Диссипативные структуры можно разделить на временные, пространственные и пространственно-временные. Примерами временных структур являются периодические, колебательные и волновые процессы. Типичными примерами пространственных структур являются: переход ламинарного течения в турбулентное, переход диффузионного механизма передачи тепла в конвективный. Характерные примеры: турбулентность, ячейки Бенара и сверхрешетка пор.
Развитие турбулентности начинается при достижении числом Рейнольдса критического значения. Ламинарное течение становится неустойчивым, возникают стационарные колебания скорости движения, затем более сложное движение до, все увеличивающимся числом характерных частот. Это чрезвычайно сложное квазипериодическое движение иногда называют динамическим хаосом. Однако понятие хаоса в этом случае не имеет ничего общего с хаотическим тепловым движением молекул в равновесном состоянии. Турбулентное движение является макроскопическим, обусловленным большим числом возникших корреляций. Число степеней свободы, необходимых для его описания, по некоторым оценкам достигает 109. Возникшие макроскопические связи увеличивают внутреннюю упорядоченность системы, что проявляется в возникновении интерференционных пятен в световой волне, прошедшей через турбулентность. Важность анализа турбулентности следует из того, что большая часть Вселенной заполнена веществом, находящимся в турбулентном движении.
Ячейки Бенара представляют собой структуры, напоминающие пчелиные соты, которые возникают в вязкой жидкости, подогреваемой снизу, после того, как градиент температуры превышает некоторое критическое значение. Весь слой жидкости распадается на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определенным соотношением между высотой и стороной. В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней опускается. В приповерхностном слое жидкость растекается от центра к краям, а в придонном - от границ призм к центру. При таком типе согласованного движения поток энтропии из системы максимален. Грандиозная структура подобных ячеек имеется на Солнце. Она образует конвективную зону сферической формы толщиной 105 км. Именно эта зона обеспечивает перенос на поверхность Солнца энергии, высвобождающейся за счет термоядерных реакций в его недрах.
При непрерывном облучении металлов потоком частиц высокой энергии ионы выбиваются из узлов кристаллической решетки. Возникающие вакансии объединяются, образуя частички пустоты - поры. Обычно пространственное распределение вакансионных пор случайно и близко к равномерному. Однако при определенных условиях может образовываться решеточное распределение пор, симметрия и кристаллографические оси которого являются такими же как и у решетки основного кристалла. Впервые решетку вакансионных пор (ее также называют сверхрешеткой) наблюдал в 1971 году Д.Эванс в чистом молибдене, облучаемом при 870 С ионами азота с энергией - 2 МэВ.
Примерами пространственно-временных структур являются режим генерации лазера и колебательные химические реакции. Возникновение когерентного излучения в лазере происходит при достижении мощности накачки (подводимой энергии) порогового значения. Атомы или молекулы рабочего тела лазера, излучавшие до этого независимо друг от друга, начинают испускать свет согласованно, в одной фазе.
Фазовый переход в физике означает скачкообразное изменение физических свойств при непрерывном изменении внешних параметров. Неравновесный фазовый переход определяется флуктуациями. Они нарастают, увеличивают свой масштаб до макроскопических значений. Возникает неустойчивость и система переходит в упорядоченное состояние. Неравновесные фазовые переходы различной природы имеют общие характеристики. Прежде всего, упорядочение связано с понижением симметрии, что обусловлено появлением ограничений из-за дополнительных связей (корреляций) между элементами системы. Л. Д. Ландау в 1937 г. предложил общую трактовку фазовых переходов 2-го рода как изменение симметрии. В точке перехода симметрия меняется скачком. Также общим свойством кинетических фазовых переходов является наличие фундаментальной макроскопической переменной, позволяющей дать единое описание процесса упорядочения - параметра порядка. По своему физическому смыслу параметр порядка - это корреляционная функция, определяющая степень дальнего порядка в системе.
Синергетика выявила общность закономерностей развития объектов разного уровня организации. Разительное сходство уравнений, описывающих процессы в самых различных областях знаний позволяет говорить о структурном изоморфизме процессов самоорганизации любых систем. Для конкретных случаев меняются лишь параметры и значение входящих переменных. В химии, например, переменными являются концентрации реагирующих веществ. В биологии - численность организмов или биомасса, мембранный потенциал и т.д. Примером временной структуры в биологии является процесс «хищник- жертва». Периодические колебания численности популяции зайцев и питающихся ими рысей, прослеженные компанией по заготовке пушнины «Хадсон-Бей» в течение 90 лет описываются уравнением Лотки-Вольтерра. Это же уравнение описывает незатухающие концентрационные колебания в химических системах. С точки зрения неравновесной термодинамики, процесс Лотки - Вольтерра интересен тем, что описывает систему как бы бесконечно удаленную от состояния равновесия, но еще не перешедшую в неустойчивое состояние.
Деятельность организмов немыслима без автоволновых процессов, являющихся пространственно- временными структурами. Хорошо известно «чувство времени» у многих биологических объектов, начиная от простейших и кончая высокорганизованными. Разгадка «биологических часов» лежит в периодических автоволновых процессах. Говорят, что природа не терпит пустоты, но любит ритм и цикличность.
Ярким примером последовательности бифуркаций и кинетических фазовых переходов является морфогенез . Причем здесь наглядно проявляется самое глубокое, пространственное свойство этих переходов - скачкообразное изменение симметрии системы. Морфогенез - это возникновение тканей, органов и всей структуры организма в процессе его эмбрионального развития. Исходная яйцеклетка в первом приближении имеет форму шара. Эта симметрия сохраняется на стадии бластулы, когда клетки, возникающие в результате деления еще не дифференцированны. Далее сферическая симметрия нарушается и сохраняется лишь аксиальная симметрия. На стадии гаструлы нарушается и эта симметрия - образуется сагитальная плоскость, отделяющая брюшную полость от спинной. Усложнение системы сопровождается понижением ее симметрии. Справедливо выражение «порядок есть нарушение симметрии». Хаос в высшей степени симметричен: любая его точка подобна любой другой и все направления равноправны. Появление структуры сразу снижает симметрию.
Нарушения симметрии в ходе развития зародыша возникают спонтанно в результате неустойчивости симметричного состояния. Именно в это время малые изменения управляющих параметров (в данном случае химического состава окружающей среды) очень эффективно действуют на систему (зародыш). Появление в организме матери биологически активного вещества может привести к аномалии в развитии плода. Известным примером является запрещение талидомида, применявшегося как снотворное. У некоторой части принимавших его женщин рождались дети с многочисленными уродствами. Прием лекарства у них совпадал с моментом раскрытия неустойчивости в развитии плода.
При дальнейшем развитии организма происходит формирование структуры личности. Внешними факторами, приводящими к раскрытию неустойчивости в данном случае являются межличностные взаимодействия. В психологии известны многочисленные примеры неадекватной реакции подростков на незначительные события. Насмешка, просто неосторожное слово взрослых или сверстников иногда приводит к катастрофическим последствиям - уходу из дома, суициду. Каждый из читателей может вспомнить в своем прошлом моменты, когда какой-либо пустяк выводил его из равновесия (пользуясь терминологией синергетики - из состояния текущего равновесия).
Вернадский рассматривал жизнь на Земле как процесс имеющий космический источник энергии - Солнце. Причем основную роль в использовании солнечной энергии играют фотосинтезирующие организмы. Теория диссипативных структур выявляет более глубокую роль растительного покрова - обеспечение термодинамических условий существования жизни на планете. Земной шар вместе с живой и неживой природой является открытой, неравновесной системой. От Солнца поступает поток энергии в виде излучения. Существование на Земле упорядоченной структуры в виде биосферы возможно лишь при отводе в космическое пространство большего количества энтропии, чем приходит с солнечным излучением и вырабатывается в биосфере в результате диссипативных процессов. Можно сказать, что самоорганизация поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии. По предложению Бриллюэна отрицательную энтропию стали называть негэнтропией. Негэнтропийный рацион Земли составляет, по оценке Ребане, 1022 кал*град-1 в год. Поглощая солнечное излучение растительный покров понижает эффективную температуру уходящего излучения, увеличивая поток отводимой энтропии. Это увеличивает энтропию Вселенной, но обеспечивает поддержание стационарного состояния на Земле. В этом проявляется общее свойство жизни как упорядоченной подсистемы - она ускоряет рост энтропии системы в целом, но создает упорядоченность локально. Постоянство негэнтропийного рациона Земли лежит, по-видимому, в основе закона Вернадского о сохранении биомассы на Земле.
Современный взгляд на динамическую систему Земля - Солнце выявил значение солнечной активности. Возникающие флуктуации электромагнитного и корпускулярного излучений Солнца не превышают 10-3 от его общего потока, поэтому влияние солнечной активности на процессы, происходящие на Земле, раньше полностью отрицалось из-за энергетической малости. Однако сейчас установлено это влияние на самые разнообразные процессы в магнитосфере, верхнем и нижнем слоях атмосферы, гидро- и литосфере Земли. Воздействие происходит из-за сильной неравновесности ряда процессов в космическом пространстве, земной атмосфере и на самой Земле. Неравновесность же характеризуется наличием неустойчивостей. Солнечная активность выступает как спусковой крючок, приводящий к раскрытию этих неустойчивостей.
В настоящее время синергетические методы начинают находить применение в гуманитарных науках - экономике, социологии, психологии, лингвистике и т.д. В качестве конкретного социологического примера можно привести разработку Хакеном стохастической модели формирования общественного мнения, в которой содержится резкий переход между различными состояниями. Появляются попытки синергетического осмысления искусства.
Страницы: 1, 2
