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.

• 1
• 2

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.