Контрольная работа: Создание классической механики и экспериментального естествознания

Вопрос № 2 Самоорганизация в открытых неравновесных системах

Синергетика

Человек всегда стремился постичь природу сложного, пытаясь ответить на вопросы: как ориентироваться в сложном и нестабиль­ном мире? Какова природа сложного и каковы законы его функцио­нирования и развития? В какой степени предсказуемо поведение сложных систем? Современное естество­знание ищет пути теоретического моделирования самых сложных систем, которые присущи природе, – систем, способных к самоорга­низации, саморазвитию. Именно это изучает наука синергетика. Термин «синергетика » предложил в начале 70-х гг. XX в. немец­кий физик Г. Хакен. Синергетика – это междисциплинарное направление научных ис­следований, предмет которого – общие закономерности самоор­ганизации в природных и социальных системах . Синергетика открывает для точного, количественно­го, математического исследования такие стороны мира, как его не­стабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.п. Синергетика рассматривает системы самой разнообразной приро­ды – физические, химические, биологические, социальные, – про­цессы самоорганизации в которых, как выяснилось, описываются од­ними и теми же математическими моделями и, следовательно, подчиняются универсальным закономерностям.

Главная идея синергетики – это идея о принципиальной возможнос­ти спонтанного возникновения порядка и организации из беспоряд­ка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Решающим фак­тором самоорганизации является образование петли положитель­ной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденции ее разрушения средой. Становление самоорганизации во многом определяется характе­ром взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и ее среды. Историки давно заметили, что в развитии общества чередуются сравнительно спокойные перио­ды постепенных изменений со временами социальных потрясений и революций, когда за исторически ничтожный срок теряют устойчи­вость и распадаются традиционные социальные институты и возни­кают совершенно новые формы общественной организации. Упорядоченная структура возникает по пороговому механизму, вне­запно, необратимо. Чаше всего возникновение новых упорядоченных структур происхо­дит по бифуркационному сценарию. Бифуркация – математический термин, означающий «раздвоение », переломный момент. Точки бифуркации – спутники любой эволюционирующей систе­мы. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются зна­чительные флуктуации (случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц ), роль случайных факторов резко возрастает. В точке бифуркации система как бы «колеблется» перед выбором того или иного пути организации, пути развития. В таком состоянии небольшая флуктуация может по­служить началом эволюции (организации) системы в некотором оп­ределенном (и часто неожиданном или просто маловероятном) на­правлении, одновременно отсекая при этом возможности развития в других направлениях. Траектории, по которым возможно развитие системы после точки бифуркации, называются аттракторами. В переломный момент самоорганизации принципиально неиз­вестно, в каком направлении будет происходить дальнейшее разви­тие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень упорядоченности и организации. Самоорганизовавшуюся упорядоченную структу­ру можно рассматривать как результат запоминания системой тех случайных флуктуации, которые имели место в момент перехода че­рез критическую точку. Таким образом, беспорядочные флуктуации, хаос являются тем материалом, из которого строится порядок. На него могут повлиять самые незначительные и не поддающиеся учету факторы. Можно оценить лишь вероятность, с которой система двинется по той или иной ветви бифуркационной диаграммы. С каждой новой точкой бифуркации неопределенность усиливается, и потому отдаленное будущее оказывается непредска­зуемым. Однако, система, прошедшая несколько точек бифуркации, приобретает исто­рию: по ее современному состоянию можно установить, в каких со­стояниях она находилась ранее. Можно сказать, что история возникает в точках бифуркаций. Пример: в учебниках истории периоды спокойного раз­вития характеризуются достаточно бегло, но как только ход событий приближается к политическому кризису, революции, эпохе реформ, повествование замедляет свой темп, погружаясь в де­тали. То же справедливо для палеонтологии, где наибольший интерес вызывают находки переходных форм, которые могут рассматривать­ся как точки ветвления эволюционного древа, а также для геологии, космологии и вообще любой дисциплины, рассматривающей пред­мет своего изучения в развитии.

Расстояние между последовательными точками бифуркаций мо­жет изменяться по мере эволюции системы. Это дает основание раз­личать «внешнее время », отсчитываемое постоянными по своей дли­тельности циклами (например, периодами обращения Земли вокруг Солнца) и «внутреннее время » системы, определяемое количеством пройденных точек бифуркации. В природе известны примеры как за­медления «внутреннего времени» (эволюция Вселенной от Большо­го взрыва до наших дней) по сравнению с «внешним», так и ускорения (биологиче­ская эволюция, общественное развитие).

Самоорганизация приводит к балансированию на грани хаоса. Система, прошедшая в своем развитии несколько точек бифуркации, как правило, оказывается вблизи границы, отделяющей упорядочен­ное поведение от хаотического. Теория самоорганизованной критичности – любая эволюционно зрелая система неизбежно балансирует на грани потери устойчивости. Для выжива­ния такой системе требуется тонкое и точное управление. Пример: если сверху сыпать на тарелку песок, то в конце концов склоны образующейся на ней горки приобретают критическую крутизну, когда достаточно уронить еще одну песчинку, чтобы вызвать катастрофическую лавину. Пример: благодаря первым наземным растениям содержание кислорода в воздухе к концу девонского периода до­стигло современного значения - 21%, но не продолжило расти. Почему? При повышении содержания кислорода до 25% начала бы гореть даже мокрая древесина, выгорели бы все леса, а значит, процент кислорода необратимо снизился до первоначального уровня.

Основные свойства самоорганизующихся систем: открытость (неравновесность), нелинейность, диссипативность.

Открытость

Открытые системы – это такие системы, которые поддерживают­ся в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существо­вания неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым нача­лом термодинамики) к однородному равновесному состоянию. От­крытые системы – это системы необратимые; в них важным оказыва­ется фактор времени. В открытых системах ключевую роль (наряду с закономерным и необходимым) могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается. Система должна быть неравновесной. Пример: кухня, в которой на плите стоит только что вскипевший чайник, – неравновесная система, поскольку между чайником и окружающим воздухом имеется градиент (мера неодно­родности распределения той или иной величины, ее перепад ) температуры. Благодаря ему возникает направленный поток тепловой энергии, и чайник остывает. Однако когда температура чайника сравняется с температурой окружающего воздуха, равновесие все еще не будет достигнуто. Дело в том, что кон­центрация воды в чайнике больше концентрации водяного пара в воздухе (химический градиент), что приводит к направленному по­току молекул воды из чайника. Через несколько дней вся вода из чайника испарится, и можно будет считать состояние равновесия до­стигнутым. Заметим, что неравновесная система может быть и замкнутой, не сообщающейся с внешним миром. Например, не исключено, что на­ша Вселенная – изолированная система. Но масшта­бы ее таковы, что время, необходимое для ее перехода в равновесное состояние (каким бы оно ни было), астрономически велико. Однако чаще всего дли­тельное поддержание системы в неравновесном состоянии требует, чтобы она была не­замкнутой, открытой, проточной.

Нелинейность

Все рассмотренные системы, в которых происходит самооргани­зация, нелинейны. Линейная система отличается тем, что ее реакция на несколько одно­временных воздействий равна сумме реакций на каждое воздействие по отдельности. Нелинейные системы способны качественно изменять свое поведение при количественном изменении воздействия. Другими словами, нели­нейные системы – это системы сложные. Но речь идет не столько о сложности законов , управ­ляющих поведением системы, сколько о сложности возникающего под их действием поведения . Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер. В состояни­ях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усили­ваться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся стр