Билет № 18. Явления самоорганизации в открытых системах. Синергетика.

http://edu.tltsu.ru/er/er_files/book2883/book.pdf Теория самоорганизации – синергетика

Как итог развития нелинейной неравновесной термодинамики появилась совершенно новая

научная дисциплина синергетика - наука о самоорганизации и устойчивости структур различных сложных неравновесных систем: физических, химических, биологических и социальных.

В современном обществе особенно возросла роль новых научных направлений. Новые информационные технологии и средства вычислительной техники, достижения генной инженерии

и биотехнологии изменяют материальное состояние цивилизации и уклад нашей жизни. Радикально меняется и сама система научного познания – человек всегда стремился постичь природу сложного, сейчас горизонт научного познания расширился до невообразимых размеров и

наука вышла на уровень изучения процессов, которые происходят за время ~ 10^-23 с и расстояниях ~10^{-15 см, а на другом конце (космология и астрофизика) изучают процессы, происходящие за время} ~10¹⁸ с и на расстояниях ~10²⁸ см (возраст и радиус Вселенной). Во Вселенной большинство реальных объектов рассматриваются как открытые системы – это значит, что они обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой.

Сейчас идеи глобальной эволюции, движущие силы эволюции любых объектов нашего мира

претендует описать новое научное направление (появившееся в 70-х гг. XX в.) – синергетика (в

пер. с древнегреч. – содействие, соучастие). Начало новой дисциплине – синергетике, положило

выступление Германа Хакена в 1973 г. на первой конференции, посвященной проблемам самоорганизации. Самоорганизация мыслится как глобальный эволюционный процесс.

Синергетика рассматривается как теория сложных самоорганизующихся систем, как новое

междисциплинарное исследование, являющееся по существу научным рубежом современного

естествознания.

Синергетика – оказалась востребованной в современном естествознании для обоснования

наметившейся тенденции глобального эволюционного синтеза всех естественно-научных дисциплин, которую сдерживает разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе.

Появилась же синергетика как результат исследований в области нелинейного (выше второго порядка) математического моделирования сложных открытых систем. Нелинейным открытым системам присуще свойство самоорганизации или самоусложнения, они гораздо богаче закрытых, линейных систем. Именно синергетика открывает для точного, количественного математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.п.

Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: например, от молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии до эволюции и космологических процессов.

Основной вопрос синергетики – существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций. Один из основоположников

синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом:

«Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне

обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие….».

Основные свойства самоорганизующихся систем – открытость, нелинейность, диссипативность (от латинского – dissipatio – разгонять; рассеивать свободную энергию).

Открытые системы – это необратимые системы с факторами времени, случайности, закономерных и флуктуационных процессов, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии и информации, необходимого для существования неравновесных систем, неизбежно стремящихся к однородному равновесному состоянию.

Нелинейные системы – это неравновесные системы с избирательным характером реакции на внешние воздействия среды, со способностью активно воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании на основе положительной обратной связи и

скачкообразным характером поведения, приводящим к радикальному качественному изменению системы.

Диссипативные системы – это такие открытые системы, по которым рассеиваются возмущения, и в которых при больших отклонениях от равновесия возникают упорядоченные состояния; это системы с необычной чувствительностью к всевозможным воздействиям и в связи с этим сильно неравновесные; это особое динамическое состояние неравновесной системы с определенным параметром порядка, заключающееся в своеобразном макроскопическом проявлении процессов, протекающих на микроуровне, с явно выраженным качественным отличием от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом и благодаря чему, могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

Таким образом, диссипация как процесс затухания движения, рассеяние энергии, информации играет конструктивную роль в образовании структур в открытых системах и в большинстве случаев реализуется как переход избыточной энергии в тепло, но для нелинейных систем с диссипацией практически невозможно предсказать конкретный путь развития такой системы, так как реальные начальные условия никогда не могут быть заданы точно, а точки бифуркации даже при малых возмущениях могут сильно изменить ход событий.

Главная идея синергетики – это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.

Она доказывает, что даже в «неживой» или неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. На языке математики и физики – история развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных, открытых и диссипативных систем.

http://www.studfiles.ru/preview/518222/page:3/