Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Физика arrow Концепции современного естествознания

3. СИНЕРГЕТИКА КАК НАУКА О САМООРГАНИЗАЦИИ СИСТЕМ. УСЛОВИЯ И МЕХАНИЗМЫ САМООРГАНИЗАЦИИ

Самоорганизация не связана с какими-либо специфическими объектами. Однако явление самоорганизации может происходить лишь для определенных систем и при выполнении ряда обязательных условий. Выяснением этих условий занимается синергетика.

Термин «синергетика» происходит от грел. вупе^е1а, что означает совместное, или кооперативное, действие. Такое название в начале 1970-х гг. предложил Герман Хакен, один из основоположников этой науки. В настоящее время под синергетикой понимается междисциплинарное научное направление, объединяющей идеей которого является самоорганизация — образование упорядоченных структур в неупорядоченных стохастических системах. В нестрогих терминах синергетика может быть определена как наука о превращении хаоса в порядок.

В отличие от наук, возникших на стыке двух дисциплин (например, физической химии или химической физики), одна из которых предоставляет новой науке предмет, а другая — метод исследования, синергетика опирается на методы, одинаково применимые к различным предметным областям, и изучает сложные системы любой природы. При этом синергетика обращает внимание на те аспекты, которые при традиционном подходе остаются в тени. Например, физическая химия и теория информации изучают статику, в то время как для синергетики основной интерес представляет динамика. Неравновесные фазовые переходы синергетических систем, включающие в себя колебания, пространственно-временные структуры и хаос, отличаются несравненно большим разнообразием, чем фазовые переходы систем, находящихся в состоянии теплового равновесия. В отличие от кибернетики, занимающейся разработкой методов управления системами, синергетика изучает условия самоорганизации систем при произвольном изменении управляющих параметров. Одна из особенностей синергетических систем — их большая чувствительность к начальным условиям. Даже небольшое различие в начальных условиях в корне может изменить последующую эволюцию системы (так называемый «эффект бабочки», по известному рассказу американского писателя- фантастаР. Брэдбери).

Перечислим условия, при которых происходит самоорганизация: самоорганизация протекает в открытых нелинейных диссипативных системах.

Открытость системы состоит в том, что она обменивается со средой веществом, энергией и информацией. Этот обмен происходит через имеющиеся в системе источники или стоки.

Нелинейность — отсутствие пропорциональной связи между величиной воздействия и величиной эффекта. Например, слабое воздействие может привести к новому качественному состоянию системы и, наоборот, сильное воздействие может гаситься. Самоорганизующиеся системы сохраняют свою устойчивость при возмущениях среды с помощью механизма отрицательных обратных связей.

Диссипация — рассеивание отработанного вещества или энергии в окружающую среду. Структуры, обладающие этим свойством, называются диссипативными структурами.

Явления самоорганизации происходят не в любых состояниях системы, а лишь в тех, которые далеки от равновесных.

Состояние называется равновесным, если в нем нет переноса массы, энергии, температуры, заряда ит.п. Под влиянием внешних воздействий система может переходить из одного равновесного состояния в другое, при этом самоорганизации не возникает. Источником возникновения упорядоченности системы является неравновесность — именно она позволяет системе преобразовывать энергию внешней среды в упорядоченную диссипативную структуру. Как происходит этот процесс? Когда система находится в неравновесном, неустойчивом состоянии, малые флуктуации (т. е. случайные отклонения некоторых величин, характеризующих систему, от средних значений) усиливаются по типу положительной обратной связи и превращаются в макроскопические. Это достигается за счет согласованных совместных действий отдельных элементов системы (явление когерентности), которые проявляются в масштабе всей системы. Устойчивые коллективные формы поведения частей системы называются модами. Между модами возникает конкуренция, в результате которой происходит отбор наиболее предпочтительных. Так хаос превращается в порядок.

Один из основных терминов синергетики — параметр порядка; с помощью этих параметров описываются спонтанно возникающие макроскопические структуры (влияние окружения описывается контрольными параметрами). Согласно принципу подчинения параметры порядка детерминируют поведение отдельных частей или элементов системы.

Еще одно важное понятие синергетики — понятие аттрактора (от англ, attraction — притяжение). Аттрактор — это точка притяжения, которая «притягивает» к себе всевозможные траектории системы, определяемые различными начальными условиями. Например, при сливе воды в ванной аттрактором будет отверстие, к которому сходятся все траектории частиц выпускаемой воды.

Одно из основных понятий синергетики — точка бифуркации. Когда самоорганизующаяся система находится вдали от равновесия, она может приспособиться к своему окружению разными способами. Состояния, в которых система «выбирает свою дальнейшую судьбу», называются точками бифуркации (точками ветвления). В точке бифуркации невозможно предсказать дальнейшее поведение системы: имеется лишь спектр определенных возможностей, но нет указания, по какому пути система должна следовать дальше. Выбор дальнейшей траектории системы непредсказуем, ибо он определяется совместным действием большого числа случайных факторов. В результате случайных блужданий под воздействием флуктуаций система попадает в область притяжения одной из возможных траекторий, скачком переходит на нее («подключается» к новому аттрактору) и движется по этой траектории до следующей точки бифуркации. Вместе с тем при движении между двумя точками бифуркации система развивается по детерминистскому сценарию, и ее поведение является относительно устойчивым и предсказуемым.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >
 

Популярные страницы