечивающих сохранение структуры и близкого к равновесию состояния системы. Но в более сложных открытых системах, благодаря притоку энергии извне и усилению неравновесности, отклонения со временем возрастают, накапливаются, вызывают эффект коллективного поведения элементов и подсистем и, в конце концов, приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и через относительно кратковременное хаотическое состояние системы приводят либо к разрушению прежней структуры, либо к возникновению нового порядка. Поскольку флуктуации носят случайный характер, то состояние системы после бифуркации обусловлено действием суммы случайных факторов.
  4.  Самоорганизация, имеющая своим исходом образование через этап хаоса нового порядка или новых структур, может произойти лишь в системах достаточного уровня сложности, обладающих определённым количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические параметры связи и относительно высокие значения вероятностей своих флуктуаций. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления коллективного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации. Недостаточно сложные системы не способны ни к спонтанной адаптации ни, тем более, к развитию и при получении извне чрезмерного количества энергии теряют свою структуру и необратимо разрушаются.
  5.  Этап самоорганизации наступает только в случае преобладания положительных обратных связей, действующих в открытой системе, над отрицательными обратными связями. Функционирование динамически стабильных, неэволюционирующих, но адаптивных систем — а это и гомеостаз в живых организмах и автоматические устройства — основывается на получении обратных сигналов от рецепторов или датчиков относительно положения системы и последующей корректировки этого положения к исходному состоянию исполнительными механизмами. В самоорганизующейся, в эволюционирующей системе возникшие изменения не устраняются, а накапливаются и усиливаются вследствие общей положительной реактивности системы, что может привести к возникновению нового порядка и новых структур, образованных из элементов прежней, разрушенной системы. Таковы, к примеру, механизмы фазовых переходов вещества или образования новых социальных формаций.
  6.  Самоорганизация в сложных системах, переходы от одних структур к другим, возникновение новых уровней организации материи сопровождаются нарушением симметрии. При описании эволюционных процессов необходимо отказаться от симметрии времени, характерной для полностью детерминированных и обратимых процессов в классической механике. Самоорганизация в сложных и открытых — диссипативных системах, к которым относится и жизнь, и разум, приводят к необратимому разрушению старых и к возникновению новых структур и систем, что наряду с явлением неубывания энтропии в закрытых системах обуславливает наличие «стрелы времени» в Природе.

    Подведем итог обсуждению понятия самоорганизация.

    Г. Хакен в 1980-е гг. дал следующее определение самоорганизации: «Самоорганизация – это процесс упорядочения (пространственного, временного или пространственно-временного) в открытой системе за счет согласованного взаимодействия множества элементов, составляющих эту систему».

    Характеристики системы:

  •  открытая (наличие обмена энергией и/или веществом с окружающей средой);
  •  содержит неограниченно большое число элементов (подсистем);
  •  имеется стационарный устойчивый режим системы, в котором элементы взаимодействуют хаотически (некогерентно).

    Характеристики процесса:

  •  интенсивный обмен энергией и/или веществом с окружающей средой, причём совершенно хаотически (не вызывая упорядочение в системе);
  •  макроскопическое поведение системы описывается несколькими величинами — параметром порядка и управляющими параметрами;
  •  имеется некоторое критическое значение управляющего параметра (связанного с поступлением энергии и/или вещества), при котором система спонтанно переходит в новое упорядоченное состояние (переход к сильному неравновесию);
  •  новое состояние обусловлено согласованным (когерентным) поведением элементов системы, эффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом уровне;
  •  новое состояние существует только при безостановочном потоке энергии и/или вещества в систему. При увеличении интенсивности обмена система проходит через ряд следующих критических переходов; в результате структура усложняется вплоть до возникновения турбулентного хаоса.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

9691. Основные понятия информатики. Информация и ее виды 38 KB
  Сообщение - это материальная форма информации. Сообщения могут передаваться между людьми с помощью самых разнообразных способов. Однако любое сообщение всегда материально, то есть, представлено некоторой материальной субстанцией...
9692. Правовая охрана программ и данных. Методы защиты информации. Лицензионные, условно бесплатные и бесплатные программы 43.5 KB
  Правовая охрана программ и данных. Методы защиты информации. Лицензионные, условно бесплатные и бесплатные программы. Все программы по их юридическому статусу можно разделить на три большие группы: лицензионные, условно бесплатные (shareware) и своб...
9693. Понятие структуры. Индекс массива 149.5 KB
  Понятие структуры До сих пор мы работали с простыми типами данных - логический (boolean), целый (integer, word, byte, longint), вещественный (real), символьный (char). Для оптимизации обработки больших объемов информации требуются да...
9694. Формы и виды оптовой продажи 35 KB
  Формы и виды оптовой продажи Оптовый товарооборот является одним из основных показателей хозяйственной деятельности оптовых предприятий. Его объем и структура характеризуют степень развития производства и уровень народного потребления. В зависимости...
9695. Транзитная форма продажи товаров с участием и без участия торговых посредников в расчетах 34 KB
  Транзитная форма продажи товаров с участием и без участия торговых посредников в расчетах. В сфере торговли широко распространены так называемые транзитные сделки. Транзитная торговля позволяет ускорить товарооборот и сократить цепочку последователь...
9696. Складская форма продажи товаров и ее особенности 31 KB
  Складская форма продажи товаров и ее особенности. Складская форма товародвижения подразумевает оптовую продажу товаров со складов. Это позволяет выполнять предварительную подсортировку имеющихся товаров и предлагать товары оптовым покупателям в необ...
9697. Методы оптовой продажи товаров 30.5 KB
  Методы оптовой продажи товаров. При оптовом складском обороте применяются следующие методы оптовой продажи товаров со складов: по личной отборке товаров покупателями по письменным, телефонным, телеграфным, телетайпным, телефаксным заявкам (зака...
9698. Сущность, содержание и виды страхования рисков 27 KB
  Сущность, содержание и виды страхования рисков. В системе управления рисками страхование является распространенным методом защиты имущественных интересов и других материальных и моральных потерь. Страховые организации обладают значительным капитало...
9699. Организационная структура страхования хозяйственных рисков 39 KB
  Организационная структура страхования хозяйственных рисков В страховании рисков как способе борьбы с неблагоприятными событиями или складывающимися обстоятельствами реализуются определенные экономические отношения, включающие следующие элементы...