10. Концепции самоорганизации

10.1. Порядок и беспорядок в природе

В природе существует два типа упорядоченности –статический и дина­мический. К первому типу относятся процессы, протекающие в замкнутых термодинамически равновесных системах. Статическая упорядоченность возникает в результате фазового перехода, например, при кристаллизации жидкости. Ко второму типу относятся процессы, протекающие в открытых термодинамически неравновесных системах. Динамический порядок реали­зуется в результате оттока энтропии из открытой системы в окружающую среду. Например, эволюция растений и животных. Возникновение простран­ственно-временной структуры в этом случае имеет характер фазового пере­хода, но неравновесного.

Самоорганизация–развитие от менее сложных к более сложным и упо­рядоченным формам организации вещества. Понятия «простой» и «сложный» всегда относительны: протон сложен относительно кварка, но простой относительно атома водорода. Но тем не менее существуют критерии. Сложность структуры системы определяется числом ее элементов и числомmсвязей между ними. Сложность системы (Н_m ) определяется логарифмом числа связей: Н_m=lgm.

Системы условно классифицируются по сложности следующим образом: системы, использующие до тысячи состояний (0< Н_m>3), относятся к простым; до миллиона состояний (3< Н_m>6) – к сложным; свыше миллиона (Н_m>6) – к очень сложным. Все реальные природные биосистемы очень сложны.

Все разномасштабные самоорганизующиеся системы независимо оттого, каким разделом науки они изучаются (физика, химия, биология, социальные, юридические или экономические науки), имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и упорядочен­ным. Поэтому возможно единое теоретическое описание подобных процес­сов во времени и пространстве.

К оглавлению

Разработка теории началась буквально в последние десятилетия по двум сходя­щимся направлениям:

• синергетика,

• термодинамика неравновесных процессов.

10.2. Синергетика

Синергетика – наука о самоорганизации сложных систем, о превращении хаоса в порядок.

Синергетика в переводе с греческого означает совместное или коопера­тивное действие. Основоположник этого направления –немецкий физик Герман Хакен. Он исследовал лазер и открыл в нем процессы самоорганиза­ции.

Не вдаваясь в детали его функционирования, отметим основное: частицы, составляющие лазер, хаотически колеблются; извне в лазер поступает энергия, при достаточной его «накачке» эти частицы приводятся в согласованное движение. На этой основе возникают кооперативные процессы и происходит самоорганизация системы.

Синергетика изучает процессы самоорганизации в живой и неживой при­роде, в социальных и технических системах.

Объект изучения синергетики, независимо от ее природы, обязан удовле­творять следующим требованиям:

1. Открытость –обязательный обмен энергией или веществом с окру­жающей средой.

2. Существенная неравновесность –достигается при определенных пара­метрах системы, которые переводят ее в критическое состояние, сопровож­даемое потерей энергии.

3. Выход из критического состояния скачкообразно в качественно новое состояние с более высоким уровнем упорядоченности.

Скачок–это крайне нелинейный процесс, при котором малые изменения управляющих параметров системы вызывают очень сильное изменение со­стояния системы, ее переход в новое качество. Например, при понижении температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед.

Процессы самоорганизации встречаются в квантовой электронике и ра­диофизике (лазер), в химии –смешивание жидкостей разного цвета, когда попеременно получается жидкость то красного, то синего цвета. В биологии – мышечные со­кращения, электрические колебания в коре головного мозга, динамика попу­ляций (временное колебание численности видов), в экономике–самооргани­зация информации позволяет рыночной системе производить необходимое количество товаров.

К оглавлению

Самоорганизующимися системами можно управлять, изменяя действую­щие на них факторы. Поток энергии, вещества или информации уводит фи­зическую, химическую, биологическую, социальную систему далеко от со­стояния термодинамического равновесия. Изменяя температуру, давление, информацию, мы можем управлять системой извне.

Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устой­чивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохране­ния, чтобы не разрушаться и даже улучшить свою структуру.