Диссертация (1144795), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Самоорганизация - процесс формирования образца на высшем масштабном уровне посредством множественных взаимодействий компонентов более низких иерархических уровней системы. Компоненты связываются через свои локальныевзаимодействия, каждое из которых в отдельности не определяет финальнуюструктуру образца. Таким образом, самоорганизация − это многостадийнаяили многомасштабная самосборка. И наоборот, самосборка − это локальнаясамоорганизация на одном из иерархических масштабных уровней на основесвойственных этому уровню взаимодействий [232].Самоорганизующиеся системы − это обычно очень сложные открытыесистемы, характеризующиеся огромным числом степеней свободы.
Однакодалеко не все степени свободы системы одинаково важны для ее функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количествоведущих, определяющих степеней свободы, к которым «подстраиваются»остальные [178].Самоорганизующаяся система является открытой, т.е. обмениваетсяэнергией и веществом с окружающей средой; она содержит большое числоэлементов (подсистем); ей присущ стационарный устойчивый режим системы, в котором элементы взаимодействуют хаотически (некогерентно); принекотором наборе параметров системы возможен переход в автоколебательный режим (элементы взаимодействуют когерентно).
Становление самоорганизации во многом определяется характером взаимодействия случайных инеобходимых факторов системы, и ее среды. Самоорганизация переживает и37переломные моменты − точки бифуркации. Вблизи точек бифуркаций в системах наблюдаются значительные флуктуации, роль случайных фактороврезко возрастает [56].Процесс самоорганизации БЖ [197; 271] характеризуется интенсивнымобменом энергией с окружающей средой.
При переходе БЖ в твёрдую фазунаблюдается согласованное (когерентное) поведение элементов системы, аэффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом уровне.Переход от Хаоса к Порядку вполне поддается математическому моделированию. Более того, в природе существует не так много универсальных моделей такого перехода. Качественные переходы в самых разных сферах действительности (в природе и обществе, его истории, экономике, демографических процессах, духовной культуре и др.) подчиняются подчас одному и тому же математическому сценарию [54]. Еще в 1928 г.
английский математикФ. Рамзай доказал, что полная неупорядоченность не существует и невозможна: любое достаточно большое множество чисел, точек или объектовобязательно содержит высоко упорядоченную структуру [39]. Вместе с тем,сложная организация немыслима без целостности. Целостность системыозначает несводимость свойств системы к сумме свойств ее элементов. Целостность порождается структурой системы и типом связей между ее элементами.
Биологические системы отличаются высоким уровнем целостности[117]. Биологические системы имеют, помимо стационарных, автоколебательные состояния, при которых значения параметров изменяется во временис определенной амплитудой. Они являются основой периодических биологических процессов, биоритмов, биологических часов и др. [117].В качестве содержания теории развития сложных систем можно рассматривать совокупность методологических подходов, позволяющих строитьмодели процессов развития сложных систем, используя достижения различных наук, а также методы анализа получаемых моделей.Самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный38момент существенно отличается от состояния статистического равновесия.Нарушение статистического равновесия вызывается внешним воздействием.Необходимым условием проявления процессов самоорганизации являетсяналичие нескольких (как минимум двух) противонаправленных градиентныхполей одной размерности, формирующих минимум энергии как функциюрасстояния или времени.
Процессы самоорганизации многообразны. Что касается жидкостей, самые известные примеры − кольца Лизеганга, эффектМарангони, реакция Белоусова-Жаботинского, ячейки Бенара. В примере сячейками Бенара внешнее воздействие (нагревание сосуда) приводит к различию температур в отдельных макроскопических областях жидкости [127].Биологи нередко представляют себе математическую биологию каксредство для обработки количественных данных, хотя такая переоценка количественного подхода ведет к непониманию качественных моделей.
Создатель теории катастроф − качественного, скачкообразного перехода − Р. Том(1970) писал: «Бесполезно было бы противопоставлять нашей качественноймодели количественные, считая их единственно научными и полезными. Иболюбая количественная модель подразумевает качественное разделение реальных явлений, предварительное выделение «системы», рассматриваемой,как устойчивая и экспериментально воспроизводимая» [145]. По убеждениюР. Тома, качественные свойства не сводимы к количественным, вопреки распространенному представлению [359].Статические структуры − это лишь одно из проявлений самоорганизации.
Во многих экспериментальных ситуациях наблюдается установление:вращающихся структур (например, спиральные волны), решёток, периодически меняющих свою симметрию [93], движущихся, сливающихся и вновьрождающихся локализованных структур − например, дислокаций [118].Самоорганизация всегда связана с самопроизвольным понижениемсимметрии. Красивая симметричная снежинка имеет более низкую симметрию, чем бесструктурный водяной пар.
Идеи такого понижения симметрии39получили большое развитие в современной теории микромира [136] и приописании фазовых переходов (ФП) в физике (например, переход жидкого вкристаллическое состояние). Отличие ФП от процессов самоорганизации заключается в том, что при фазовых переходах происходит возникновениемикроструктур (например, кристаллической решетки), а в макроскопическомобъеме система остается однородной. ФП являются макроскопическим проявлением молекулярной природы системы, резко перестраивающейся приограниченных внешних воздействиях. В общем случае изменение пространственной упорядоченности в термодинамической системе.
Равновесные ФП −спонтанные, их можно отнести к простейшим примерам самоорганизации,проявлениям коллективной формы молекулярного движения [135].Дальний (макроскопический) порядок, постепенно захватывающийвесь объём, после неравновесного ФП может принимать различную формупространственно-временного поведения: ячейки в системе Бенара, химические колебания и волны в реакционной среде Белоусова − Жаботинского, лазерный луч в оптической системе, солитоны на поверхности и в объёме разных сред и т.д.
Все они вносят качественно новые коллективные свойства всоответствующую систему. Общим для явлений самоорганизации в системахсамой разной природы следует считать взаимодействия, имеющие когерентный и резонансный (сфазированный на единой частоте) пространственновременной характер, упорядочение с соответствующим понижением симметрии [143].Физическая природа фазового перехода первого рода (ФП−1) − потеряустойчивости однородной фазы, сопровождающаяся усилением флуктуацийряда величин.
В ФП−1 можно усмотреть некоторые признаки простейшейсамоорганизации: пороговый характер явления, наличие параметров порядкаи управляющих параметров. Характер протекания перехода зависит от условий спонтанного формирования и роста зародышей новой фазы, их устойчивости [109].40При ФП−1 происходит перестройка структуры всей системы. С образованием границы раздела фаз, вводящей дополнительную энергию, процессстановится неоднородным в пространстве и времени, вследствие чего возможно существование вблизи кривой фазового равновесия метастабильныхсостояний старой фазы в области, где должна была находиться новая устойчивая фаза [12].Порядок, означающий логическую взаимосвязь частей и согласованность их действий, обеспечивает соответствующую функцию системы.
Возникновение нового порядка обусловлено появлением дополнительных связей(корреляций) между величинами, характеризующими систему. Источникомупорядочения здесь выступают нелинейность, диссипация и неравновесность. В нелинейной системе возможно существование флуктуаций, имеющих различные частоты (моды). Нелинейное взаимодействие между модамисопровождается поглощением энергии, в силу чего возникает явление конкуренции мод, что приводит в итоге к преобладанию одной из них, менее чувствительной к остальным (с иными, обычно более высокими частотами) [44;74].
Выжившее колебание и становится коллективной модой (параметромпорядка).Термин «когерентность» (от лат. cohaerentia ‒ сцепление, связь) означает существование пространственно-временных связей, приводящих к коррелированному (согласованному) протеканию процессов во всей системе.Достижение критического производства энтропии (обобщающей характеристики вероятности нахождения системы в том или ином состоянии) приводитк скачкообразному образованию когерентных (кооперативных, диссипативных) структур [88; 98]. В сильно неравновесных системах материя посредством диссипативных структур демонстрирует свои адаптивные возможности при изменениях внешних условий.В синергетике глубокая неравновесность побуждает ранее независимые(в равновесных условиях) частицы к совместному движению.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
