Термин «самоорганизация» в широком смысле близок к понятию «эволюция» и отражает принцип развития Природы от простого к сложному. Формулировку «от простого к сложному» следует понимать как направление развития материи от состояния большей энтропии к состоянию с меньшей, или, в общем, от хаоса к порядку. Вспомним, что классическая термодинамика предписывает необратимость процессов, их развития в сторону увеличения энтропии, то есть от организованных структур к хаосу. Из этого принципа возникли и гипотеза «тепловой смерти» Вселенной и соответствующий термодинамический парадокс. Термин «самоорганизация» кроме понятия «организация», то есть обретение упорядоченности предполагает, что этот процесс происходит не за счет внешнего воздействия, а за счет внутренних изменений самой системы. О каких системах и материальных объектах мы говорим? Концепция самоорганизации в общем касается всех живых, неживых природных, а также общественных систем. В последние десятилетия XX века возникла интегрирующая наука — синергетика, определяемая как теория самоорганизации открытых, диссипативных нелинейных систем. Остановимся теперь на этих понятиях. Открытость системы означает ее возможность обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Альтернативной представляется закрытая система. Закрытая система является физической абстракцией, но тем не менее многие физические законы сформулированы для закрытых систем, когда эффектом обмена можно пренебречь или система находится в равновесии (что близко по смыслу). Такова, например, Вселенная Ньютона, являющаяся закрытой системой. Классическая термодинамика, основанная на нескольких постулатах, по своему смыслу является как бы термостатикой, поскольку в ней рассматриваются равновесные процессы. Изолированная система, предоставленная самой себе (самоорганизующаяся), неизбежно переходит к состоянию с наибольшей энтропией, то есть к термодинамическому равновесию или наибольшему хаосу. 333 Раздел III. Современные проблемы и концепции естествознания Принципы описания поведения открытых систем, обменивающихся энергией, стали разрабатываться под влиянием ряда технических приложений, когда допущения о равновесном состоянии и изолированности оказывались невозможными. Диссипативными называют такие открытые системы, в которых прирост энтропии в единицу времени в единице объема отличен от нуля. Упорядоченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов, называют диссипативными структурами. Эти структуры возникают при рассеянии энергии (лат. dissipatio — «разгонять»). Без диссипатии, то есть рассеяния свободной энергии и создаваемых в системе неоднородностей, новые структуры возникнуть не могут. Линейной называют систему, свойства которой не зависят от воздействия, оказываемого на систему. Процесс самоорганизации предполагает нахождение системы вдали от точки равновесия, когда свойства системы оказываются зависящими от воздействующих сил. Неравновесное состояние рассматривается синергетикой как основной источник упорядоченности. Нелинейные системы описываются нелинейными уравнениями, имеющими более одного качественно различных решения. Это означает, что система может развиваться совершенно различными путями. Для понимания принципов самоорганизации рассмотрим несколько ставших классическими примеров. Первый пример может быть представлен опытом, называемым иногда «яичница Бенара». В 1900 г. X. Бенар описал получение в широком сосуде некоторой организованной структуры из налитой в сосуд ртути при нагревании сосуда (сковорода на плите). Структура напоминала пчелиные соты. Вместо ртути, как выяснилось, можно использовать, например, растительное масло. При определенном нагреве слоя ртути, он распадался на одинаковые шестигранные призмы, названные «ячейками Бенара», с определенными размерами граней и соотношением между стороной и высотой. В центральной части каждой призмы жидкость поднималась вверх, по граням спускалась. В состоянии, близком к равновесному, когда перепад температуры между верхним и нижним слоями ртути невелик, ничего особенного не происходит. Но при значительном увеличении температуры возникает неустойчивое состояние, которое переходит в новое устойчивое, но с такой организацией, которая обеспечивает максимальную скорость тепловых потоков. Прежняя структура оказалась неспособной обеспечить достаточную скорость передачи тепла. Новое состояние является равновесным, то есть тепла отводится столько же, сколько подводится, но избыток энтропии расходуется на поддержание упорядоченности структуры, энтропия которой выше, чем у изначальной. Другим примером самоорганизации является химическая реакция Бело- усова — Жаботинского, открытой в 1951 г. Борисом Петровичем Белоусовым. В этой реакции, происходящей в растворе серной и малоновой кислот сульфата церия и бромида калия при добавлении в качестве индикатора ферро- ина, самоорганизация проявляется в образовании в жидкой среде концентрических волн и в периодическом изменении цвета раствора. Период изменения в течении реакции сохраняется. Попытки опубликовать результаты 334 4. Биосфера и человек Б.П. Белоусов своих опытов Б. П. Белоусову не удались, поскольку у авторитетных рецензентов возникали сомнения в возможности осуществления такой реакции. Механизм реакции был вскрыт А М. Жаботинским. Реакция, получившая название по именам обоих ученых, стала широко известной в 80-е гг. и анализировалась ведущими учеными мира. При разработке неравновесной термодинамики бельгийский ученый Илья Пригожий — один из основателей теории самоорганизации, лауреат Нобелевской премии по химии за 1977 г., исследовал модели реакции Белоусова — Жаботинского. Примером самоорганизации системы из области квантовой физики является работа лазера. Схематично лазер можно представить состоящим из трех основных элементов: активного элемента, в качестве которого может быть твердая, жидкая или газообразная среда, резонатора и системы накачки. Во многих типах лазеров система накачки представляет собой мощный излучатель, поток от которого концентрируется на активном элементе. Под воздействием излучения накачки в активном элементе создается так называемая инверсная среда. В обычном состоянии число частиц (населенность) нижнего из пары возможных уровней энергетического состояния данного типа атомов, молекул или ионов вещества превышает населенность верхнего уровня. В инверсном состоянии, наоборот, населенность верхнего уровня больше. Излучение среды сопровождается переходами частиц с верхнего уровня энергетического состояния на нижний. Эти переходы в обычном состоянии среды носят хаотический характер, излучение, возникающее в этом случае, называется спонтанным. В лазерах основное значение играет вынужденное излучение, возникающее при вынужденных переходах с верхнего уровня на нижний. Вынужденные переходы происходят при взаимодействии возбужденной частицы с фотоном. Фотон, возникающий в результате вынужденного перехода, и фотон, стимулирующий переход, будут иметь одинаковые параметры, поэтому стимулированное излучение является когерентным. Инверсная среда, кроме того, усиливает проходящее через нее излучение, так как в ней преобладают вынужденные переходы. Свойство инверсной среды усиливать проходящее через нее излучение лежит в основе принципа действия лазера (рис. 3.25). Для превращения процесса усиления излучения в процесс генерации используется оптический резонатор, который обычно состоит из двух зеркал, между которыми располагается активный элемент. Для вывода излучения одно или оба зеркала являются частично прозрачными. Те световые колебания, которые совпадают с осевым направлением резонатора, Резонатор АшшньЛ_ элемент *t t t t излучение люери Система накачки Рис. 3.25. Схема устройства лазера 335 Раздел III. Современные проблемы и концепции естествознания проходят через активный элемент многократно и поэтому получают наибольшее усиление. Вследствие этого излучение лазера является направленным. Из когерентности излучения лазера следует, что оно является также поляризованным и монохроматическим. Самоорганизация при работе лазера как раз и проявляется в предании излучению этих свойств, отличающихся высокой степенью организации, то есть упорядоченности: излучение происходит практически на одной длине волны, его структура упорядочена во времени (временная когерентность) и в пространстве (пространственная когерентность). Необходимые условия самоорганизации обеспечиваются: инверсное состояние далеко от равновесного и нелинейно, система является открытой (получает и отдает энергию) и диссипативной (энергия, создаваемая в активном элементе, рассеивается). И наконец, еще один пример самоорганизации — переход от однородной к структурной Вселенной. Через 500 тыс. лет после Большого Взрыва, как мы уже отмечали, Вселенная остыла примерно до 3000 К. При такой температуре ни одно из четырех фундаментальных взаимодействий не обеспечивало дальнейших преобразований. Образовалась однородная среда, в которой тем не менее проявлялись принципы самоорганизации. Развивающаяся Вселенная открыта (обменивается энергией с окружающей средой — вакуумом) и диссигнативна, то есть рассеивает энергию. Состояние Вселенной было неравновесным, поскольку она состояла из трех не взаимодействующих между собой частей — лептонов, фотонов и барионного вещества, имеющих различную температуру. Идеи самоорганизации Вселенной находятся в настоящее время в стадии развития, но сам принципиальный подход к этой проблеме с позиции самоорганизации по современным представлениям является обнадеживающим. При самоорганизации система проходит через так называемые точки бифуркации, представляющие собой критическое значение параметров системы при переходе от неустойчивого состояния к принципиально новому, устойчивому. В опыте Бенара, к примеру, точка бифуркации определяется критическим значением температуры. С точки зрения математики точке бифуркации соответствует более одного решения нелинейного уравнения, описывающего систему. Практически это означает, что в точке бифуркации система имеет возможность перехода в одно из нескольких возможных устойчивых состояний. В какое именно состояние она перейдет — дело случая, но после качественного скачка — «назад дороги нет». Произошедший скачок необратим. Таким образом, в развитии системы можно выделить две фазы — непрерывную эволюцию, протекающую плавно, ход которой закономерен (детерминирован), и случайную фазу, соответствующую переходу через точку бифуркации. Перелистаем несколько страниц книги назад и обратим внимание на рис. 3.19, показывающий хронологию возникновения катастроф в истории Земли. Точки бифуркации соответствуют катастрофам, происходившим на Земле. В этих точках создавалась критическая ситуация, требующая перехода Природы в новое качество. Между точками бифуркации эволюционный процесс протекал сравнительно плавно. К принципам самоорганизации привела неравновесная термодинамика И. Пригожина, но сегодня ясно, эти принципы могут быть распространены на 336 4. Биосфера и человек явления, происходящие в самых различных сферах — от химических реакций до процессов в обществе. Известный немецкий физик Г. Хакен, который ввел для обозначения процессов самоорганизации обобщенное название «синергетика» (греч. synergetike — «сотрудничество», «совместное действие»), писал: «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». Герман Хакен Сама жизнь, эволюция живой природы демонстрируют принципы самоорганизации. В своей книге «Что такое жизнь?» Э. Шредингер пишет: «Средство, при помощи которого организм поддерживает себя на достаточно высоком уровне упорядоченности (равно на достаточном уровне энтропии), в действительности состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды». Живые организмы оказываются способными поддерживать упорядоченность, тогда как за неживой природой не признавалась такая способность, и ей предрекалась «тепловая смерть». Неравновесная термодинамика и синергетика разрушают это представление. Если в ранее разработанных теориях эволюции основная роль отводилась влиянию окружающей среды, то концепция самоорганизации полагает главным условием развития взаимодействия с внешней средой, открытость системы, обмен энергией, материей и информацией.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Концепция самоорганизации» з дисципліни «Історія науки»
