3. Сценарий образования упорядоченных структур.

За счет притока энергии и неустойчивости предшествующего однородного неупорядоченного состояния происходит усиление случайных малых флуктуаций, постоянно возникающих в любой системе. Возникают коллективные формы движения, называемые модами, между которыми начинается конкуренция. Некоторые моды при этом могут увеличиться до крупномасштабных размеров. В результате происходит отбор самых устойчивых движений. Из хаоса возникают структуры, принимающие все более упорядоченный характер. Таким образом, образовавшаяся структура – результат взаимодействия, коллективного действия многих подсистем.

Образование упорядоченных структур происходит в неустойчивых неравновесных системах при достижении некоторого порогового значения. В “допороговом” состоянии флуктуации затухают и не проявляются макроскопически, а выше порога, напротив, благодаря коллективным явлениям усиливаются и проявляются на макроскопическом уровне.

Окружающий мир (и неживая, и живая природа) полон примеров образования новых упорядоченных структур. Это неудивительно, поскольку изолированные равновесные системы – это идеализация, а все реальные системы открыты и неравновесны.

4. Примеры самоорганизации в неживой природе: Возникновение структуры как фазовый переход.

• Возникновение ячеек Бенара (впервые описано в 1900 г.) в вязкой жидкости при большом градиенте (перепаде) температур. В жидкости возникают 6-гранные призмы с определенным соотношением высоты и сторон. На их поверхности циркуляция жидкости происходит от центра к краям, у дна – наоборот.

• Переход лазера в режим генерации (существует и природный лазер – мазер, излучающий в космосе в радиодиапазоне).

• Реакция Белоусова – Жаботинского, или «химические часы». При соединении определенных веществ (серная и малоновая кислоты, сульфат церия и бромид калия) наблюдаются строго периодические смены цвета раствора: ионы Се³⁺ окрашивают его в красный цвет, ионы Се⁴⁺ - в голубой. Уравнения для концентраций промежуточных продуктов реакции совпадают с уравнениями для автоколебаний, параметры зависят от соотношения между реагентами. В плоском сосуде можно наблюдать и пространственные структуры – спиральные автоволны химической активности.

Во всех случаях упорядоченные структуры возникают по единому сценарию, за счет внутренних перестроек в самой системе. Новое, упорядоченное состояние системы возникает скачкообразно и принципиально отличается от прежнего. Поэтому его можно рассматривать как новую фазу системы, а возникновение структуры – как фазовый переход. Такой подход оказался плодотворным и позволил Г.Хакену создать теорию лазерной генерации как фазового перехода. Режим генерации лазера начинается с некоторой пороговой мощности накачки. Излучение лазера обладает почти 100% когерентностью, а излучение накачки некогерентно. Каждому параметру квантовой генерации лазера удается поставить в соответствие параметры фазового перехода в парамагнетике.

Вспомним, что фазовому переходу соответствует некий параметр, введенный Ландау и названный параметром порядка (см. лекцию 15), который связан с симметрией (упорядоченностью) системы.