На головну

Г. Хакен

У передмові книги синергетикаГ. Хакен писав: одне з найбільш вражаючих явищ і найбільш інтригуюча з проблем, з якими стикаються вчені, - це спонтанне утворення високоупорядоченних структур із зародків або навіть хаосу. У повсякденному житті ми зустрічаємося з подібними явищами, коли спостерігаємо розвиток рослин і тварин. Але виникає питання про можливість виявлення процесів самоорганізації в набагато більш простих системах неживого світу (Хакен 1980: 14).

Відомо багато прикладів Е систем різної природи до єдиного стану рівноваги, одноманітності і однорідності:

? незворотний обмін теплом і вирівнювання Т;

? дифузія димового хмари і розпливанню краплі чорнила в воді;

? рух за інерцією і зупинка, загасання коливань маятника;

? рівномірний розподіл молекул і необоротне розширення газу;

? хімічна реакція, швидкість якої при рівновазі звертається в 0.

У всіх цих випадках система необоротно еволюціонує до єдиного стану рівноваги, одноманітності, однорідності. Зворотний процес ніколи не спостерігається. Закон зростання S (заходи ступеня безладу) стверджує, що в замкнутій системі S завжди зростає до свого максимального значення. Класична термодинаміка розглядає рівновагу як кінцевий стан термодинамічної Е (Хакен 1980: гл.1).

Але якщо впливати на систему ззовні, можна змінити ступінь її впорядкованості. Корінний переворот у поглядах на незворотні процеси стався лише недавно, і ми почали розуміти конструктивну роль незворотних процесів у фізичному світі (Пригожин 1985: 93).

Г. Хакен наводить приклади самоорганізації при фазових переходах, в яких можна знайти дивовижну схожість.

h Самоорганізація молекул води. Зі зниженням Т вода переходить від стану хаотичного руху молекул (пар) до впорядкованого руху. У краплі відстань між молекулами вже в середньому зберігається. У точці замерзання відбувається перетворення в кристал льоду.

h Самоорганізація "магнітиків" магніту. При нагріванні намагніченість зникає, при охолодженні раптово з'являється знову. При високих Т "магнітики" (вектори) розподілені хаотично, їх магнітні моменти, складаючись, взаємно знищуються. Макроскопічна намагніченість виявляється дорівнює нулю. При Т нижче критичної "магнітики" шикуються в певному порядку, що призводить до появи макроскопічної намагніченості.

h Самоорганізація електронів в металі: В деяких металах, сплавах нижче певної Т електричний опір раптово зникає. Це обумовлено певним упорядкуванням електронів в металі.

h Самоорганізація атомів лазера. Твердотільний лазер - твердий стрижень, в який впроваджені атоми певного типу. Кожен атом може збуджуватися дією ззовні, наприклад, за допомогою освітлення. Після цього атом діє як мікроскопічна антена, випускаючи цуг світлових хвиль. Процес випромінювання триває зазвичай 10-8с, і випущений цуг має довжину близько 3м. Коли в лазер накачується енергія, відбувається наступне. При малих потужностях накачування лазер працює як лампа. Атомні антени випромінюють світлові цуги незалежно один від одного, хаотично. Але при певному значенні потужності накачування, за порогом, виникає нове явище: схоже, що якийсь демон змушує атоми випускати один гігантський світло (цуг), довжина якого може бути 300000 км! Лазерна генерація була виявлена ??і в міжзоряному Пр.

Що змушує підсистеми (атоми) поводитися організовано? Які механізми, принципи здатні пояснити самоорганізацію атомів (атомних антен)? Якщо далі накачувати лазер, раптово відбувається нове явище: стрижень регулярно випускає світлові спалахи короткої тривалості (10-12с.).

h Нестійкість Бенара, впорядковане макроскопическое рух в рідині при певному градієнті Т. Коли градієнт досягає деякого критичного значення, в рідини починається макроскопическое рух. Нагріті області рідини розширюються, вони мають більш низьку щільність і спливають наверх, охолоджуються і опускаються знову на дно. Рух чітко впорядковано: спостерігаються або циліндричні, або гексагональних осередку. В одній точці Пр молекули піднімаються, в іншій - опускаються як по команді. Чисельне моделювання показує конкуренцію між тепловим (некогерентним) рухом молекул і дією накладеної на систему нерівноважної зв'язку.

h Реакція самоорганізації в неорганічних хімічних реакціях, Яка лягла в основу нерівноважноїтермодинаміки І. Пригожина.

Більше 40 років у науковому світі відома знаменита коливальна реакція Білоусова-Жаботинського. Ви дивіться на склянку з червоно-лілового рідиною, а він раптом стає яскраво-синім. Потім знову червоно-фіолетовим, знову синім. А коли рідина налита тонким шаром, в ній поширюються хвилі зміни забарвлення: утворюються складні візерунки, круги, вихори, спіралі, або все набуває хаотичний вигляд. Цю реакцію відкрив в 1951 р Б. П. Білоусов. І. Пригожин вважає роботу Б. П. Білоусова науковим подвигом ХХ ст. Вивчив реакцію і зробив її загальнонаукових надбанням А. М. Жаботинський. На цій реакції заснована модель хімічної самоорганізації, яка лягла в основу створення нерівноважноїтермодинаміки (Шноль 1997: Додати 144-166).

У реакцію вступають бромат К, малонова кислота, сульфат Се і лимонна кислота, іони Сu:

А > 2 Х (речовина Х утворюється з речовини А);

Х є партнером по крос-каталізу речовини У [5]:

В + Х > У + D (У виходить з Х при наявності В);

2 Х + У > 3Х (а з Х виходить У);

2 Х > Е.

Речовина (Х) утворюється з речовини (А) і перетворюється в (Е). Концентрації А, В, D, Е - задані, Х і У - каталізатори. Поведінка системи досліджується при зростаючих значеннях речовини (В).

Молекули (Х) дають червоний колір (надлишок лантаніди Се3+), А молекули (У) - блакитний (надлишок Сu4+). До певного порогу нічого не відбувається, колір реакційної суміші насилу піддається опису: фіолетовий з безладними переходами в синій і червоний кольори.

Але як тільки концентрація речовини (В) переходить критичний поріг, це стаціонарний стан стає нестійким фокусом, і система, виходячи з цього фокусу, виходить на граничний цикл. Замість того щоб залишатися стаціонарними, концентрації (Х) і (У) починають коливатися з виразною періодичністю, колір змінюється впорядковано, реакційна суміш - то синя, то червона, потім знову синя і т. Д. Оскільки зміна забарвлення відбувається через правильні інтервали Вр, ми маємо справу з когерентним процесом.

Хід таких хімічних годин орієнтований під Вр. Періодичні перетворення охоплюють мільярди молекул, ?, Система утворює єдине ціле, кожна частина якого реагує на поведінку інших частин. Для того щоб змінити колір одночасно, молекули повинні, якимось чином підтримувати зв'язок між собою (Хакен1980: 25-27; Пригожин, Стенгерс 1986: 202-203,1999: 64-66).

Проблеми, види і навіть хвороби самоорганізації в біологічних системах розглядаються в статті Л. І. Іржака Проблеми самоорганізації в біології: Є численні приклади того, як самоорганізація на клітинному рівні змінює характер функціонування цілих систем. Клітини-леммоціти проявляють високу ступінь спорідненості по відношенню до нервових волокнах. Мембрана цих клітин огортає ділянку волокна декількома шарами. Утвориться "обмотка" унеможливлює плавне просування по волокну потенціалу дії, від чого виникає новий спосіб передачі сигналу, що полягає в перестрибуванні потенціалу дії через ділянки, перекриті леммоцитами. Як видно, система виникає не для чого, а чому, В силу певних фізико-хімічних властивостей, властивих підсистем, взаємодія між якими і призвело до появи нової системи. Це загальний підхід, що відноситься в рівній мірі до неживої і живої природи.

Еритроцит в ході дозрівання втрачає ядро ??і набуває химерні форми: від округлої до двояковогнутой. Завдяки збільшенню поверхні клітин і розвитку полегшеної дифузії Про всередині клітин з'являються нові функціональні властивості таких клітин, підхоплені Е в якості сприятливих для організму.

До явищ самоорганізації на рівні цілого організму слід віднести інстинктивні поведінкові реакції. Вони виконуються завдяки успадкованим особливостями будови органів і систем, починаючи з молекулярного рівня. З позицій самоорганізації немає принципової різниці між взаємодією молекул і організмів будь-якого ступеня складності (Іржак 2001: 63-79).

Відомо безліч інших прикладів самоорганізації неживої і живої матерії, виникнення колективного руху, спонтанного порушення просторової симетрії. Але існує безліч явищ самоорганізації, які дивно схожі:

h гексагональная решітка типу осередків Бенара і спосіб просторової організації системи міст в Південній Німеччині;


h великомасштабні вихри в атмосфері Юпітера і малюнки бурштину;

h пористі структури Бенара і стільники бджіл; типовий вигляд "вулиць", що утворюються в хмарах;

h відбір біологічних видів підпорядковується тим самим законам, що й, наприклад, селекція лазерних мод;

h хвильова картина (спіральні або концентричні кола) хемотаксической активності в щільних клітинних шарах слизовика (багатоклітинний організм) разюче схожа на картину хвиль хімічної концентрації;

h симбіоз двох популяцій з їх джерелом харчування може бути описаний системою трьох диференціальних рівнянь, які використовуються для моделювання погодних явищ в метеорології;

h вихори Тейлора (впорядковані обертаються рідкі маси) і зірки (Хакен 1980: гл.1; Шупер 1995; Майнцер 1997; Пригожин, Стенгерс 1999: 59-67).

Дослідженням поведінки таких складних систем, виявленням загальних законів їх самоорганізації та займається синергетика. Основне питання синергетики: чи існують загальні принципи, що керують виникненням самоорганізованих структур, функцій? Г. Хакен виділяє наступні ключові положення, що розкривають сутність синергетики.

h Синергетика займається вивченням складних систем, Які з значної частини підсистем, Складно взаємодіють один з одним. Хакен розглядає приклади самоорганізації з фізики, хімії, біології, теорії обчислювальних систем, економіки, екології, соціології та політології.

h Слово синергетика означає спільну дію, підкреслюючи узгодженість функціонування підсистем, відтворену в поведінці системи як цілого.

h Синергетика як постнекласичні міждисциплінарний напрямок в науці досліджує поведінку складних систем різної природи (природних і штучних, фізичних і біологічних, економічних і соціальних), виявляє загальні закони самоорганізації. При розгляді фізичних і хімічних, біологічних і соціальних систем мова йде про відкриті системи, далеких від рівноваги.

h Синергетику цікавлять загальні закони Е, оскільки системи, які вивчає синергетика, є нелінійними. Ці системи схильні до внутрішнім і зовнішнім коливанням і можуть стати нестабільними.

h При певних умовах в системі утворюються якісно нові функціональні структури.

h Структури можуть бути впорядкованими або хаотичними. Система може переходити з однорідного, недиференційованого стану в неоднорідне, але упорядкований стан. З'ясувалося: безліч систем нашого організму працюють в хаотичному режимі, хаос часто виступає як ознака здоров'я, а зайва впорядкованість - як симптом хвороби. Порядок невіддільний від хаосу (Капіца та ін. 1997: Додати 27-28).

h У багатьох випадках можлива математизація, Що доводить спільність процесів, що протікають на різних рівнях Універсуму. Виявилося: в природі існує всього декілька універсальних сценаріїв переходу порядок-хаос. Можна вивчати найрізноманітніші явища, писати різні рівняння і отримувати одні і ті ж сценарії (Інтерв'ю з Г. Хакеном 2000: 53-55).

Синергетика покликана грати роль метанауки, "філософії №3" (після філософії як загальної теорії розвитку і теорії інформації). Синергетика виникає не на стиках наук, а витягує цікавлять її системи з самої серцевини предметної області приватних наук, і досліджує ці системи, що не апелюючи до їх природі. В. І. Аршинов на закінчення своєї книги Синергетика як феномен постнекласичної науки пише: синергетика орієнтована на створення контекстів міждисциплінарної співпраці та діалогу. У компромісному ухилянні від конфронтації і суперечок, що породжуються бінарним мисленням за допомогою опозиції, виникає самоузгоджений погляд на синергетику як свого роду метамодель міждисциплінарної комунікації (Аршинов 1999).

Особливістю розвитку сучасної науки є перенесення синергетичних методів з області точного Е в гуманітарні області науки, що традиційно вважалися далекими від математики. У статті А. П. Назаретяна Синергетика в гуманітарному знанні: попередні підсумки йдеться про значення синергетики для об'єднання Е і гуманітарних наук. У книзі Синергетика і прогнози майбутнього з позицій нелінійної науки, синергетики розглядаються проблеми створення теоретичної історії, сьогодення і сценарії майбутнього (Хакен 1985: гл.1; Князєва, Курдюмов 1994; Данилов 1997: Додати 5-11; Капіца та ін. 1997; Назаретян 1997).

 



ЗАКОНИ ЕВОЛЮЦІЇ | І. Пригожин

Синергетика | Категорії і моделі Універсальної історії | Н. А. Заболоцький | Е. Фромм |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати