Билет 4. Явление самоорганизации в природе. Основные понятия синергетики: флуктуация, бифуркации, аттракторы, фракталы.

Самоорганизация представляет изменение системы, заключающееся в самопроизвольном преобразовании системы за счёт её внутренних ресурсов. Стимулируют самоорганизацию изменения во внешней среде, в которой находится система. При самоорганизации система приобретает более упорядоченную совершенную, лучше организованную и приспособленную к окружающей среде структуру с другими элементами и связями между ними. Преобразование системы в процессе её самоорганизации можно разбить на несколько этапов самоорганизации:

1) Сначала при изменении внешней среды в течение длительного времени в системе постепенно возникают и накапливаются флуктуационные неустойчивости в виде случайных отклонений характеристик системы от их средних значений.

2) Затем, по мере накопления флуктуации, система выходит из состояния устойчивого равновесия и переходит в неустойчивое критическое состояние.

3) При достижении порогового значения действующего на систему фактора внешней среды система путём согласованного совместного (кооперативного) поведения её элементов

самопроизвольно перестраивается и в результате приобретает менее симметричную, но более устойчивую и лучше приспособленную (адаптированную) к возникшим условиям другую структуру с новыми элементами и связями между ними.

Переход к другой структуре носит случайный характер. Если система приобретает одну из двух возможны новых структур, переход называется бифуркацией,

если одну из многих возможны структур – полифуркациеи.

Для того, чтобы самоорганизация стала возможной, система должна быть:

1) открытой – взаимодействующей и обменивающейся с внешней средой веществом, полями, энергией и энтропией,

2) неравновесной, находящейся далеко от состояния равновесия,

3) диссипативной, способной поглощать попадающую в систему энергию и, рассеивая её внутри системы, использовать для самоорганизации.

По предложению немецкого физика Г. Хакена (1969 г.), основная наука, изучающая самоорганизацию, получила название синергетика, что на греческом языке означает происходящее при самоорганизации согласованное совместное (кооперативное) поведение элементов системы.

Самоорганизацию также описывают неравновесная термодинамика открытых систем (разработана И. Р. Пригожиным) и теория катастроф.

Самоорганизации подвержены многие физические, химические, биологические и космические объекты и системы.

Примерами самоорганизации являются:

• перестройка электронов кристалла рубина под действием немонохроматического пучка света (накачки), приводящая к их совместному согласованному возвращению в исходное состояние и возникновению вследствие этого монохроматического (с фиксированной длиной волны) лазерного светового пучка; • термодиффузия – разделение смесей газов под действием разности температур; • переход к турбулентности в течении жидкости или газа; • образование перистых облаков и вихрей в атмосфере;

• образование упорядоченных потоков воздуха и воды в атмосфере и океанах; • изменение вида последовательного расположения в белке аминокислот (изменение пространственной структуры белка) с увеличением или уменьшением температуры и кислотности окружающей среды; • изменения в нашей Вселенной в процессе её эволюции, в частности, преобразования звёзд – превращение нормальных звёзд в белые карлики, затем – в нейтронные звёзды и чёрные дыры (этими проблемами занимаются космогония и

космология).

Аттра́ктор — множество точек в фазовом пространстве динамической системы, к которым стремятся траектории системы. Если траектория прошла достаточно близко к аттрактору, то со временем она уже не покинет окрестность аттрактора и даже будет подходить к нему всё ближе и ближе, то есть будет наблюдаться эффект притяжения к аттрактору. Простейшим случаем аттрактора является точка. Фрактал — термин, означающий геометрическую фигуру, обладающую свойством самоподобия, то есть составленную из нескольких частей, каждая из которых подобна всей фигуре целиком.