Вопрос 15. Флуктация. Самоорганизация.

Флуктуации - случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц; вызываются тепловым движением частиц или квантовомеханическими эффектами. Примером термодинамических флуктуаций являются флуктуации плотности вещества в окрестностях критических точек, приводящих, в частности, к сильному рассеянию света веществом и потери прозрачности. Флуктуации, вызванные квантовомеханическими эффектами, присутствуют даже при температуре абсолютного нуля. Они принципиально неустранимы. Пример проявления квантовомеханических флуктуаций - эффект Казимира, а также силы Ван-дер-Ваальса. Непосредственно наблюдаемы квантовомеханические флуктуации для заряда, прошедшего через квантовый точечный контакт квантовый дробовой шум. (википедия)

Самоорганизация - механизм самопроизвольного возникновения, относительно устойчивого существования и саморазрушения упорядоченных структур. То есть пространственно-временные структуры не накладываются, а возникают изнутри системы при переходе ее на новый уровень. (Учебное пособие для гуманитарных факультетов университета О.В.Бабаназарова)

Вопрос 16. Хаотичные системы.

Теория хаоса служит для описания явлений, кажущихся сложными, которые можно смоделировать математически простыми численными формулами, многократно повторяемыми. Некоторые хаотичные системы являются фрактальными, т. е. содержат взаимно подобные геометрические структуры или компоненты. Другими словами, небольшая часть такой системы будет напоминать всю систему в целом, и потому возможность дать математическое описание части системы означает возможность описания системы в целом.(www.allbest.ru)

Вопрос 17. Понятие аттрактора.

Аттрактор - близок к понятию цель. Относительно устойчивое состояние системы, которое как бы притягивает все множество траекторий движения системы. Если система попадает в конус аттрактора, то она неизбежно эволюционирует к этому относительно устойчивому состоянию. (Учебное пособие для гуманитарных факультетов университета О.В.Бабаназарова)

Вопрос 18. Примеры самоорганизации в открытых системах.

Лазерное излучение.

При самом грубом описании лазер - это некая стеклянная трубка, в которую поступает свет от некогерентного источника (обычной лампы), а выходит из нее узконаправленный когерентный световой пучок, при этом выделяется некоторое количества тепла. При малой мощности накачки эти электромагнитные волны, которые испускает лазер, некоррелированные, и излучение подобно излучению обычной лампы. Такое некогерентное излучение - это шум, хаос. При повышении внешнего воздействия в виде накачки до порогового критического значения некогерентный шум преобразуется в "чистый тон". Отдельные атомы ведут себя строго коррелированным образом, самоорганизуются.

(www,termodinamika.ru) Ячейки Бенара.

Классическим примером возникновения структуры из полностью хаотической фазы являются конвективные ячейки Бенара. Эта структура образовалась в ртути, налитой в плоский широкий сосуд, подогреваемый снизу, после того как температурный градиент превысил некоторое критическое значение. Весь слой ртути (или другой вязкой жидкости) распадался на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой (ячейки Бенара). В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней - опускается. Возникает разность температур Т между нижней и верхней поверхностью. Для малых докритических разностей жидкость остается в покое, тепло снизу вверх передается путем теплопроводности. При достижении температуры подогрева критического значения  начинается конвекция. При достижении критического значения параметра Т, рождается, таким образом, пространственная диссипативная структура. При равновесии температуры равны. При кратковременном подогреве (подводе тепла) нижней плоскости, то есть при кратковременном внешнем возмущении температура быстро станет однородной и равной ее первоначальному значению. Возмущение затухает, а состояние - асимптотически устойчиво. При длительном, но докритическом подогреве в системе снова установится простое и единственное состояние, в котором происходит перенос к верхней поверхности и передачи его во внешнюю среду (теплопроводность), участок а. Отличие этого состояния от равновесного состояния состоит в том, что температура, плотность, давление станут неоднородными. Они будут приблизительно линейно изменяться от теплой области к холодной. Увеличение разности температур, то есть дальнейшее отклонение системы от равновесия, приводит к тому, что состояние неподвижной теплопроводящей жидкости становится неустойчивым Это состояние сменяется устойчивым состоянием характеризующимся образованием ячеек. При больших разностях температур покоящаяся жидкость не обеспечивает большой перенос тепла, жидкость "вынуждена" двигаться, причем кооперативным коллективным согласованном образом. (www.rutermodinamika.ru) Реакция Белоусова-Жаботинского.

В колбу сливают в определенных пропорциях Ce2(SO4), KBrO3, CH2(COOH)2, H2SO4, добавляют несколько капель индикатора окисления - восстановления - ферроина и перемешивают. Более конкретно - исследуются окислительно - восстановительные реакции в растворе сульфата церия, бромида калия, малоковой кислоты и серной кислоты. Добавление феррогена позволяет следить за ходом реакции по изменению цвета ( по спектральному поглащению ). При высокой концентрации реагирующих веществ, превышающих критическое значение сродства, наблюдаются необычные явления. При составе сульфат церия - 0,12 ммоль/л, бромида калия - 0,60 ммоль/л, малоковой кислоты - 48 ммоль/л, 3-нормальная серная кислота,  немного ферроина: при 60 С изменение концентрации ионов церия приобретает характер релаксационных колебании - цвет раствора со временем периодически изменяется от красного (при избытке Се3+ ) до синего (при избытке Се4+). Такая система и эффект получили название химические часы. Если на реакцию Белоусова - Жаботинского накладывать возмущение - концентрационный или температурный импульс, то есть вводя несколько миллимолей бромата калия или прикасаясь к колбе в течении нескольких секунд, то после некоторого переходного режима будут снова совершаться колебания с такой же амплитудой и периодом, что и до возмущения. Диссипативная реакция Белоусова - Жаботинского, таким образом, является асимптотически устойчивой. Рождение и существование незатухающих колебаний в такой системе свидетельствует о том, что отдельные части системы действуют согласованно с поддержанием определенных соотношений между фазами. При составе сульфата церия - 4,0 ммоль/л,  бромида калия - 0,35 ммоль/л, малоковой кислоты - 1,20 моль/л, серной кислоты - 1,50 моль/л, немного ферроина:  при 20 С в системе происходят периодические изменения цвета с периодом около 4 минут.  После нескольких таких колебаний спонтанно возникают неоднородности концентрации и образуются на некоторое время (30 минут), если не подводить новые вещества, устойчивые пространственные структуры. Если непрерывно подводить реагенты и отводить конечные продукты, то структура сохраняется неограниченно долго. (www.termodinamika.ru).

ВОПРОС 19.Почему явление самоорганизации возможно только в открытых, неравновесных системах? Сущность самоорганизации. Фазы, схема процесса развития открытых неравновесных систем с возникновением упорядоченности. При наличии неустойчивости изменяется роль внешних воздействий. В определенных условиях ничтожно малое воздействие на открытую систему может привести к значительным непредсказуемым последствиям (раскрытие неустойчивости).  В открытых системах, далеких от равновесия, возникают эффекты согласования, когда элементы системы коррелируют свое поведение на макроскопических расстояниях через макроскопические интервалы времени. Такое кооперативное, согласованное поведение характерно для систем различных типов: молекул, клеток, нейронов, отдельных особей и т.д.  В результате согласованного взаимодействия происходят процессы упорядочения, возникновения из хаоса определенных структур, их преобразования и усложнения. Хаос - это особое состояние сверхчувствительной системы к  самым  слабым флуктуациям, это необходимое условие самоорганизации. Хаос есть конструктивное начало, основа для процесса развития.  Процессы, протекающие в точке бифуркации системы, характеризуются самоорганизацией Самоорганизация - механизм самопроизвольного возникновения, относительно устойчивого существования и саморазрушения упорядоченных структур. То есть пространственно-временные структуры  не накладываются, а возникают изнутри системы при переходе ее на новый уровень. Фазы развития открытых неравновесных систем:: 1) Период плавного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, к ней приложимы законы механики, можно предсказать поведение системы в определенном интервале времени.  Система способна выдерживать случайные воздействия, сохраняя свой гомеостаз. В то же время, эти воздействия приводят систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию, к точке бифуркации; 2) Точка бифуркации - скачкообразный переход в новое устойчивое состояние, под воздействием конструктивных случайностей. Вторая фаза характеризуется стохастическими процессами, здесь степень прогноза возможна с определенной долей вероятности, реализуется нелинейное развитие системы.