Активная

среда

Рис. 5.5. Самоорганизация в лазере: вместо поступающих в систему

фотонов с различной частотой, фазой, ориентацией в пространстве (а)

система генерирует фотоны с одинаковой частотой, фазой, ориен-

тацией в пространстве (б).

Структурирование жидкости. Ячейки Бенара. Рассмотрим систему, представляющую собой слой жидкости (воды) между двумя горизонтальными пластинами. При постоянной температуре жидкость находится в однородном равновесном состоянии. Если верхняя пластина остается холодной, а нижняя подогревается, то в пределах некоторой разности температур может осуществляться стационарный процесс теплопроводности, не меняющий однородную структуру жидкости. Однако при разности температурсостояние меняется. Нижние теплые «капли» жидкости под выталкивающим действием архимедовой силы, преодолевая вязкость, начнут движение вверх. Верхние холодные «капли» под действием силы тяжести будут опускаться вниз. В результате возникают восходящие и нисходящие конвекционные потоки, жидкость закручивается и структурируется в виде небольших ячеек, называемых ячейками Бенара (рис. 5.6). Таким образом, система (жидкость) вместо однородной структуры сама формирует новую динамическую сложную, упорядоченную во времени и пространстве структуру, т.е. она самоорганизуется. Внешние условия лишь создают неравновесность, величина которой определяется.

T₂ Q₂

T₁

Q₁

Рис. 5.6. Возникновение ячеистой структуры при ΔТ≥ΔТ_кр, создаваемой

теплом Q. Спираль закручивания в ячейках: R – правая, L – левая.

И.Р. Пригожин назвал такие упорядоченные структуры диссипативными структурами. Причиной закручивания жидкости в ячейки в условиях сильной неравновесности являются нелинейные эффекты в области (гидродинамика жидкости описывается нелинейными дифференциальными уравнениями). Противоположное вращение в соседних ячейках нарушило симметрию системы, она сталаасимметричной. Второй удивительной чертой системы является упорядоченное, согласованное, когерентное поведение огромного количества частиц – молекул. Одна ячейка Бенара в воде содержит 10²¹ молекул. И такое огромное количество молекул демонстрирует сложное поведение. Третья черта – бивариантность, т.е. наличие двух различных (хотя и симметричных) вариантов поведения частиц в конкретной ячейке: право спирального (R) и лево спирального (L) движения, причем выбор варианта случаен. Четвертая черта системы – устойчивость возникшего чередования ячеек, например, R - L, при неизменных неравновесных условиях оно может сохраняться сколь угодно долго. И пятой чертой динамической структуры является идеальная воспроизводимость эксперимента: при многократном переходе системы через критический барьер ячеистая структура появляется вновь. Особенности трех последних закономерностей рассмотрим более подробно.

Дуализм: случайность и определенность. В явлении структурирования жидкости при многократном преодолении системой просматриваются две в определенном отношении противоположные особенности, т.е. наблюдается дуализм свойств. Первая - воспроизводимость возникновения ячеистой структуры при многократно повторенном эксперименте, т.е. строгий детерминизм (определенность). На рис. 4.7 этот детерминизм изображен линиейа.

в₁

Т₂

а R L R L

_{определенность случайность}

Т₁

в₂

L R L R

Рис.5.7 Детерминизм и случайность в формировании ячеистой структуры

при . Место возникновения флуктуации определяет решение:

либо в_1, либо в₂.

Вторая особенность в том, что всякий раз в момент преодоления системой барьера () направление вращения в ячейках непредсказуемо и неуправляемо. Случайное возмущение, флуктуация решает, каким будет вращение в данной ячейке:R или L. Поскольку место возникновения флуктуации неопределенное, то выбор системой решения (либо в₁, либо в₂) также случаен. Таким образом, здесь наблюдается удивительный паритет определенности (возникновения ячеек) и случайности (направления вращения в ячейке), т.е. дуализм свойств, ранее наблюдаемый нами в биологии (мутация – естественный отбор) и физике (волна – частица).