Идея синергетики

Я... спрошу у Всевышнего две вещи: что такое квантовая электродинамика и что такое турбулентность. В отношении первого я настроен более оптимистично.

Г. Ламб,

американский физик

Необходимо отметить, что в научно-исследовательской литературе одни авторы используют термин «самоорганизация», другие же предпочитают использовать термин «синергетика». К концепции самоорганизации через разработку термодинамики открытых систем пришел бельгийский ученый И. Пригожин (р. 1927). Термин «синергетика» ввел немецкий физик Г. Хакен (р. 1927). Слово «синергетика» древнегреческого происхождения, в переводе на русский язык означает «сотрудничество, совместное действие».

Как видно, лингвистический смысл этих слов разный, но их концептуальный смысл одинаков, так как синергетика – новое направление междисциплинарных исследований, предметом которых являются процессы самоорганизации в открытых системах физической, химической, биологической, экологической и другой природы.

В таких системах, находящихся вдали от термодинамического равновесия, за счет притока вещества и энергии из внешней среды создается и поддерживается неравновесность. Благодаря этому происходит взаимодействие элементов и подсистем, приводящее к их согласованному (кооперативному) поведению и в результате – к образованию новых устойчивых структур, то есть к самоорганизации.

Возникновение организованного поведения может обусловливаться внешними воздействиями (вынужденная организация) или являться результатом развития собственной (внутренней) неустойчивости в системе (самоорганизация). В последнем случае процесс упорядочения связан с коллективным поведением элементов и подсистем, образующих систему. Наряду с этим синергетика рассматривает также вопросы самодезорганизации – перехода систем из состояния порядка к хаосу. Отметим, что вопрос об источниках самоорганизации является наиболее трудным и наименее изученным в синергетике.

А теперь обрисуем в общем виде и кратко путь эволюции системы от исходного состояния через хаос к состоянию новой организации.

В замкнутую изолированную систему (в термостатике) энергия или вещество вводятся извне дозированно, чтобы исходное состояние в ней не выходило за границы заданных рамок. В открытой нелинейной системе нет таких ограничений. Здесь вещество и энергия среды могут поступать в нее произвольно, поэтому такая система может выйти из состояния равновесия и стать неравновесной. По мере дальнейшего притока вещества и энергии она с ускорением (нелинейно) уходит все дальше от состояния равновесия, становится все более неравновесной и нерегулируемой. Организация состояния такой системы все более расшатывается, пока, наконец, вовсе не разрушится и процесс не станет хаотичным. Таким образом, на первой стадии своей эволюции неравновесный процесс переходит от состояния порядка к хаосу.

Состояние максимальной хаотичности неравновесного процесса называют точкой бифуркации (от лат. bifurcus – раздвоенный). Благодаря хаотичности дальнейшее развертывание неравновесного процесса имеет не один путь движения, а множество возможных путей из зоны ветвления, то есть из точки бифуркации. Состояние бифуркации можно уподобить положению шарика на выпуклой поверхности, типа сферической, которое является неустойчивым. Любое влияние может вывести шарик из неустойчивого состояния, и он начнет скатываться сверху вниз. По какой траектории он будет скатываться из точки бифуркации – угадать точно нельзя. Это – случайный процесс.

Но как только траектория движения шарика сверху вниз определится, так направление движения начнет подчиняться необходимости. Теперь необходимость предопределяет, каким финалом завершится нелинейный процесс. Отрезок эволюционного пути от точки бифуркации до необходимого финала называют аттрактором (от лат. attrahere – притягиваю).

Это значит, что конечный пункт развертывания нелинейного процесса, или финал, как бы притягивает к себе, то есть предопределяет траекторию развертывания нелинейного Процесса (движения шарика) от точки бифуркации. Аттрактор уподобляется некоей воронке, или конусу, который своим раструбом обращен к зоне ветвления, а своим узким горлышком – к конечному результату. Это значит, что шарик, находящийся на выпуклой поверхности, может попасть в раструб воронки не из одной-единственной точки, а из ряда смежных точек зоны ветвления. По мере движения по аттрактору множество возможных траекторий движения сокращается и в конечном счете процесс с необходимостью завершается единственным результатом.

Развертывание нелинейного процесса от точки бифуркации до выбора аттрактора – это начало второй части эволюции нелинейного процесса.

При рассмотрении первой части этого процесса мы видели, что избыточное поступление энергии извне привело этот процесс к дезорганизации, к хаотичному состоянию. Поэтому на первый взгляд может показаться, что дальнейший приток энергии в систему извне бесполезен и даже вреден. Но опыт показал, что это не так.

Наоборот, если теперь ввести в систему достаточное количество свежей энергии, то в хаотичном состоянии начнет зарождаться новая организация. Когда величина вводимой извне энергии достигает некоторого критического значения, то система внезапно (скачком) переходит из хаотического состояния в новое устойчивое (организованное) состояние.

Во второй части эволюции нелинейной системы происходит обратный процесс – переход от состояния дезорганизации к новой организованности, от хаоса – к новому порядку. Из-за принудительного действия поступающей извне энергии множество разнонаправленных случайных явлений, характерных для состояния хаоса, вдруг обретают когерентное, то есть совместное, или согласованное, поведение. Отсюда и название дисциплины, изучающей такие процессы, синергетика.

Приведем некоторые примеры синергетических явлений на уровне неживых систем. Следует отметить, что феноменологически самоорганизация физических систем была замечена задолго до разработки теории самоорганизации. Экспериментально такое явление было зафиксировано в 1900 году физиком X. Бенаром в опыте с образованием призматических ячеек в вязкой жидкости. Он наливал ртуть в плоский сосуд, который подогревался снизу. После того как разность температур верхнего и нижнего слоя ртути достигала некоего критического значения, верхний слой быстро распадался на множество шестигранных призм при определенном соотношении между их стороной и высотой. Эти структуры получили название ячеек Бенара и с тех пор служат классическим примером спонтанного образования структур. Образование таких структур, согласно теории И. Пригожина, происходит не из-за внешнего действия, а за счет внутренней перестройки связей между элементами системы, поэтому такие явления автор называет самоорганизацией.

Классическим стал и пример с превращением ламинарного течения жидкости в турбулентное. Это явление не раз наблюдали многие на примере характера стока воды из ванной в трубопровод. Пока воды в ванной мало, она стекает в трубопровод ламинарно (жидкость движется как бы слоями, параллельными направлению течения). Если воды набрать в ванну много, то давление на нижний слой воды заставляет ее стекать в трубопровод быстро. Тогда сток воды в трубопровод теряет устойчивость и переходит в новый – вихреобразный режим. Теперь вода входит в отверстие трубопровода в виде вращающейся воронки, то есть турбулентно.

Еще пример: вода с поверхности Земли испаряется в виде атомов и молекул, движущихся хаотически. Но при интенсивном испарении и под действием энергии ветра из испарений образуются облака. Указанные и подобные им явления широко распространены в природе.