Синергетика и самоорганизация

Диссипативность подчеркивает конструктивную роль «рассеивающих» процессов в образовании одноименных структур. Они возникают за счет преобразования энергии, черпаемой из хаоса. Другими словами, диссипация необходима для образования структур в открытых системах.

Диссипативные структуры как термин представляет собой очень емкое понятие, введенное И.Пригожиным, которое объединяет все виды структур: временные, например, автоколебания в генераторе, пространственные, например, ячейки Бенара на поверхности жидкости, и, наконец, наиболее общие пространственно-временные структуры (автоволны на поверхности жидкости).

В основе структурообразования лежит противоборство двух начал:

• наращивание неоднородностей в непрерывной среде вследствие случайностей, откликающихся на какое-то воздействие внешней среды (вещества, энергии, информации);
• диссипативное начало, стремящееся стереть, рассеять эти неоднородности.

То есть развитие структур идет через неустойчивость, случайность, бифуркацию (критические точки разрушения старых структур и возникновение новых возможностей перехода системы в другое качество на основе триггера – управляющего спускового механизма, порождающего самой системой или подсистемой).

Случайность и флуктуации могут сильно влиять на самопроизвольное возникновение нового состояния системы, а хаос может выполнять конструктивную функцию.

По аналогии теория эволюции Ч.Дарвина есть ничто иное как частный случай или следствие теории самоорганизации И.Пригожина и Г.Хакена, поскольку эволюция направлена на создание более сложных организмов с все более ускоряющимся механизмом упорядоченности их структур. Поэтому выдающийся физик Л.Больцман с глубоким удовлетворением принял идеи Ч.Дарвина.

До И.Пригожина, например, Э.Шредингер обосновал (1943) возможность производства отрицательной энтропии в определенных условиях развития процессов. А в сущности своей теория самоорганизация вскрывается в разработках теории информации Н.Винера.

В любой системе управления необходимо знать управляющий механизм, с помощью которого можно сбалансировать или разбалансировать систему. Система балансирует относительно какой-то точки. Если опора относительно этой точки балансирует систему (на плоскости относительно двух осей, в пространстве относительно трех осей и относительно четвертой координаты – времени), то положение точки определяется нулевым значением. Если система разбалансирована, то положение точки опоры всегда отлично от положения ее относительно нуля. Следовательно, управляющим параметром системы как раз является пространство, зажатое между нулем и точкой опоры этой системы (∆х). Именно с его помощью можно вернуть систему в состояние сбалансированности. Во всех других случаях управляющий параметр всегда способствует дальнейшему выходу системы из сбалансированного состояния.

Знание положения (∆х) – относительно нуля позволяет выработать направление воздействия на систему в пространстве. Перевод ее в состояние устойчивого неравновесия, устойчивого равновесия, неустойчивого равновесия или хаоса.

Идея синергетики – это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате самопроизвольных превращений. Решающим фактором самоорганизации является образование петли положительной обратной связи системы и среды. При этом система начинает самоорганизовываться и противостоит тенденциям её разрушения средой (в химии – это автокатализ).

В 1947 из соотношений взаимности Онсагера И. Пригожиным доказана теорема:

В стационарном состоянии функция энтропии dS/dt принимает минимальное положительное значение2. Или: стационарному состоянию системы (в условиях, препятствующих достижению равновесного состояния) соответствует минимальное производство энтропии. Если таких препятствий нет, то производство энтропии достигает своего абсолютного минимума – нуля.

Теорема Онсагера (написана в 1931 г). В термодинамических системах, в которых имеются градиенты температуры, концентраций компонентов, химических потенциалов, возникают необратимые процессы теплопроводности, диффузии, химических реакций. Эти процессы характеризуются тепловыми и диффузионными потоками, скоростями химических реакций и т.д.

Следовательно, по мере приближения к стационарному состоянию скорость образования энтропии внутри открытой системы монотонно уменьшается, постепенно приближаясь к своему минимальному положительному значению. В этом состоит критерий направленности необратимых процессов в открытых системах, находящихся вблизи равновесия. Согласно Второму началу термодинамики теорема Пригожина справедлива, если кинетические коэффициенты в соотношениях Онсагера постоянны. Для реальных систем теорема Пригожина справедлива лишь приближённо, поэтому минимальность производства энтропии для стационарного состояния не является столь общим принципом, как максимальность энтропии для равновесного состояния.

Вдали от равновесия уже нельзя сделать однозначных выводов о том, как изменяется скорость образования энтропии при приближении к стационарному состоянию. Эволюция таких неравновесных динамических систем определяется кинетикой взаимодействия ее элементов. При удалении от равновесия в системе может наступить бифуркационное изменение, которое приводит к новой неустойчивости. Возникает термодинамическая флуктуация, уводящая систему от неустойчивой точки, что может привести к распаду системы. Однако при определенных значениях параметров эта флуктуация дает толчок, переводящий систему к новому состоянию, которому и передается устойчивость.

Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных и необходимых факторов системы и её среды. В подходящих условиях даже малая флуктуация может привести к новому структурированию всей системы, то есть к новому порядку и качеству за счет накапливающихся количественных изменений в ней. Постепенно ситуация обостряется. Между отдельными элементами системы рвутся старые связи и возникают новые. Разрушаются старые элементы и создаются новые. Происходящие изменения в системе, наконец, достигают неустойчивого состояния. Возникает бифуркация, приводящая к новому состоянию системы. Оно вначале может быть и неустойчивым, но имеет в перспективе новый «выбор» дальнейшего пути развития. Его определяет соотношение между двумя противоположными тенденциями. С одной стороны, ресурсные потоки и случайные флуктуации провоцируют рост энтропии (неупорядоченности структуры), что ведет к нарастанию хаоса, а это может привести к окончательному разрушению системы. С другой стороны система стремится сохранить устойчивость за счет перегруппировки структуры в новый порядок и таким образом предотвратить рост энтропии. Какая из тенденций будет преобладать, зависит от многих случайностей, но определяется внутренними коллективными силами или внешними воздействиями на систему. Вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации, а роль случайных факторов значительно возрастает. В точках же бифуркаций перед самоорганизующейся системой открывается множество вариантов развития, прообразы которых представляют собой диссипативные динамические микроструктуры и прообразы будущих состояний системы – фракталов. В точке бифуркации происходит своеобразная конкуренция фракталов, осуществляется их «отбор» системой, идет «борьба за выживание» системы в новых условиях. Флуктуации внутренних параметров, «приуроченные» к определенному моменту развития системы, возникают хаотично. Количество таких флуктуаций может быть сколь угодно, но большинство из них затухает, как бы отсекаются лишние вихревые потоки и остаются только те, которые образуют новые устойчивые макросостояния (структуры) – аттракторы. Аттрактор как бы притягивает множество траекторий развития системы. Если какая-то неустойчивая микроструктура попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к устойчивому состоянию (втягивается в устойчивое состояние) и может находиться в нем до тех пор, пока в силу каких-либо причин (например, внешней среды) система вновь не придет в неустойчивое состояние. В результате такой конкуренции происходит самопроизвольный выбор той структуры, которая наиболее адаптивна к сложившимся на данный момент внутренним и внешним условиям. Однако предсказать какой путь «выберет» система невозможно. И только случайность выступает арбитром выбора направления развития системы.

В критический момент самоорганизации принципиально неизвестно, в каком направлении пойдет дальнейшее развитие: станет ли система развиваться по сценарию хаоса или перейдет на новый сценарий упорядоченности и организации (фазовые переходы и диссипативные структуры – лазерные пучки, неустойчивые плазмы, флаттер, химические волны, структуры в жидкостях и т.д.). В точке бифуркации система как бы колеблется перед выбором того или иного пути развития, организации. Небольшая случайная флуктуация может послужить триггером или началом эволюции (организации) системы в некотором направлении (неожиданном или даже маловероятном), отсекая возможности развития других.

Развитие природы – это история образования все более сложных систем, которые и обеспечивают эволюцию на всех уровнях организации. Казалось бы, физика знает, точнее, может узнать, как устроен мир. Однако она оказалась бессильной понять загадку инерции. И только с позиции самоорганизации становится понятным суть этого феномена объясненного А.Шляпниковым3. При ускорении системы ее элементы выводятся из устойчивых состояний, и силы устойчивости противодействуют ускорениям, выступая как силы инерции. Устойчивость по представлениям этого автора есть состояние, которое достигается в ходе самоорганизации системы, и к которому по существу стремится. Энергия в устойчивом состоянии не теряется – оно является энергосберегающей устойчивости. То есть инерция есть результат самоорганизации.

Идеи самоорганизации в различных отраслях науки

Предметом исследования науки синергетики являются законы самоорганизации и эволюции сильно неравновесных открытых систем, пребывающих в состоянии неустойчивого равновесия. Это системы любой природы, которые обмениваются энергией, веществом, информацией с окружающей средой. А поскольку такие системы известны практически во всех науках, то теория синергизма и самоорганизации проникает во все виды взаимодействий, описываемых различными науками.

В настоящее время синергетика представляет собой междисциплинарный подход в изучении реальной действительности. Она применима для описания явлений во всех отраслях естественнонаучного и гуманитарного знания. Синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, её возникновения, развития, самоусложнения. Она широко используется для решения проблем в области биологии, аспектов функционирования мозга, флаттеров крыльев самолета, молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии, эволюции звезд и космологических процессов, в общественных системах и других отраслях научного знания.

Основным вопросом синергетики является вопрос о существовании общих закономерностей управляющих возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций. Подобные закономерности исследованы в химических системах.

http://www.avkokin.ru/documents/533

самоорганизация 
САМООРГАНИЗАЦИЯ — интегральная совокупность природных и социально приобретенных свойств, воплощенная в осознаваемых особенностях воли и интеллекта, мотивах поведения и реализуемая в упорядоченности деятельности и поведения. Это показатель личностной зрелости. Самоорганизация может быть выражена в разной степени, она не свойственна инфантильным субъектам, т. е. тем людям, которые в процессе индивидуального развития не имели условий для полноценного становления механизмов саморегуляции. Самоорганизацияу них не приобрела четкую нацеленность, осознанность, контролируемость. Первым признаком высокой самоорганизации следует считать активное самосознание себя как личности. И если процесс самовоспитания преимущественно направлен в будущее, то самоорганизация предполагает, что этот процесс происходит в настоящее время. Одним из показателей развития самоорганизации является соответствие жизненных выборов (профессии, друзей и т. д.) индивидуальным особенностям личности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сайт С.П. Курдюмова СИНЕРГЕТИКА

1. Хакен Г. «Синергетика» М 1980

2. Данилов Ю. А., Кадомцев  Б. Б. Что такое синергетика// Нелинейные волны. Самоорганизация. М.: Наука, 1983.

3. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. — М., 1986. Те же. Время, хаос, квант. — М., 1994.

document.title+=’ — Концепция самоорганизации. Синергетика’;