6.6 Самоорганизация в живой и неживой природе

В живой и неживой природе существует большое количество примеров образования упорядоченных структур. Рассмотрим наиболее известные из них.

1. Самоорганизация в неживой природе

Классическим примером возникновения упорядоченной структуры являются конвективные ячейки Бенара. Они наблюдаются в ртути, силиконовом масле или другой вязкой жидкости, налитой в широкий плоский сосуд. Сосуд подогревается снизу (сковорода на плите), в системе имеется вертикальный градиент температуры. При небольшом значении градиента температур наблюдается хаотическое движение слоев. При определенном критическом значении градиента температур слой ртути распадается на одинаковые шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой. В центральной части такой призмы жидкость поднимается вверх, а по граням опускается. По поверхности жидкость растекается от центра к краям, а в придонном слое – к центру (рисунок 20).

Рисунок 20 – Конвективные ячейки Бенара

Температурный градиент в данном случае называют инверсным. Это связано с тем, что жидкость у нижней поверхности из-за теплового расширения имеет меньшую плотность, чем вблизи верхней. На каждый слой действуют сила тяжести и выталкивающая сила Архимеда, система оказывается неустойчивой, слои «хотят» поменяться местами. При небольшой разнице температур между поверхностями вязкой жидкости тепло распространяется лишь путем теплопроводности и движения жидкости не наблюдается. Возникающие флуктуации гасятся из-за вязкого трения. Начиная с некоторого градиента температур теплообмен ускоряется, флуктуации достигают макроскопических масштабов, возникают конвективные потоки. Для устойчивости потоков жидкости необходима регулировка подогрева, и она происходит самосогласованно. Возникает структура, обеспечивающая максимальную скорость тепловых потоков.

Самоорганизация происходит и при генерации в атомной системе. В кристалле твердотельного лазера имеются активные, возбужденные накачкой от внешнего источника атомы, испускающие цуги волн. При малой мощности накачки световые цуги испускаются атомами независимо друг от друга, лазер работает как обычная лампа и испускает некогерентный свет. Начиная с некоторого порогового значения мощности накачки все атомы-антенны начинают работать самосогласованно, испуская цуги в одной фазе. Возникает гигантский цуг когерентного лазерного излучения, интенсивность излучения резко возрастает. Переход лазера в режим генерации аналогичен образованию ячеек Бенара.

Замечательным примером возникновения самоорганизации являются химические часы (реакция Белоусова–Жаботинского).

В растворе, состоящем из серной и малоновой кислот, сульфата церия и бромида калия с добавлением ферроина протекают окислительно-восстановительные реакции, за их ходом можно следить по изменению цвета раствора или по изменению спектрального поглощения. Когда все перечисленные вещества сливают в пробирку, то раствор начинает менять цвет с красного (что означает избыток ионов Се3+) на голубой (избыток ионов Се4+). Цвет изменяется периодически, период зависит от концентрации реагентов и четко сохраняется. Именно поэтому такие реакции называются химическими часами.

Рисунок 21- Самоорганизация в реакции Белоусова - Жаботинского

Начиная с некоторого соотношения концентраций реагентов, спонтанно возникают пространственные неоднородности концентраций и образуются устойчивые синие и красные слои, сохраняющиеся в пробирке до получаса (рисунок 21).

Процессами самоорганизации в настоящее время объясняют образование планетарных волн давления (модель – вихри Тейлора), существование колец у тяжелых планет (Сатурна, Урана, Нептуна). Наиболее масштабным и впечатляющим примером самоорганизации является, очевидно, образование и эволюция крупномасштабных структур во Вселенной.