Вопрос 47. Общие свойства систем, способных к самоорганизации.

1.Системы неравновесные

за счёт обмена с окружающей средой параметры, характерные отдельные части системы различны.

2.системы нелинейные

имеют несколько возможных путей развития.

В линейных системах реакция системы пропорциональна возмущающей силе.

Для нелинейных систем малые начальные возмущения могут привести к катастрофическим последствиям. Реакция нелинейной системы на воздействия протекающие по схеме: малые причины - большие следствия. Предсказать траекторию такой системы невозможно.

3.Системы открытые.

4.Диссипативные. Из-за потери и деградации ресурсов.

5.Развитие таких систем проходит через случайный выбор одного из возможных путей эволюции в точки бифуркации.

6.Такие системы способны к резкому изменению своего поведения, к скачкообразным изменениям в точки бифуркации.

7.В ходе эволюции возникают макроскопические упорядочные структуры (пространственные, временные, пространственно-временные)

8.Наличие порогоустойчивости

за которой системой утрачивается устойчивость и становится нестабильными.

9.Выше порога устойчивости в системе возникает коллективное поведение элементов.

10.В этих системах возможны флуктуации и система способна усилить их до макроскопического уровня.

11.Сложные системы

состоят из большого числа взаимодействующих элементов.

12.Между средой и системой существует положительная обратная связь. Т.е. малое взаимодействие на систему приводит к значительным и непредсказуемым последствиям. Система не возвращается в равновесие, а всё дальше от него уходит.

13.Эволюция систем - череда стабильных периодов линейного предсказуемого развития, сменяющихся этапами нестабильности, периодами бифуркации с непредсказуемыми исходами.

Вопрос 48. Примеры самоорганизующихся систем в физике.Конвективные ячейки Бенара.Лазеры.

1)Эффект Бенара. Классический пример возникновения структур из полностно хаотичной фазы.

Оказывается такая структура возникает в горизонтальном тонком слое жидкости с вертикальным градиентом температуры(изменение температуры внутри жидкости-разница t)

Бенар наблюдал ртуть, налитую в сосуд, подогреваемую снизу. Если снизу подогреть неглубокий сосуд с вязкой жидкостью, возникает разность между температурами между верхней и нижней поверхностями жидкостями. ∆ T=T2-T1>0 Пока ∆ T мало в близи равновесия. Жидкость не движется из-за её вязкости и тепло «переноситься»снизу вверх благодаря теплопроводности. Но при некотором критичном пороговом значении ∆ T

∆T≥∆Tкрит.системы становится неустойчивой,Vжидкости приходит в движении. В жидкости возникает конвекция. Перенос тепла увеличивается.

Причины конвекции:

-разная плотность нагретых и холодных слоёв жидкости.

-сила тяжести, которая стремится поменять эти слои местами.

Конвекторное движение происходит строго упорядочным образом.V жидкости разделяется на небольшие одинаковые шестигранные вертикальные призмы, которые и называются ячейками Бенара.

Одна такая призма содержит 10 в степени 21 молекул и такое огромное кол-во молекул движется согласовано(когерентно).

Особенности эффекта Бенара:

-упорядоченная структура образовывается в результате коллективного согласованного поведения многих молекул в жидкости.

-система обменивается теплом в стационарных условиях и получают столько же тепла, сколько и отдаёт.

∆S=Q/T2-Q/T1<0 общая энтропия системы уменьшается.

-сильно неравномерные системы становятся чувствительными к факторам не влияющих на их поведение вблизи равновесия. В образе ячеек Бенара решающую роль играет гравитация.

-пороговый характер процесса ∆ T≥∆ Tкрит. При ∆ T>∆Tкрит. ячейки Бенара обязательно проявляются (в этом проявляется детерминизм),но направление их вращения в данном месте пространства непредсказуемо.

2.Лазерное излучение.

Рабочее тело лазера - это газ, жидкость или твёрдое тело.

Газ(гелий+неон).Составляющие его атомы находятся/стремятся перейти в основное состояние, где их энергия минимальна.

При переходе на уровень с наименьшей энергией атом, испускает квант света с энергией =E2-E1

Поглощение фотона обратимый процесс.

Пусть атом находится в возбужденном состоянии с Е2 и пусть на такой атом падает фотон с энергией =Е2-Е1,этот фотон не может возбудить атом, но может вызвать обратный процесс, так назв. «высвечивание». В результате возникают два фотона, каждый с энергией , которые вылетают из атома в фазе одновременно и движутся в одном направлении. Эти фотоны усиливают друг друга, такой процесс наз-ся индуцированным или вынужденным излучением, а само излучение наз-ся когерентным (согласованным).

Если в состоянии Е2 находится не один атом, а некоторое количество. Тогда всегда лишь 1 фотон может вызвать высвечивание этих атомов за счёт индуцированного излучения, а каждый индуцированный фотон может стимулировать излучение других атомов. Возникшая теория называется «лавина фотонов». Устройство для получения индуцированного светового излучения наз-ся лазером. Усиление света по средством индуцированного излучения.