Ячейки Бенара

Если слой жидкости сильно нагреть, то возникает градиент температуры ΔТ между нижней и верхней поверхностями. Жидкость у нижней поверхности вследствие теплового расширения имеет меньшую плотность, чем вблизи верхней поверхности. Из-за наличия силы тяжести и архимедовой силы такая система оказывается неустойчивой, поскольку легкий нижний слой и тяжелый верхний должны поменяться местами. При небольших градиентах температуры движение не возникает и тепло передается только путем теплопроводности. Лишь при достижении критического значения градиента температуры возникает конвекционный поток, обладающий структурой в виде шестиугольных ячеек. Внутри ячеек жидкость поднимается вверх, а по краям опускается вниз. То есть наблюдается высокоорганизованная структура, возникающая в результате коллективного движения молекул жидкости. Внутренняя структура или самоорганизация поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии. Ячейки Бенара в миниатюре воспроизводят условия, необходимые для существования жизни на Земле. Земля получает высококачественную энергию от Солнца, перерабатывает ее, что сопровождается ростом энтропии, и выбрасывает энергию в химическое пространство вместе с наработанной энтропией.

Кооперативное поведение в диссипативных системах

Условия, вызывающие появление новой структуры, способствуют кооперативному поведению микропроцессов системы (в противоположность обычной тенденции к хаотическому поведению). При термодинамическом равновесии вероятность того, что макроскопическое число молекул организуется в регулярный поток, пренебрежимо мала. Система может образовывать упорядоченные структуры только вследствие того, что внешние ограничители (градиент температуры) удерживают систему вдали от равновесия. Проявляется новый принцип упорядочения, несводимый к больцмановскому принципу хаотизации. Самоорганизация в системе связана с формированием структуры более сложной, чем первоначальная.

Условия, необходимые для возникновения самоорганизации:

1. Система должна быть открытой, потому что закрытая система должна придти в конечном итоге в беспорядочное состояние.

2. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если она находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и не способна к организации.

3. Система должна быть нелинейной (ее поведение описывается нелинейным уравнением).

4. Для закрытых систем упорядочивающим принципом является эволюция в сторону увеличения их энтропии и усиления беспорядка, для открытых порядок возникает и усиливается через флуктуации (случайные отклонения системы от некоторого среднего положения). Эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Поскольку флуктуации носят случайный характер, то становится ясно, что появление в мире нового всегда связано с действием случайных факторов.

5. Принцип отрицательной обратной связи лежит в основе сохранения динамического равновесия систем. Для самоорганизации необходим принцип положительной обратной связи, когда изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а наоборот, накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению нового порядка.

6. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушением симметрии (для описания необратимых процессов потребовался отказ от симметрии времени).

7. Система должна обладать достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры.

Перечисленные условия являются необходимыми, но не достаточными для возникновения самоорганизации в различных системах природы.