Особенности эволюции неравновесных систем

Наука — самое важное, самое прекрасное и самое нужное в жизни человека.

Л.П. Чехов

Законы термодинамики, являющиеся обобщением большого количества экспериментального материала, опыта, утверждают, что изолированная замкнутая система со временем приходит в положение равновесия. С молекулярно-кинетической точки зрения положению равновесия отвечае состояние максимального хаоса. При удалении от равновесия состояни становится все более неустойчивым и даже малые изменения какого-либ параметра могут перевести систему в новое состояние. Поэтому при изучении образования новых структур от замкнутых систем следует перейт к рассмотрению систем открытых, которые могут обмениваться с окружающей средой веществом или энергией, т. е. неравновесным состояниям. Отличия неравновесной структуры от равновесной заключается в следующем:

• 1. Система реагирует на внешние условия (гравитационное, электромагнитное поля и т. п.).
• 2. Поведение системы случайно и не зависит от начальных условий, т. е не зависит от предыстории.
• 3. Приток энергии создает в системе порядок, и, стало быть, энтропи уменьшается.
• 4. Наличие в развитии системы бифуркации — переломной точки.
• 5. Когерентность — система ведет себя как единое целое и как если б она была вместилищем дальнодействующих сил.

Таким образом, различают области равновесности и неравновесное™, в которых может пребывать система. Ее поведение при этом существенн меняется.

Изучение неравновесных состояний позволяет прийти к общим выводам относительно эволюции в неживой природе, при которой происходит переход от хаоса к порядку. Эволюция неживой природы является сложным вероятностным процессом с весьма варьирующимся соотношение детерминированных и стохастических компонентов, и поэтому ее общи ход в чем-то непредсказуем. Непредсказуемость эволюции не абсолютная. Одни детали предвидеть невозможно, другие детали можно предвидеть с большей или меньшей достоверностью, где слишком много зависит от обстоятельств, объективно случайных по отношению к ход процесса.

Эволюция системы должна удовлетворять следующим трем требованиям:

• 1) в развитии системы наблюдается необратимость, выражающаяс в нарушении симметрии между прошлым и будущим;
• 2) возникает необходимость введения при рассмотрении развития понятия «событие»;
• 3) некоторые события должны обладать способностью изменять хо эволюции.

При этом основными условиями формирования новых структур являются следующие: 1) открытость системы; 2) нахождение ее вдали от равновесия; 3) наличие флуктуаций в системе.

Чем сложнее система, тем больше многочисленных типов флуктуаций, угрожающих ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью, и неустойчивостью, возникающе из-за флуктуации, зависит порог устойчивости системы. Превзойд этот порог, система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В ней система становится неустойчивой относительн флуктуаций и может перейти к повой области устойчивости, т. е. к образованию новой более сложной системы. Система как бы колеблетс перед выбором одного из нескольких путей ее эволюции. Небольша флуктуация может послужить в этой точке началом эволюции в совершенно новом направлении, которое резко изменит все ее поведение. Эт и есть событие.

В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остается от системы, на новый путь развития; а после того как один из многих возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм — и та до следующей точки бифуркации. В судьбе системы случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга.

Главенствующую роль в эволюции окружающего мира играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность, т. е. все системы непрестанно флуктуируют. В особой точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживае и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который называют диссипативной структурой. Новые структуры называются диссипативными потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которых они приходят. Диссипативные структуры существуют лишь постольку, поскольку систем диссипирует (рассеивает) энергию и, следовательно, изменяет энтропию Из энергии возникает порядок с увеличением общей энтропии. Таки образом, энтропия — не просто безостановочное соскальзывание систем к состоянию, лишенному какой бы то ни было организации (как думал сторонники «тепловой смерти» Вселенной), а при определенных условия становится прародительницей порядка. С одними и теми же граничным условиями оказываются совместимыми множество различных диссииативных структур. Это следствие нелинейного характера сильно неравновесных ситуаций. Малые различия могут привести к крупномасштабным последствиям. Следовательно, граничные условия необходимы, но не достаточн для объяснения причин возникновения структуры. Необходимо также учитывать реальные процессы, приводящие к «выбору» одной из возможны структур. Именно поэтому (а также в силу некоторых иных причин) приписывают таким системам определенную «автономию» или «самоорганизацию».