Синергетический анализ сложноорганизованных систем

Стремясь выявить механизм взаимодействия между сложными и простыми явлениями, синергетика обосновала подход к макроизмеиеииям, наблюдаемые исследователем, как к результату взаимодействия на микроуровне (недоступном для наблюдения) большого числа компонентов, составляющих макросистему.

Подобное взаимодействие впервые наблюдал французский физик А. Бснар (1874—1939) на примере образования шестиугольных ячеек на поверхности жидкости, подогреваемой снизу. В 1900 г. он опубликовал статью с фотографией структуры, напоминавшей пчелиные соты.

При подогреве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температур. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит. Но как только эта разница превысит некоторое критическое значение, наблюдается переход к макроскопическому движению, в результате которого образуются четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты (рис. 11.1). Так, на рисунке слева — ячейки Бенара в круглой металлической кювете диаметром около 10 см на слое масла толщиной 1,5−2 мм. Для лучшего наблюдения в масло добавлена алюминиевая пудра; при разности температур между верхним и нижним слоями 20−30°С в слое масла появляются ячейки. На рисунке справа в боковом поперечном разрезе — механизм конвективных потоков; Т, — температура нижнего слоя жидкости, Т₂ — температура верхнего слоя.

Рис. 11.1. Ячейки Бенара и механизм их образования¹

Если и дальше повышать температуру, то ячейки разрушаются, на смену порядку приходит хаос (П —> X). Однако при еще больших тепловых потоках наблюдается чередование переходов:

В качестве параметра, определяющего переход от порядка к хаосу, выступает так называемый критерий Рэлея, пропорциональный разно;

сти температур вверх, но слою масла. Это управляющий параметр, ибо он «управляет» переводом системы из одного состояния в другое. При критических значениях параметра (специалисты называют их точками бифуркации) наблюдаются переходы «порядок — хаос». Это явление оказывается совершенно невероятным с позиций статистической механики, поскольку свидетельствует о том, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жидкости, как по команде, начинают координировать свои действия и вести себя согласованно, хотя до этого они находились в совершенно хаотическом движении. Создается впечатление, что каждая молекула «знает» о том, что делают остальные молекулы.

Информация к размышлению

В «химических часах» параллельно происходят как минимум две реакции: продукты первой реакции являются исходными реагентами для второй, а продукты второй — исходными реагентами для первой. Вначале скорость первой реакции велика, однако с течением времени ее ход замедляется, поскольку уменьшается концентрация исходных реагентов. Однако возрастает скорость второй реакции, так как количество ее исходных реагентов — продуктов первой реакции, возросло.

Рис. 11.2. Динамические структуры, образованные бегущими.

концентрационными волнами в тонком слое исследуемого раствора¹

Третий пример — самоорганизация в процессе излучения лазера — мощного источника оптических излучений. Под воздействием поступления энергии извне (электрического заряда) возбужденные атомы газового лазера начинают колебаться в одной фазе. Когда достигается критическая точка, лазер становится излучателем мощного потока электромагнитных волн с высокой энергией благодаря «кооперативному» согласованному движению молекул газа.