Лекция 8. Проблема самоорганизации.

Элементы синергетики

Синергетический подход в познании – системный подход, для которого в качестве условия принимается то, что в некоторых системах возможна самоорганизация, т. е. структура системы и, следовательно, ее свойства могут меняться спонтанно, непредсказуемо, за счет совместного (синергетического) действия элементов системы.

Основоположником синергетики принято считать И. Пригожина.

I Международный конгресс по синергетике состоялся в 1972 году. Основная цель синергетики: проследить переход от главного развития через катастрофы к качественно новым изменениям. Впервые о том, как хаос переходит в космос говорил Платон. Он говорил, что время превращает хаос в космос, т.е. во Вселенную. Древними было сформулировано представление об упорядоченном действии вихрей (клинамен).

Самоорганизация — это появление макроскопических структур в первоначально бесструктурной среде. Под структурой понимается не только статическая организация (кристалл), но и динамические процессы.

Синергетика — это наука, метод формального описания явлений самостановления сложных систем, выделяющихся самопроизвольно из окружающей среды. Т.е. наряду с процессами адаптации происходят процессы приводящие к разрушению старых систем, а иногда на обломках новых. Момент или условие гибели старого можно предсказать, но процесс образования нового не представляется возможным описать как в рамках статистических, так и динамических данных.

В условиях катастроф (в точках бифуркаций) происходит разрыв причинно-следственных связей, характерных адаптационным законам развития.

 

Понятие самоорганизации:

С ХХ. в. наука исходит из того, что все системы любого порядка являются открытыми. Такая система способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией, информацией и находиться, как правило, в состоянии далеком от термодинамического равновесия. Развитие открытой системы зачастую проходит путем образования прогрессирующей упорядоченности. Такие представления легли в основу понимания самоорганизации материальных систем.

- В понятии самоорганизации отражается общая тенденция развития Природы: от менее к более сложным и упорядоченным формам организации материи.

- В более узком понимании самоорганизация есть спонтанный переход открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Причем, самоорганизующиеся системы должны отвечать следующим требования:

во-первых, быть неравновесными, или находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия;

во-вторых, быть открытыми, т.е. обладающими способностью обмениваться веществом или энергией с внешней средой.

Синергетика:

- Теория самоорганизации

- Наука о самоорганизации сложных систем, о превращении хаоса в порядок.

- Развитие синергетики идет по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И.Р. Пригожин) и др.

Основные идеи:

- Процессы эволюции и деградации, разрушения и созидания равноправны. Хаос не только разрушителен, но и созидателен. Развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

- Процессы созидания (упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы, специфики и характера систем, в которых они осуществляются.

- Эволюция большинства сложных систем носит нелинейный характер, т.е. для такого типа систем всегда существует несколько возможных вариантов развитая. Возникновение структур нарастающей сложности не случайность, а закономерность. Случайность встроена в механизм эволюции.

Синергетика как составляющая научной картины мира:

4. Синергетика сформулировала основную тенденцию развития в Природе: создание сложных систем из более простых определила основные принципы эволюции материальных систем.

- Синергетика подтвердила положение теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии; объясняет образование макросистем (вещества).

- Синергетика отражает процесс творчества Природы: создание новых структур в природных системах; образование новых систем и т.п.

- Идеи синергетики носят междисциплинарный характер. Они являются основой совершающегося в естествознании глобального эволюционного синтеза.

Неравновесная термодинамика:

- Термодинамика ХХ в. Изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Основной задачей является доказательство того факта, что неравновесие может быть причиной порядка. Классическая (равновесная) термодинамика XIX в. Изучала механическое действие теплоты, причем предметом ее исследований были процессы преобразования энергии, протекающие в замкнутых системах, стремящихся к состоянию равновесия. В подобных системах для самоорганизации нет места.- Система в неравновесной термодинамике должна быть открытой и иметь приток вещества и энергии извне, а также создавать и поддерживать упорядоченность из хаоса. Такие системы названы диссипативными. Условия формирования новых структур: открытость системы; ее нахождение вдали от точки равновесия; наличие флуктуаций.

- Неустойчивость и неравновесность определяют развитие систем, т.е. последние непрестанно флуктуируют. В особой точке бифуркации (критическое состояние) флуктуация достигает такой силы, что организация системы разрушается. Разрешением кризисной ситуации является быстрый переход диссипативной системы на новый и более высокий уровень упорядоченности, который получил название диссипативной структуры. Это и есть акт самоорганизации системы.- Переход диссипативной системы из критического состояния в устойчивое неоднозначен. Поскольку флуктуации случайны, то и выбор конечного состояния системы является случайным. Процесс перехода одноразовый и необратимый.

- Самоорганизация проявляется в форме общей флуктуации, не имеющей ничего общего со статистическими законами физики. В процессе перехода все элементы системы ведут себя коррелированно, хотя до этого они находились в состоянии хаоса.

- Диссипативные структуры существуют потому, что система диссипирует (рассеивает) энергию. Из энергии возникает порядок с увеличением общей энтропии.

- Природа есть иерархия открытых систем. Развитие системы протекает по единому алгоритму. В основе последнего — самоорганизация, протекающая в критических точках систем.

 

 

 

 

 

Все системы содержат подсистемы, которые непрестанно флуктуируют, существовавшая прежде организация не выдерживает и разрушается. В этот переломный момент (бифуркации) принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие.

Станет ли состояние системы хаотическим или система перейдет на новый, более дифференцированный уровень упорядоченности и организации. Т.е. случай творит хаоса порядок в точках бифуркации.

Существующая природа подчинена синергетическим принципам

физика: ячейка Бернара

химия: химические часы или реакции Белоусова-Жаботинского

биология: законы Менделя, коллективное поведение простейших, насекомых

экология: соотношение хищник-жертва.

Методы синергетики применяются в науках о живом и в общих науках, экономических науках, хотя основания синергетики на основе неравновесной термодинамики.

Условия, необходимые для получения структур и процессов организации:

1) взаимодействия системы и окружающей среды, т.е. обмен веществом, энергией, информацией. Система должна быть открытой

2) макроскопические процессы происходят согласованно, т.е. имеет место синергия (единение).

3) существенное отклонение от равновесного состояния, т.е. от термодинамической ветви

4) процесс рассматривается в таком диапазоне параметров, когда для описания приходится использовать линейные математические модели.

Следовательно, синергетика привела к нелинейному мышлению

Для закрытых систем должно выполняться условие: S0, изменение энтропии, в системе энтропия увеличивается (I начало термодинамики).

С точки зрения I закона термодинамики для закрытых систем:

 

 

Для открытых систем:

 

 

 S<0 система будет способна к самоорганизации S_i - энтропия, S_е -?

Причины самоорганизации:

В обычном адаптационном развитии флуктуации не оказывают влияния на развитие системы. В точках катастрофы флуктуации окружающей среды (информационный вакуум) питают осцилляторы, увеличивая информационную избыточность системы, что и вызывает организацию.

Ячейка Бернара — образование гексагональных структур на поверхности подкрашенного масла при его нагревании с наличием градиента температуры.

Химические часы: существуют определенные по составу реактивы, в растворе которых с определенным периодом будет происходить смена окрасок слоев раствора.

ClSO₄ H₂SO₄

CH₂(OH)₂ KB_rO₃