KSE2 (1153098), страница 5

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 5)

В отличие отбольшинства новых наук, возникавших, как правило, на стыке двух ранеесуществовавших и характеризуемых проникновением метода одной науки в предметдругой, синергетика возникла, опираясь не на граничные, а на внутренние точкиразличных наук. В изучаемых наукой системах, режимах и состояниях физик, биолог,химик и математик видят свой материал, и каждый из них, применяя методы своей науки,обогащает общий запас идей и методов синергетики.В математике развивается теория динамического хаоса, бельгийская школа И.Пригожина развивает термодинамический подход к самоорганизации с точки зрения диссипативных структур, а Г. Хакен акцентирует внимание на согласованностивзаимодействия частей при образовании структуры как единого целого.

В основеспецифической трактовки синергетики российскими учеными во главе с С. П.Курдюмовым лежит акцентирование внимания на процессах, протекающих в режиме «собострением», при котором некоторые величины неограниченно возрастают за конечноевремя.Несмотря на расхождения, данные направления не являются ни альтернативными, ни,тем более, взаимоисключающими друг по отношению к другу. Единство фундаментальных оснований названных научных направлений позволяет говорить осинергетическом подходе в современном естествознании как о едином явлении.Синергетика возникла в ответ на кризис исчерпавшего себя стереотипного линейногомышления, основными чертами которого являются:представление о хаосе как исключительно деструктивном начале мира;рассмотрение случайности как второстепенного, побочного фактора;взгляд на неравновесность и неустойчивость как на досадные факторы, которыедолжны быть преодолены, поскольку играют негативную, разрушительную роль;процессы, происходящие в мире, являются предсказуемыми на неограниченно большиепромежутш времени;развитие линейно, поступательно, безальтернативно, а если альтернативы и есть, тоони могут быть только случайными отклонениями от магистрального направления,подчинены ему и в конечном счете поглощаются им;мир связан жесткими причинно-следственными связями;причинные цепи носят линейный характер, а следствие пропорционально причине, т.е.чем больше вложено энергии, тем больше результат.Предметом синергетики являются сложные самоорганизующиеся системы.

Один изосновоположников синергетики Г. Хакен определил понятие самоорганизующейсясистемы следующим образом: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она безспецифического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную ифункциональную структуру».Синергетика изучает механизмы самоорганизации определенного класса систем(открытых и нелинейных) самой различной природы, начиная с физики и кончая социологией и загадками человеческого Я, системой его сознания и подсознания.Самоорганизация представляет собой процесс спонтанного образования, упорядочения иразвития структур в открытых и нелинейных системах.В синергетике создается новый язык описания со своими понятиями, в которыхнаиболее важными являются понятия: порядок и хаос, открытые системы, нелинейность, диссипативность, бифуркация.Порядок и хаос. В результате протекания процессов в изолированных системах самисистемы переходят в состояние равновесия, которое соответствует максимальномубеспорядку системы, а именно тепловому хаосу, описываемому законом возрастанияэнтропии в классической термодинамике.На бытовом уровне, энтропия – это мера беспорядка или мера неопределенности.

Вфизике энтропия стоит в ряду таких фундаментальных понятий, как энергия или температура. Энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение), функция состояниятермодинамической системы, которая характеризует меру ее упорядоченности. Чем вышеэнтропия, тем меньше упорядочена система, больше хаос.Эволюция в случае замкнутой системы приводит ее в состояние максимальногобеспорядка.

В реальности, тем не менее, часто наблюдаются совершенно противоположные явления.Как в области живой, так и неживой природы, можно наблюдать процессы перехода отнеупорядоченного к упорядоченному состоянию системы. Классическим примеромвозникновения структуры является конвективная ячейка А. Бенара (рис. 2.1).Рис. 2.1. Конвективная ячейка А. БенараЕсли в сковородку с гладким дном налить масло, подмешать для наглядности мелкиеалюминиевые опилки и начать нагревать, мы получим довольно наглядную модельсамоорганизующейся системы. При небольшом перепаде температур передача тепла отнижнего слоя масла к верхнему, идет только за счет теплопроводности, и масло являетсятипичной открытой хаотической системой.

Но при некотором критическом перепадетемператур между нижним и верхним слоями масла в нем возникают упорядоченныеструктуры в виде шестигранных призм (конвективных ячеек). Миллиарды молекул принагревании начинают вести себя согласованно, хотя до этого пребывали в хаотическомсостоянии. Возникает структура, поддерживающая максимальную скорость тепловыхпотоков. Можно привести и другие примеры спонтанного перехода от неупорядоченногок упорядоченному состоянию. При определенном критическом значении мощностинакачки лазера происходит скачкообразный переход работы от хаотического излучения ксамосогласованному. Коллективное излучение атомов становится когерентным, т.е.упорядоченным.В области живой природы, как свидетельствует эволюция, естественно протекающиепроцессы ведут к усложнению форм и структур, к увеличению порядка, избавлению отхаоса и удалению от равновесия. Самоорганизация в живой природе приводит систему кпрямо противоположному состоянию, чем самоорганизация в неживых системах.

Все этопривело к появлению понятия открытой системы, которое и позволило устранитьупомянутые противоречия.Все природные системы являются открытыми системами, обменивающимися сокружающей средой веществом, энергией и информацией. Процессы обмена происходят вкаждой точке данной системы: постоянно притекают какие-то необходимые вещества иотводятся продукты распада.Например, кора головного мозга, пронизанная кровеносными сосудами, питающими мозг,– только благодаря этому становятся возможными сложные нейродинамические процессыв сети нейронов головного мозга.Живой организм может существовать на основе процессов ассимиляции идиссимиляции.Космические объекты существуют на основе взаимодействия и обмена веществом иэнергией с космосом в целом.Открытость системы – необходимое, но недостаточное условие для еесамоорганизации.

То есть всякая самоорганизующаяся система открыта. Но не всякаяоткрытая система самоорганизуется, строит структуры. Создание эволюционирующихструктур открытой системы осуществляется за счет нелинейных источников энергии.Нелинейность. Нелинейность в математическом смысле означает определенный видматематических уравнений, которые могут иметь несколько (более одного) качественноразличных решений. Физический смысл нелинейности состоит в том, что множествурешений нелинейного уравнения соответствует множество путей эволюции системы,описываемой этими уравнениями.В работах по синергетике отмечается, что в мировоззренческом плане идея нелинейностиможет быть раскрыта посредством: идеи многовариантности, альтернативности путей эволюции; идеи выбора из данных альтернатив; идеи темпа эволюции; идеи необратимости эволюции.Нелинейность означает, что нет однозначно запрограммированного путиразвития системы, развитие осуществляется через случайность выбора пути в моментнеустойчивости системы, а сама случайность не повторяется вновь.Нелинейные динамические системы имеют устойчивые и неустойчивыестационарные состояния.

Это создает феномен сложного и разнообразного поведения.Иллюстрировать разницу между состоянием устойчивого равновесия и состояниемдинамического равновесия можно таким наглядным примером, как устойчивостьлежащего в лузе бильярдного шара и устойчивость движущегося велосипеда. Велосипедлегче удержать в равновесии, когда он едет.В случае равновесного состояния или в состояниях, близких к равновесию, развитиесистемы невозможно. Примеры живых систем, т.е. систем, активно взаимодействующихсо средой, позволили предположить, что источником порядка может быть не толькоравновесие, но и неравновесие. В ходе исследований было установлено, что вдали отравновесия могут самопроизвольно возникать и неорганические структуры, которыетакже поддерживают устойчивость за счет взаимодействия со средой.

Такие структуры посвоему динамическому состоянию существенно отличаются от равновесных. Ониобразуются вдали от равновесия и обязательно термодинамически открыты (нелинейны),их называют диссипативными (от англ. dissipate — рассеивать).Диссипативность. Общая теория устойчивости состояний систем была разработанарусским математиком А. М. Ляпуновым (1857–1918). Ее идея: состоит в следующем:устойчивые состояния системы не теряют своей устойчивости при флуктуациях (отлат. fluctuatio – колебание), т.е. случайных отклонений от среднего значения физическихвеличин.

Характеристики

Список файлов лекций