загрузка...
загрузка...
На головну

ШЛЯХИ ФОРМУВАННЯ СИНЕРГЕТИКИ

  1. I. Теоретичні основи формування артикуляційної моторики у дітей.
  2. II. 7.5. Розвиток уваги у дітей і шляхи його формування
  3. II. Етап формування первинних вимовних умінь і навичок
  4. Алгоритм автоматичного формування парних симетричних ключів шифрування-дешифрування відкритих повідомлень на робочих станціях абонентів корпоративної системи.
  5. Амортизація основних фондів підприємств: поняття, призначення і методи розрахунку. Місце амортизації в системі формування інвестиційних ресурсів.
  6. Аналіз джерел формування оборотних активів
  7. Аналіз забезпеченості запасів джерелами формування, тис. Руб.

Наука, як і всі види мистецтва, вимагає уяви. Перше, для чого воно потрібне, - це побачити предмет дослідження.

Дж. Дж. Томсон,

англійський фізик

Наукові уявлення про процеси самоорганізації у відкритих нерівноважних системах спочатку (в 60-х роках XX століття) формувалися розрізнено і незалежно в різних дисциплінах. Пізніше (в 70-х роках) вони стали предметом порівняння і в них виявилося багато спільного.

І. Пригожин вийшов на свою теорію самоорганізації через розробку термодинаміки сильнонерівноважних систем. Однак цього варіанту термодинаміки передувала розробка теорії слабшого нерівноваги - теорії стаціонарних, або стійких, нерівноважних систем. Стаціонарне нерівновагу досягається, коли зовнішній вплив виводить систему зі стану рівноваги, але оскільки цей вплив недостатньо велике, то нерівноважний стан системи утримується поблизу від стану рівноваги.

Для вчених такі стани виявилися цікавими з двох причин. По-перше, для таких випадків з деякими поправками застосуємо раніше розроблений теоретичний апарат термостатики. Оскільки стаціонарні нерівноважні системи відкриті, то вони обмінюються із середовищем речовиною та енергією. У них існують потоки речовини і енергії і, отже, відбувається зростання ентропії.

 І. Пригожин довів теорему про те, що в таких системах виробляється мінімальна ентропія. Повна ентропія таких систем буде залишатися постійної тільки при надходженні в систему ззовні негативною ентропії, тобто негентропії, або інформації. Тому під час вступу до систему ззовні мінімальної негентропії нерівноважний стан буде стійким (стаціонарним).

По-друге, для феноменологічного пояснення стійкості нерівноважних станів може використовуватися принцип Ле Шателье- Брауна.

У 1884 році Лешательє сформулював принцип: «Якщо в системі, що знаходиться в рівновазі, змінити один з чинників рівноваги, наприклад збільшити тиск, то відбудеться реакція, супроводжується зменшенням обсягу, і навпаки». У 1887 році цей принцип був узагальнений німецьким фізиком К. Брауном. У сучасному викладі цей принцип означає, що система, виведена зовнішнім впливом зі стану з мінімальним виробництвом ентропії, стимулює розвиток процесів, спрямованих на послаблення зовнішнього впливу.

       
   


Інакше кажучи, системи, що знаходяться в стаціонарному нерівноважному стані, мають від природи властивістю стійкості.

Загальна теорія стійкості розроблялася видатним вітчизняним математиком А. М. Ляпуновим (1857-1918). Відповідно до цієї теорії, стійкі стану не втрачають своєї стійкості при флуктуації фізичних параметрів. Система за рахунок внутрішніх взаємодій здатна погасити виникають флуктуації. Нестійкі системи, навпаки, при виникненні флуктуацій здатні посилювати їх, і в результаті наростання амплітуди збурень система з прискоренням (тобто нелінійно) переходить зі стаціонарного нерівноваги в нестійкий нерівноважний стан, що веде до хаосу.

Логіка наукового розвитку, включаючи нові експериментальні дані, зажадала в 50-60-х роках XX століття

 перейти від розгляду слабонеравновесних до вивчення сильнонерівноважних систем, від стаціонарних нерівноважних станів до дослідження нестійких нерівноважних станів. Тут і зав'язка проблеми.

Справа в тому, що у вивченні сильнонерівноважних станів непридатний теоретичний апарат термостатики, а також і принцип Ле Шательє - Брауна.


 Це означає, що для сильнонерівноважних станів потрібно заново розробляти теорію. І коли цю роботу І. Пригожин виконав, то виявилося, що дана теорія є нова концепція самоорганізації хімічних і фізичних систем.

Така коротенька логіка руху І. Пригожина до розробки теорії самоорганізації, а конкретні факти цього руху наступні. Увага І. Пригожина привернула хімічна реакція, названа ре акцією Білоусова-Жаботинського.

Цю досить екзотичну реакцію відкрив в 1951 році вітчизняний хімік Б. П. Білоусов. Він встановив, що в розчині сірчаної та малонової кислот, сульфат церію і бромід калію при додаванні в якості індикатора фероіна можна візуально стежити за ходом окислювально-відновних реакцій за зміною кольору проміжних продуктів. Як тільки всі ці речовини зливалися в пробірку, розчин починав змінювати кольорову забарвлення з червоним на синю і навпаки. При цьому колір змінювався строго періодично протягом півгодини. Через суворої періодичності в змінах кольору цю реакцію назвали «хімічними годинами».

Реакція була настільки незвичайна, що не піддавалася теоретичного пояснення. Тому видавництва наукових журналів відмовлялися публікувати повідомлення Б. П. Білоусова, хоча на початку 50-х років англійський математик і кібернетик А. Тьюринг теоретично обгрунтував висновок про можливість періодичного чергування проміжних продуктів певних хімічних реакцій. І лише після того як молодий біофізик А. М. Жаботинський в 60-х роках досліджував багато подібних хімічних реакцій і розкрив їх механізм, реакція Білоусова-Жаботинського привернула увагу вчених і скоро стала приводитися як класичний приклад.

На початку 70-х років цією реакцією зацікавився І. Пригожин. Зіставивши хід реакції Бєлоусова-Жаботинського з теорією Тьюрінга, група бельгійських вчених на чолі з Пригожиним переформулювати теорему Тьюринга і висунула свою теоретичну модель самоорганізації.

 Джерело самоорганізації Пригожин побачив у випадкових неоднорідностях, або флуктуації, середовища, які до певного часу гасяться силами внутрішньої інерції. Далі випадкові мікрофлуктуацій переростають в стан хаосу. Але коли в систему з хаотичним станом надходить із середовища досить велика кількість свіжої енергії, то з хаосу народжуються великомасштабні флуктуації макроскопічного рівня. Ці макроскопічні флуктуації є колективні форми поведінки безлічі мікрочастинок, які назвали модами. Між модами (їх називають ще конфігураціями) виникає конкуренція і відбувається відбір найбільш стійких з них. Так, за Пригожиним, з хаосу народжуються макроскопічні стану, так він пояснює самоорганізацію фізичних і хімічних систем.

Аналіз проміжних продуктів хімічних реакцій, а саме періодичності їх виникнення, показав схожість цих процесів з автоколиваннями систем різної природи (хімічних, електромагнітних, механічних, біологічних ритмів і ін.). Автоволнових процеси досліджувалися радянськими вченими. Сам термін «автоволни» був введений академіком Р. В. Хохловим (1926-1977). Теорія автоколивальних процесів розроблялася школою академіка Л. І. Мандельштама (1873-1944), школою академіка А. А. Андронова (1901-1952) і ін.

 Автоволни - це хвилі, які автоматично підтримують свої фізичні параметри за рахунок енергії того середовища, в якій вони поширюються. Типовий приклад автоволни - нервовий імпульс, який біжить без загасання по нервовому волокну діаметром менше 0,025 мм і довжиною до 1,5 м.

Нервове волокно - дуже поганий провідник, його електричний опір у багато разів більше опору мідного дроту того ж перетину, і тому без підживлення енергією нервового волокна такий імпульс затухаючи б дуже швидко. На цей рахунок є яскраве висловлювання відомого фахівця в галузі нейрофізіології А. Ходжкин, в якому підкреслюється, що «проведення нервового збудження нагадує скоріше горіння порохового заряду, ніж поширення електричного заряду по кабелю».

Але біоелектричні імпульси генерують електричні і магнітні хвилі.

 Дослідження показують, що обробка інформації в корі головного мозку здійснюється не в формі активності окремих нейронів (як в ЕОМ), а на рівні взаємодій між автохвиль збудження і гальмування, які охоплюють великі ділянки головного мозку.

Аналогічно регулюється і робота серця: один раз в секунду по серцю пробігає автохвиль - хвиля тимчасового зменшення різниці електричних потенціалів між зовнішньою і внутрішньою сторонами мембрани серцевих клітин. Поширюючись по серцю, ця хвиля збудження запускає механізм скорочення серцевого м'яза. Саме цей електричний потенціал, створюваний хвилею збудження, і реєструється на електрокардіограмі. Не зупиняючись на автоволнових процесах більш, відзначимо лише, що їх теорія, як нам здається, містить великі можливості для поглиблення уявлень про процеси самоорганізації.

Відомий німецький фізик Герман Хакен прийшов до концепції самоорганізації через розробку проблем квантової електроніки, точніше - від вивчення механізмів утворення лазерного променя. Він відзначав особливу роль колективної поведінки підсистем, що утворюють систему, і ввів для позначення процесів самоорганізації узагальнююча назва «синергетика», про що сказано на початку §5.1.

 Самоорганізація, по Хакену, - це «спонтанне утворення високоупорядоченних структур із зародків або навіть з хаосу». Перехід від неврегульованого стану до впорядкованого відбувається за рахунок спільного і синхронного дії багатьох підсистем (або елементів), що утворюють систему.

Г. Хакен виділив кооперативні (колективні) процеси у всіх самоорганізуються. Так, колективно самоорганізуються атоми у вузлах кристалічної решітки; колективно вибудовується однакова орієнтація елементарних магнітних моментів в феромагнетику; колективно і узгоджено самоорганізуються вихори всередину рідини, породжуючи видиму на макроскопічному рівні турбулентну структуру. Збуджуючись в робочому речовині лазерної установки, атоми самоузгоджені і колективно випускають когерентне випромінювання.

Роль робочої речовини в твердотільному лазері виконує монокристал, в якому є активні атоми, порушені енергією, підведеної ззовні в процесі так званої «накачування» енергії. Збуджені в кристалі атоми працюють як випромінюють мікроантенни, що випускають світлові хвилі.

 Поки потужність накаченной енергії мала, атоми в кристалі порушуються неузгоджено і випромінюють світлові мікрохвилі теж розрізнено за часом і напрямком. В цьому випадку лазер випромінює розсіяне світло, як освітлювальна лампа. Але коли накачування енергією активної речовини лазера досягає порогового значення потужності, то все порушені в кристалі атоми-антени раптово починають випромінювати світло синхронно і односпрямованнодіючих і від складання безлічі мікроізлученій утворюється один потужний спрямований промінь світла, лазерна установка переходить в режим генерації.

Це відповідає в досвіді з в'язкою рідиною утворення осередків Бенара, тобто при генерації лазерного променя в атомній системі кристала відбувається самоорганізація. Це означає також, що лазер є системою, що знаходиться далеко від рівноваги і що така система може перебувати в стійкому стані тільки за рахунок надходження енергії ззовні.

       
   


За Г. Хакен, характерними рисами процесів самоорганізації є: кооперативность дії елементів і підсистем, що утворюють систему; неравновесность стану, підтримувана за рахунок енергії середовища; нелінійність процесу, що виражається рівняннями другого або третього ступеня; пороговий характер процесів самоорганізації.

Ще одним незалежним джерелом ідей синергетики стали роботи німецького вченого М. Ейгена, фахівця в галузі молекулярної біології. Він показав, що при сприятливих умовах середовища складні органічні молекули здатні до самовідтворення і ускладнення організації на передбіологічному рівні. При цьому, як вважає М. Ейген, з ускладненням організації органічних молекул починає діяти дарвінівський принцип природного відбору.

Цікавою видається і концепція самоорганізації А. П. Руденко, розроблена ним на початку 60-х років, - концепція еволюції відкритих каталітичних систем. Відповідно до цієї теорії каталізатори, які беруть участь в базових хімічних реакціях, виявляють здатність до вдосконалення (розвитку) своєї організації за рахунок енергії базової хімічної реакції. При своєчасному відвід відпрацьованої енергії і засвоєнні свіжої енергії базової хімічної реакції каталітична система поетапно і послідовно вдосконалюється (еволюціонує) на передбіологічному рівні аж до виникнення живих систем.

Таким чином, дослідження процесів самоорганізації на початку 60-х років обмежувалося окремими природничо дисциплінами. Спочатку дослідники не бачили загального характеру цих наукових ідей. Але в 70-х роках вчені поступово почали виходити за рамки своїх дисциплін і помітили, що їх ідеї аналогічні. У 70-80-х роках стали проводитися спільні наукові конференції представників різних дисциплін і стало оформлятися новий науковий напрям - синергетика, або загальна теорія самоорганізації систем різної природи. Разом з оформленням синергетики як загальної теорії виявився її системний характер.

Раніше синергетики виникла інша дисципліна, котра розвивалася в руслі системних досліджень і має відношення до процесів саморегуляції - кібернетика. Але синергетика істотно відмінна від кібернетики, яка вивчає самоорганізацію і саморегуляцію в рівноважних системах, тоді як синергетика досліджує процеси самоорганізації істотно нерівноважних системах. Тому кібернетика спирається на використання негативних зворотних зв'язків, що ведуть до збереження вихідних систем. Синергетика ж, навпаки, грунтується на позитивного зворотного зв'язку, яка спочатку веде до дезорганізації вихідної системи, а потім при використанні енергії середовища хаотичне до того стан може знайти нову організацію.


 У синергетики вивчаються механізми виникнення станів нових структур і форм, а не підтримка вихідних станів, що характерно для кібернетики.

Необхідно відзначити, що формування синергетики як загальнонаукового напрямку не завершено і ще продовжується. Але незважаючи на це, у синергетики з'явилися адепти, що представляють її як панацею при вирішенні проблем розвитку в широкому значенні цього слова (наприклад: Князева Е.Н. і Курдюмов С. П., 1994; Рузавин Г. І., 1997 і ін .). Дійсно, ідея еволюціонізму, особливо її біологічна інтерпретація, виявилася в кризовому стані і потребує адекватного теоретичному переосмисленні. Але чи не видають адепти бажане за дійсність? Адже теорія розвитку повинна щонайменше встановити надійні критерії прогресивного розвитку, щоб стверджувати, що перехід від деякого вихідного стану через хаос до нового стану є розвиток. Але в синергетики такого питання навіть не поставлено. Теорія самоорганізації фактично не є теорією розвитку.

Коли говорять про трансформацію ламінарної течії рідини в турбулентний або розсіяного світлового випромінювання в когерентне, то це не прогресивний розвиток, а перетворення структури стану на якісно одному рівні складності. Цей вузький концептуальний контекст формує настільки ж вузьке і умовне смисловий зміст поняття «зародок нової структури». Але це не «зародок» в сенсі онтогенетичного розвитку.


 Тому, строго кажучи, концепція еволюції органічних молекул М. Ейгена, а також теорія еволюції відкритих каталітичних систем А. П. Руденко не вкладаються в парадигму синергетики, а суттєво виходять за її рамки.

Тому М. Ейген широко користується поняттям інформації, що цілком правомірно, так як структури нового рівня організації можливі лише на базі нової інформації, яка, як і енергія, може черпати тільки ззовні. Але питання в такій площині в синергетики знову-таки не поставлений.

Тому не дивно, що біологи, особливо еволюціоністи, відносяться до синергетики насторожено і навіть відчужено. У синергетики до сих пір не отримав адекватного рішення головне питання - про справжні джерелах самоорганізації. А без цього саме поняття самоорганізації залишається недостатньо осмисленим і умовним, мають лише робоче значення. В цьому відношенні більш гнучку і конструктивну позицію зайняв сам Г. Хакен, коли у введенні до своєї роботи дав обгрунтування терміну «синергетика»:


 «Я назвав нову дисципліну« синергетикою »не тільки тому, що в ній досліджується спільна дія багатьох елементів систем, а й тому, що для знаходження загальних принципів, які керують самоорганізацією, необхідно кооперування багатьох різних дисциплін» [48].

Таким чином, наявні в синергетики напрацювання не повинні вольовим способом поширюватися на інші дисципліни. Навпаки, вивчення специфічних потреб різних дисциплін повинно служити стимулом для розвитку самої синергетики.

 



Попередня   29   30   31   32   33   34   35   36   37   38   39   40   41   42   43   44   Наступна

розширення Всесвіту | Сучасна космологія про початок Всесвіту | ЕВОЛЮЦІЯ МАТЕРИИ НА РІВНІ мікросвіту і мегасвіт | Антропний принцип КОСМОЛОГІЇ | ПРОБЛЕМА ІСНУВАННЯ І ПОШУКУ позаземних цивілізацій | Наукові основи уявлень про існування життя і цивілізацій у Всесвіті | Проблема пошуку життя у Всесвіті | Проблема пошуку позаземних цивілізацій | МЕТОДИЧНІ ЗАВДАННЯ | Синергетика |

загрузка...
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати