21. Самоорганізація матеріальних систем. Синергетика про матерію.

Идея самоорганизации:

В XX в. наука исходит из того, что все системы любого порядка являются открытыми. Такая система • способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией, информацией и находиться, как правило, - в состоянии далеком от термодинамического равновесия. Развитие открытой системы зачастую происходит - путем образования прогрессирующей упорядоченности. Такие представления легли в основу понимания самоорганизации материальных систем.

|Понятие самоорганизации:

В понятии самоорганизации отражается общая тенденция развития Природы: от менее к более сложным и упорядоченным формам организации материи.

В более узком понимании самоорганизация есть спонтанный переход открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Причем, самоорганизующиеся системы должны отвечать следующим требованиям:

во-первых, быть неравновесными, или находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия;

во-вторых, быть открытыми, т.е. обладать, способностью обмениваться веществом или энергией с внешней средой

Некоторые условия самоорганизации

Система должна быть открытой и иметь приток энергии и вещества извне

Наличие флуктуации. Процесс возникновения и усиления порядка через флуктуации характеризуют как принцип самоорганизации

Процесс самоорганизации системы возможен только при определенном, достаточном количестве взаимодействующих элементов

Открытая система должна находиться вдали от точки термодинамического равновесия

Самоорганизация основывается на положительной обратной связи, в отличие от динамического равновесия систем, которое опирается на отрицательную обратную связь

Процесс самоорганизации предполагает

нарушение симметрии

Синергетика - лишь одно из возможных, но далеко не единственное значение Xаоса. Термин “синергетика” происходит от греческого “синергена” - содействие, сотрудничество. Предложенный Г. Хакеном, этот термин акцентирует внимание на согласованности взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого.

Большинство существующих ныне учебников, справочников и словарей обходят неологизм Хакена молчанием. Заглянув в энциклопедии последних изданий, мы с вероятностью, близкой к единице, обнаружим в них не синергетику, а “синергизм” (1.Совместное и однородное функционирование органов (например, мышц) и систем; 2. Комбинированное действие лекарственных веществ на организм, при котором суммарный эффект превышает действие, оказываемое каждым компонентом в отдельности). Фигура умолчания объясняется не только новизной термина “синергетика”, но и тем, что X - наука, занимающаяся изучением процессов самоорганизации и возникновения, поддержания, устойчивости и распада структур самой различной природы, еще далека от завершения и единой общепринятой термипологий (в том числе и единого названия всей теории) пока не существует. Бурные темпы развития новой области, переживающей период “штурма и натиска”, не оставляют времени на унификацию понятий и приведение в стройную систему всей суммы накопленных фактов. Кроме того, исследования в новой области ввиду ее специфики ведутся силами и средствами многих современных наук, каждая из которых обладает свойственными ей методами и сложившейся терминологией. Параллелизм и разнобой в терминологии и системах основных понятий в значительной мере обусловлены также различием в подходе и взглядах отдельных научных школ и направлений и в акцентировании ими различных аспектов сложного и многообразного процесса самоорганизации.

Синергетику Хакена легко описать: все, что о ней известно, содержится в множестве Synergetics = {x1, x2, ... xn},

где xi - i-й том выпускаемой издательством Шпрингера серии по синергетике . Множество это конечно, но число элементов в в нем быстро возрастает. Подобно тому, как кибернетике Винера предшествовала кибернетика Ампера, имевшая весьма косвенное отношение к “науке об управлении, получении, передаче и преобразовании информации в кибернетических системах” , синергетика Хакена имела своих “предшественниц” по названию: синергетику Ч. Шеррингтона, синергию С. Улана и синергетический подход И. Забуского. Ч. Шеррингтон называл синергетическим, или интегративным, согласованное воздействие нервной системы (спинного мозга) при управлении мышечными движениями.

С. Улам был непосредственным участником одного из первых численных экспериментов на ЭВМ первого поколения (ЭНИВАКе).- проверке гипотезы равнорасцределения энергия по степеням свободы. И. Забуский пришел к выводу о необходимости единого синтетического подхода. По его словам , “синергетический подход к нелинейным математическим и физическим задачам можно определить как совместное использование обычного анализа и численной машинной математики для получения решений разумно поставленных вопросов математического и физического содержания системы уравнений”.

Если учесть сложность систем и состояний, изучаемых синергетикой Хакена, то станет ясно, что синергетический подход Забуского (и как составная часть его - синергия Улама) займет достойное место среди .прочих средств и методов Х-науки. Иначе говоря, уповать только на аналитику было бы чрезмерным оптимизмом.

В отличие от большийства новых наук, возникавших, как правило, на стыке двух ранее существовавших и характеризуемых проникновением м е т о д а одной науки в предмете другой, Х-наука возникает, опираясь не на граничные, а на внутренние точки различных наук, с которыми она имеет ненулевые пересечения: в изучаемых Х-наукой системах, режимах и состояниях физик, биолог, химик и математик видят свой материал, и каждый из них, применяя методы своей науки, обогащает общий запас идей и методов Х-науки.

Эту особенность Х-науки (если X - синергетика) подробно охарактеризовал Хакен: “Данная конференция, как и все предыдущие, показала, что между поведением совершенно различных систем, изучаемых различными науками, существуют поистине уяивительвые аналоги. С этой точки зрения данная конференция служит еще одним примером существования новой области науки - Синергетики. Разумеется, Синергетика существует не сама по себе, а связана с другими науками по крайней мере двояко. Во-первых, изучаемые Синергетикой системы относятся к компетенции различных наук. Во-вторых, другие науки привносят в Синергетику свои идеи. Ученый, пытающийся проникнуть в новую область, естественно, рассматривает ее как продолжение своей собственной области науки. Чтобы убедиться в справедливости последнего замечания, достаточно взглянуть на заглавия докладов. Так, например “Лазер, как источник новых идей в синергетике”. Математики, занимающиеся теорией бифуркаций, предпочли озаглавить доклад “Теория Бифуркаций и ее приложения”. Физики, изучающие фазовые переходы, представили доклад под названием “Неравновесные фазовые переходы”, а специалисты по статистической механике сочли более

уместным назвать тот же подход “неравновесной нелинейной статистической механикой”. Другие усматривали в новой области дальнейшее развитие “термодинамики необратимых процессов”, третьи нашли рассматриваемый круг явлений особенно подходящим для применения теории катастроф (сохранив за не поддающимися пока решению проблемами название “обобщенных катастроф”). Некоторые математики склонны рассматривать весь круг проблем с точки зрения структурной устойчивости. Все перечисленные разделы науки весьма важны для понимания образования макроскопических структур образования в процессе самоорганизации, но каждый из них упускает из виду нечто одинаково существенное. Вот некоторые из пробелов. Мир - не лазер. В точках бифуркации решающее значение имеют флюктуации, т. е. стохастические процессы. Неравновесные фазовые переходы обладают некоторыми особенностями, отличными от обычных фазовых переходов, например чувствительны к конечным размерам образцов, форме границ и т. п. В равновесной статистической механике не существуют самоподдерживающиеся колебания. В равновесной термодинамике широко используются такие понятия, как энтропия, производство энтропии и т. д., неадекватные при рассмотрении неравновесных фазовых переходов. Теория катастроф основана на использовании некоторых потенциальных функций, не существующих для систем, находящихся в состояниях, далеких от теплового равновесия. Можно подчеркнуть то, что представляется особенно важным: в настоящее время назрела острая необходимость в создании особой науки, которая бы объединила все перечисленные аспекты. Для науки безразлично, будет ли она называться “Синергетикой”. Важно, что она существует”.

Итак, Х-наука делает первые шаги, и существует сразу не в одном, а в нескольких вариантах, отличающихся не только названиями, но и степенью общности и акцентами в интересах.