Возникновение самоорганизации в неравновесных системах. Понятие обратных связей

Суммарное уменьшение энтропии в открытых системах при определенных условиях за счет обмена потоками с внешней средой может превысить ее внутреннее производство. Появляется неустойчивость предшествующего неупорядоченного однородного состояния, возникают и могут возрасти до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации. Из хао-

са могут возникнуть структуры, которые начнут переходить во все более упорядоченные. Эти структуры образуются за счет внутренней перестройки системы, поэтому это явление получило название самоорганизации. При этом энтропия, отнесенная к тому же значению энергии, убывает. Пригожин назвал упорядоченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов, диссипативными структурами (от лат. dissipatio — разгонять, рассеивать). Считается, что эти структуры летучие и возникают при рассеянии свободной энергии в неустойчивых открытых системах.

Состояние текущего равновесия в системе должно поддерживаться извне массой и энергией, компенсирующими потери на диссипацию. Такие системы называют открытыми. Для описания процессов самоорганизации уже нельзя использовать представления линейной термодинамики необратимых процессов, так как структуры формируются вдали от равновесия. Под действием крупномасштабных флуктуации появляются коллективные формы движения, называемые модами, между которыми возникает конкуренция, происходит отбор наиболее устойчивых из них, что и приводит к спонтанному возникновению макроскопических структур. Таким системам нельзя навязать пути развития, обычно они имеют несколько возможностей развития. В точке бифуркации и происходит выбор пути, в качестве созидающего начала здесь выступает хаос. При этом «спусковым крючком» может быть мельчайшее возмущение, флуктуация, тогда как выбор пути определяет макроскопические результаты. Процессы самоорганизации описываются нелинейными уравнениями для макроскопических функций. Брюссельская школа, возглавляемая Пригожи-ным, исследовала способность открытых систем к самоорганизации и выделила неравновесность в качестве основного источника упорядоченности.

Роль коллективного поведения подсистем, образующих систему, подчеркивал немецкий физик Г.Хакен, и потому ввел для процессов самоорганизации название синергетика (от греч. synergetike — сотрудничество, совместное действие).

Самоорганизация — спонтанное образование высоко-упорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса, спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного (синхронного) действия многих подсистем. Хаотическое состояние содержит в себе неопределенность — вероятность и случайность, которые описываются при помощи понятий «информация» и «энтропия». После изучения случайности Хакен рассмотрел необходимости и получил детерминированные уравнения движения. При этом главными оказываются выбор равновесных мод и исследование их устойчивости. Случайное событие вызывает неустойчивость,

а это — толчок для возникновения новых конфигураций (мод). Зародышем самоорганизации служит «вероятность»; упорядоченность возникает через флуктуации, устойчивость через неустойчивость. В предисловии к своей книге «Синергетика» Ха-кен пишет: «Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин».

В синергетике сформулированы принципы самодвижения в неживой природе и создания сложных систем из простых. Тем самым в физику проник эволюционный подход, случайность вышла на макроскопический уровень. Синергетика привела к новому пониманию эволюции.

В открытых системах можно менять потоки энергии и вещества, т.е. регулировать образование диссипативных структур. При неравновесных процессах, начиная с какого-то критического для данной системы значения внешнего потока, из неупорядоченных и хаотических состояний за счет потери их устойчивости могут возникнуть упорядоченные состояния. Упорядоченность может быть временная, пространственная и пространственно-временная. Чтобы не вдаваться в общую теорию таких систем, обратимся к примерам из разных областей естествознания.

В 1900 г. появилась статья X. Бенара с фотографией возникшей структуры, напоминающей пчелиные соты (рис. 8.5). Бенар наблюдал ее в ртути, налитой в широкий плоский сосуд, подогреваемый снизу. Слой ртути (или другой вязкой жидкости) после того, как градиент температуры достиг некого критического значения, распадался на одинаковые шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой. В центральной части такой призмы жидкость поднималась вверх, а по

граням — опускалась. По поверхности жидкость растекалась от центра к краям, а в придонном слое — к центру. Эти устойчивые структуры названы ячейками Бенара.

Температурный градиент в данном случае называют инверсным, так как жидкость у нижней поверхности из-за теплового расширения имеет меньшую плотность, чем вблизи верхней. Из-за силы тяжести и выталкивающей архимедовой силы система оказывается неустойчивой, слои «хотят» поменяться местами. При меньшей разнице температур между поверхностями из-за вязкое-

ти движения жидкости не возникало, теплота распространялась лишь путем теплопроводности, но начиная с некоторого значения обмен ускорился, так как возник конвекционный поток. Флуктуации сначала из-за вязкого трения затухали, в сверхкритической области вдруг резко выросли, достигая макроскопических масштабов. Для устойчивости потоков жидкости необходимо регулировать подогрев, и он происходит самосогласованно. Возникает структура, обеспечивающая максимальную скорость тепловых потоков, и ее внутренняя структура (или самоорганизация) поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии, или негэнтропии.

Наиболее важны среди сложных систем системы с обратной связью. Система определенным образом реагирует на внешнее воздействие: может его усилить — положительная обратная связь, может свести его к нулю — гомеопатическая обратная связь, а может ослабить его — отрицательная обратная связь. Отрицательная обратная связь способствует восстановлению равновесия в системе при его нарушении внешним воздействием, положительная — вызывает еще большее отклонение, чем то, которое было бы при отсутствии обратной связи.

Механизм обратной связи сам меняет систему. Если он повышает степень организованности системы, говорят о самоорганизованности. Поведение системы может быть случайным или целесообразным. Последним обладают системы с отрицательной обратной связью. Для обозначения машин с внутренне целесообразной реакцией на внешнее воздействие создатель кибернетики Н. Винер ввел термин «севромеханизмы».

Обратная связь является одним из основных понятий кибернетики — науки об управлении сложными системами с обратной связью. Ее рождение связывают с появлением в 1948 г. книги Н.Винера «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине», хотя некоторые идеи появлялись и раньше. В ее основе лежит идея возможности использовать общий подход к рассмотрению процессов управления в системах различной природы. Системы изучаются по реакциям на внешние воздействия, поэтому кибернетики ввели новый функциональный подход («сигнал — отклик») и новое фундаментальное понятие «информация».

Информация — мера разнообразия систем, увеличивающаяся с ростом разнообразия в системе. С ней связан один из основных законов кибернетики — закон необходимого разнообразия: эффективное управление системой возможно только тогда, когда разнообразие управляющей системы больше разнообразия управляемой. Это значит, что чем больше имеется информации о системе, тем эффективнее процесс управления ею. Это понятие характеризовало меру организованности системы в противовес энтропии как меры неорганизованности. Кибернетика ис-

следует зависимости между характеристиками системы и информацией, понижение энтропии означает рост информации. В системах управления решаются задачи разных типов: стабилизации, выполнения программы, слежения и оптимизации. В кибернетике рассматриваются цели и способы управления, системы во взаимодействии друг с другом, в движении и развитии. В этой науке отвлекаются от конкретных особенностей изучаемых систем, выделяя закономерности, общие для некоторого класса систем. Составляющие этой абстрактной кибернетической системы описываются в терминах абстрактных элементов.

Вопросыдля самопроверки и повторения

1. Какая часть термодинамической системы называется фазой данного вещества? Объясните понятия «фазовое равновесие», «перегретая жидкость». Дайте молекулярную картину процессов испарения и конденсации, сублимации и десублимации. Что такое насыщенный пар и каковы его свойства? Опишите роль этих процессов в земной атмосфере.

2. Поясните явление катализа и его использование. Какова роль радиационной химии в генетике?

3. Дайте понятие о свободных радикалах и цепных реакциях. Приведите примеры.

4. Как развивалось учение о химических процессах? Как можно ускорить или замедлить ход реакции и каково промышленное значение этого? Дайте представление о химической кинетике.

5. Назовите методы управления химическими процессами. Как можно сместить химическое равновесие и направление реакции? Как происходят процессы переноса веществ?

6. Каковы особенности явлений при сверхнизких температурах? Опишите явления сверхтекучести и сверхпроводимости.

7. Поясните процессы, происходящие в расплавах и растворах. Почему при растворении обычно температура понижается? Каковы особенности растворения в воде? Какую роль играют гидрофильные и гидрофобные процессы в живых организмах?

8. Как ведут себя макросистемы вдали от равновесия? Поясните принцип локального равновесия.

В чем заключается явление самоорганизации?

9. Расскажите о простых, сложных, устойчивых, неустойчивых, изо
лированных и открытых системах, об обратимых и необратимых процес
сах. Приведите примеры обратных связей.

10. Опишите условия появления диссипативных структур в открытых
системах. Приведите примеры.

Глава 9

КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ, ЭВОЛЮЦИОННЫХ

ПРОЦЕССОВ И ЗАРОЖДЕНИЯ СТРУКТУР

В МИРЕ ЗВЕЗД