Синергетика как наука о самоорганизации

Синергетика – область научных исследований, целью которых является выявление общих закономерностей в процессах образования, устойчивости и разрушения упорядоченных временных и пространственных структур в сложных неравновесных системах различной природы. Термин «синергетика» в переводе с греческого означает «совместное действие». Он был введен в науку Германом Хакеном и понимался двояко. Во-первых, это теория возникновения новых свойств у целого, состоящего из взаимодействующих тел. Во-вторых, это подход, требующий для своей разработки сотрудничества специалистов из разных областей. Действительно, сейчас идеи и уравнения синергетики используются во многих, казалось бы, очень далеких областях знания. Так, методы синергетики используются в механике и физике, в экологии и экономике, в социальных науках и медицине. Основным рабочим инструментом синергетики является компьютер. Поскольку уравнения, решаемые в синергетике, имеют, как правило, сложный нелинейный вид, без численных методов их решения не обойтись.

Теория самоорганизации имеет дело с открытыми термодинамическими сильно неравновесными системами. Если в некоторой молекулярной системе создать разность термодинамических параметров в разных точках объема, то в системе возникнут термодинамические потоки. Например, если создать разность температур у дна и верха сосуда с газом или жидкостью, то возникнет поток тепла, направленный из более нагретой области в менее нагретую. Если система изолирована, то этот поток приведет к выравниванию температур, после чего наступит состояние термодинамического равновесия в полном соответствии со вторым началом термодинамики. При этом энтропия системы возрастет, т. е. термодинамические потоки приводят к производству энтропии системы. Процессы, приводящие к производству энтропии в системе, называются диссипативными процессами (диффузия, теплопроводность, вязкость и т. д.)

рассмотрим замкнутую систему, которая обменивается теплом с окружающей средой. В такой системе можно поддерживать разность температур и тем самым поддерживать поток тепла. При этом в системе будет постоянно производиться энтропия, но она будет выводиться вместе с потоком тепла в окружающую среду. В принципе, можно добиться баланса: сколько энтропии производится в системе за счет неравновесных процессов (потока тепла), столько же ее выводится из системы. В этом случае достигается стационарное состояние, которое не изменяется с течением времени. Такое состояние часто наблюдается в замкнутых или открытых системах при малых термодинамических потоках.

Если постепенно увеличивать разность температур в системе, то можно добиться того, что поток энтропии из системы окажется больше, чем ее производство в самой системе. Энтропия системы начнет уменьшаться. Это должно приводить к возникновению в системе какой-либо упорядоченности. Такие явления действительно наблюдаются. Например, если на сковороду налить толстый слой минерального масла и сильно подогревать ее снизу, то между нижней и верхней поверхностями возникнет разность температур. Если эта разность больше некоторого критического значения, то в жидкости возникают конвективные потоки (механические потоки более горячей жидкости вверх, а менее горячей – вниз). Интересно, что эти потоки упорядочиваются в пространстве в виде правильных шестиугольных ячеек – ячеек Бенара (рис. 3.5). В центре каждой ячейки жидкость движется вверх, а вблизи ее краев – вниз. Размеры ячеек не зависят от формы и размеров сосуда, если он достаточно большой.

Рис. 3.5. Структура в виде шестигранных призматических ячеек (Бенара), устанавливающихся в плоском горизонтальном слое вязкой жидкости при подогреве снизу

Явление возникновения структур в сильно неравновесных открытых системах было названо самоорганизацией, а сами структуры – диссипативными (возникающими в результате диссипативных процессов). Возникновение, эволюция и разрушение диссипативных структур описываются сложными нелинейными дифференциальными уравнениями. Такие структуры могут возникать во многих областях человеческой деятельности – в экологии, экономике, медицине и т. д.