Синергетика. 
Естествознание

Все исследуй, давай разуму первое

место.

Пифагор

К установлению общего взгляда на процессы самоорганизации разные ученые шли различными путями.

В 1901 г. французский физик Бенар при анализе переноса теплоты через слой жидкости или газа, подогреваемых снизу (рис. 19.1, а), обнаружил странный эффект. При определенной разности температур АТ = 7', — Т-₂ межд пластинами и расстоянии I между ними происходит смена механизма переноса энергии и характера движения газа или жидкости: от хаотического, та называемого броуновского, движения среда переходит к четко организованному конвективному процессу (рис. 19.1, б). При этом движущаяся межд пластинами среда приобретает вид вращающихся валиков.

Рис. 19.1. Перенос теплового потока в газе между пластинами:

а — молекулярный перенос; б — конвективные токи, вращающиеся по часовой стрелке Я и против стрелки I.

Конвективное движение возникает благодаря действию на каждый элементарный объем жидкости различных сил. Из-за разной плотности нагретых и холодных слоев возникает подъемная сила, уравновешенная силой тяжест и силой вязкости. В результате игры этих сил и возникает конвективное движение объемов жидкости. В этом «танце» объемов жидкости, содержаще большое количество молекул, не принимают участия известные в физик силы межмолекулярного взаимодействия, так как они действуют на очен малых расстояниях (порядка 10^-9м). Конвекция же в этом опыте возникае в пространстве, размеры которого в десятки миллионов раз больше.

Можно было бы привести и другие примеры, когда совокупность частиц превращается в систему, имеющую свойства, связанные с конвективным взаимодействием. Этот эффект можно представить количественно в виде зависимости потока теплоты <7 Вт/м от разности температур АТ на пластинах При АТ> ДГ_кр происходит резкий излом этой зависимости, в системе начинается структурообразование, появляются конвективные ячейки и тепл нижней поверхности начинает интенсивно переходить к верхней (рис. 19.2).

Рис. 19.2. Зависимость теплового потока # Дж/м²с от разности температур АТ между пластинами В этих условиях жидкость начинает более интенсивно экспортировать энтропию. До этого отток энтропии (Д_с5) компенсировался ее производством (Д5) за счет внутреннего трения и теплопроводности. После переход точки ДГ_кр отток энтропии начинает существенно превосходить ее производство и в системе возникают новые структуры: у совокупности части возникают новые свойства, отсутствующие у ее элементов. Эти свойств называют свойствами кооперативное™, или когерентности.

Проанализируем процесс переноса теплоты между нагретыми пластинами и зададимся вопросом, что произойдет в случае, когда порог структурирования АТ = ДГ_кр1 превышен, а разность температур продолжает возрастать. Опы показывает, что при некотором значении АТ> АГ_кр1 ячейки Бенара продолжают существовать, однако некоторые их характеристики начинают меняться Оказывается, что после перехода через второе критическое значение Д Г_кр2 возникает новый так называемый турбулентный режим. Он характеризуется тем что параллельное течение жидкости в валах (ламинарный режим) начинае размываться и переходить в неупорядоченное вихреобразное перемешивани (турбулентный режим). Особенности турбулентного режима можно наглядн продемонстрировать на примере обтекания шара или цилиндра.

Рассмотрим цилиндр, ось которого перпендикулярна скорости V движущейся жидкости. На рис. 19.3, а схематически показаны линии тока жидкости при малой скорости ее движения. Характер этих линий зависи не только от скорости, но и от кинематической вязкости у= р/р (р — вязкость жидкости, р — ее плотность) и от диаметра 4 цилиндра. Эти числа объединяют в безразмерный комплекс Рейнольдса , который более полно, чем одна скорость, описывает картину обтекания цилиндра жидкостью. Итак, при малых числах Ие < 20 линии тока стационарны, т. е. не меняются со временем. Но после того как скорость превысит некий порог, в следе за цилиндром появляются рециркуляционные вихри (рис. 19.3, б). Стационарный режим исчезает, уступая место цепочке вихрей, вращающихс попеременно то в одну, то в другую сторону. Это явление носит названи вихревой дорожки Бенара — Кармана. На рис. 19.3 изображена эволюци вихрей для различных значений 20 < Яе < 10⁶. При 11е > 20 появляетс пара вихрей, при Яе > 10² вихри осциллируют (рис. 19, в). При еще боле высокой скорости (Яе > 10⁴) наблюдается нерегулярная картина — турбулентный поток. В последней можно также усмотреть появление ново картины самоорганизации — порядка в хаосе (рис. 19, г).

Рис. 19.3. Рождение турбулентности при обтекании шара потоком жидкости:

а — ламинарное течение; б — появление отдельных вихрей в кормовой части; в — развитие вихрей; г — развитая турбулентность.

Автор самого термина «синергетика» немецкий физик Герман Хакеи исследовал механизмы кооперативных процессов, которые происходя в твердом лазере. Лазер является весьма распространенным прибором В XX в. его стали широко применять в различных областях науки и техники. Не будем вдаваться в особенности устройства этого прибора и происходящие там физические процессы, а лишь опишем на простом пример рубинового лазера схему его работы (рис. 19.4).

Рис. 19.4. Схема рубинового лазера:

1 — корпус; 2 — рубин; 3 — ксеноновая лампа накачки; 4 — излучение; 5 — конденсатор; в — ключ; 7 — источник постоянного напряжения

В корпус 1 помещен рубиновый стержень 2, на одном конце которого имеется зеркало, а на втором — полупрозрачное зеркало 4. При разряд ксеноновой лампы 3 освещается рубиновый стержень и ее излучени поглощается рубином; этот процесс называется «накачкой» лазера. Процесс разряда осуществляется по следующей схеме: при замыкании ключа 6В от источника питания 7 заряжается конденсатор 5; при разрыве этой цеп происходит разряд конденсатора, импульсное излучение ксеноновой ламп и определенные длины волн поглощаются рубиновым стержнем. Излучение, поглощенное атомами рубинового стержня, как бы заряжает их дополнительной энергией и переводит в неустойчивое состояние. При возвращении к устойчивому состоянию происходит излучение рубинового лазера, но уже на другой длине волны. При ограниченной мощности накачки лазе работает как газоразрядная лампа, т. е. поглощение и излучение рубина происходит беспорядочно в разных длинах волн и в разные моменты времен (рис. 19.5). При некотором критическом значении мощности (рис. 19.6)В резко возрастает мощность лазерного излучения, оно соответствует одно длине волны и протекает в одной фазе. Происходит согласованное кооперативное излучение волн, осуществляется переход от режима ламповог излучения к лазерному режиму (когерентное излучение), в котором множество атомов излучает на одной длине волны и в одной фазе.

Иными словами, атомы, ранее испускавшие волны хаотично и независимо, начинают испускать один громадный по длине цуг волн, совершающий как бы одно коллективное движение. В этом состоит сущность кооперативного процесса и происходящей самоорганизации.

Рис. 19.5. Волновые цуги, испускаемые газоразрядно лампой {а) и лазером (б).

Рис. 19.6. Зависимость мощности излучени т мощности накачки.

Хакен выяснил, что частицы, составляющие активную среду резонатора, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одно фазе. В результате этого между ними устанавливается когерентное, ил согласованное, взаимодействие, которое в конечном итоге приводит к и кооперативному поведению. Исходя из этого, Хакен предложил для ново области науки название «синергетика». Синергетика, по Хакену, должн охватывать все проблемы, связанные с образованием упорядоченных структур в сложных системах в результате кооперативного поведения подсистем.

Самоорганизация, по определению Хакена, спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже «хаоса», спонтайный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного (синхронного) действия многих подсистем Хакен считает, что название новой дисциплины синергетикой обусловлен тем, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем и для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией необходимо кооперирование многих различных дисциплин. Таким образом, при самоорганизации из хаоса порождается порядок.

Процессы самоорганизации исследовали разные ученые в разных направлениях естествознания. В 1951 г. Б. П. Белоусов описал самоорганизующуюся химическую реакцию, в которой возникают самоиоддерживающиеся колебания во времени. Более подробно такого рода реакции были исследованы группой ученых под руководством А. М. Жаботинского. В этих реакциях малоновая кислота как органическое вещество окисляется броматам в растворе серной кислоты в присутствии определенного катализатора В результате реакции раствор, в котором находятся эти вещества, начинае периодически менять свою окраску с голубого на красный. Так что этот самоорганизующийся процесс можно рассматривать как своеобразные «химические часы». В дальнейшем было обнаружено возникновение не тольк периодических структур во времени, но и в пространстве или одновременн в пространстве и во времени. Механизмы таких реакций весьма сложны.

Жаботинский описал широкий класс химических волновых явлений, в которых наблюдалась пространственно-временна'я упорядоченность При этом были реализованы как одномерные реакции в тонких трубках так и двухмерные процессы (тонкие слои раствора между пластинами).

На рис. 19.7 показано развитие волны при плоской реализации явления. Сначала (а) возникает центр 1 изменения окраски, он появляется из-за локальной флуктуации концентрации; одновременно (б) возникаю и новые концентрационные центры 2 и 3, последние потом могут быт поглощены (в) волнами от центра 1 и способствовать развитию (г) волновой концентрационной структуры 4. Возможны варианты (д и е) появления более сложной картины от многих начальных центров.

Рис. 19.7. Последовательные кадры волновых химических процессов в тонких стеклах:

а — появление ведущего центра; б — несколько центров; в — рост центра 1 за счет 2 и 3; г — возникновение суммарного центра; д и е — дальнейший ход процесса Можно показать, что пространственная устойчивость поддерживается за счет оттока энтропии из системы. При этом могут образовываться спиральные волны, они носят название ревербераторов. Такого тина образования довольно часто встречаются в биологических системах, наприме в строении лишайников.

Большой вклад в изучение этих процессов внес бельгийский физик И. Пригожин, который в Международном институте физики и хими установил связь между физико-химическими процессами в открыты неравновесных системах и биологической упорядоченностью. Теорети самоорганизации И. Р. Пригожин пришел к своим идеям из анализа специфических химических реакций, которые приводят к образованию определенных пространственных структур с течением времени при изменени концентрации реагирующих веществ. Вместе со своими сотрудниками о построил математическую модель таких реакций. Теоретической осново модели стала нелинейная термодинамика, изучающая процессы, происходящие в нелинейных неравновесных системах под воздействием флуктуаций. Если такая система удалена от точки термодинамического равновесия, то возникающие в ней флуктуации в результате взаимодействи со средой будут усиливаться и в конце концов приведут к разрушени прежнего порядка или структуры, а тем самым и к возникновению ново системы. Структура и системы, возникающие при этом, И. Р. Пригожи назвал диссипативными, поскольку они образуются за счет диссипации или рассеяния, энергии, использованной системой, и получения из окружающей среды новой, свежей энергии. За исследования по термодинамик диссипативных структур И. Р. Пригожину была присуждена Нобелевска премия.

Другой видный теоретик самоорганизации немецкий ученый М. Эйген доказал, что открытый Ч. Дарвином принцип отбора продолжает сохранят свое значение и на микроуровне. Поэтому он имел все основания утверждать, что генезис жизни есть результат процесса отбора, происходящег на молекулярном уровне. Он показал, что сложные органические структуры с адаптационными характеристиками возникают благодаря эволюционному процессу отбора, в котором адаптация оптимизируется самим структурами. Предпосылками осуществления такой самоорганизаци макромолекул являются взаимодействие системы со средой или открытость для обмена веществом и энергией, автокатализ, мутации и естественный отбор.

Таким образом, медленно, но неуклонно в разных направлениях науки формировалось убеждение, что во всех этих исследованиях существует единое концептуальное ядро, которое служит общей их основой. Оно и составляет парадигму исследования процессов самоорганизации и синергетики Синергетика сформулировала принцип самодвижения в неживой природе создание более сложных систем из более простых. С этой парадигмо в физику проник эволюционный подход, и наука приходит к понимани творения как создания нового. Синергетика рассматривала случайност на макроскопическом уровне, подтвердив тем самым выводы механики дл микроскопического уровня.

В синергетике, в противоположность кибернетике, исследуются механизмы возникновения новых состояний, структур и форм в процессе самоорганизации, а не сохранения и поддержания старых форм. Поэтому она опирается на принцип положительной обратной связи, когда изменения, возникающие в системе, не подавляются и корректируются, а, наоборот, постепенно накапливаются и в конце концов приводят к разрушению старой и возникновению новой системы. Кибернетика отличается от синергетики тем, чт она акцентирует внимание на анализе динамического равновесия в самоорганизующихся системах. Поэтому она опирается на принцип отрицательно обратной связи, согласно которому всякое отклонение системы после получения информации об этом корректируется управляющим устройством.

Таким образом, если кибернетика решает проблему рождения разума, то синергетика — проблему рождения материи.

Синергетика подтвердила вывод теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии и объясняет образование веществ. С точки зрения синергетики энергия как бы застывает в виде кристаллов, превращаясь из кинетической в потенциальную. Вещество — это застывша энергия. Энергия — понятие, характеризующее способность производит работу, но энергия сейчас может пониматься не только в смысле механической работы, но и как созидатель новых структур. Энтропия — это форм выражения количества связанной энергии, которую имеет вещество. Энергия — творец, энтропия — мера творчества.

Синергетика отвечает на вопрос, за счет чего происходит эволюция в природе. Везде, где создаются новые структуры, необходим приток энергии и обмен со средой. Если в эволюции небесных тел мы видим результат производства, то в синергетике изучается процесс творчества природы Синергетика подтверждает вывод теории относительности: энергия твори более высокие уровни организации.

Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало в природе и предсказать которо невозможно. Механизм, который ею предлагается, — это спонтанная флуктуация, событие в точке бифуркации, экспоненциальный процесс до определенного момента. Основным понятием является понятие неустойчивости Так, из хаоса (неустойчивости) рождается космос. При спонтанной флуктуации поля начинается самопроизвольный процесс порождения части вплоть до какого-то момента, когда он прекращается. Частицы порождаютс энергией по модели, сформулированной в синергетике. Первые частицы которые появились, были нестабильными элементарными частицами бе массы покоя и с кратчайшим временем существования. Затем они превратились в стабильные, существующие и поныне. Итак, последовательност рождения материи из вакуума: спонтанность флуктуации точка бифуркации —" черные мини-дыры —> пространство-время —" частицы.

Квантовый вакуум отличается от ничто тем, что имеет универсальные постоянные, которые могут служить аналогом всеединства. Размеры Вселенной растут по экспоненте как следствие неустойчивости вакуума В результате расширения Вселенной при зарождении материи Вселенна приближается к первоначальному состоянию вакуума. Потом возможн новая флуктуация.

Необходимо подчеркнуть, что синергетика является научным направлением, изучающим открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Поэтому рассмотрим особенности эволюции неравновесных систем боле подробно.