Центральная проблема синергетики.

Центральной проблемой синергетики является взаимоотношение порядка и хаоса, закономерности формирования упорядоченных макроскопических пространственно-временных структур из неорганизованного, хаотического движения элементов на микроуровне, возникновения порядка из хаоса и, наоборот, и закономерности распада этих структур, сценарии перехода к хаосу, что мы специально рассмотрим в дальнейшем. Синергетика, в основе которой лежит неравновесная термодинамика или термодинамика необратимых процессов, базируется на принципиально иных закономерностях, отличных от второго начала классической термодинамики.

Напомним, что:

Первое начало термодинамики гласит: если система совершает термодинамический цикл, т.е. возвращается в исходное состояние, то полное количество теплоты, сообщенное системе на протяжении цикла, (переданная ей энергия) равно совершаемой ею работе. Первое начало является фактически законом сохранения энергии для замкнутых систем, в которых превалирующими являются тепловые процессы.

Второе начало термодинамики, сформулированное в наиболее общей форме немецким физиком Рудольфом Клаузиусом (1876), утверждает, что энтропия замкнутой термодинамической системы возрастает, достигая максимального значения в состоянии равновесия.

Поскольку энтропия является мерой беспорядка (хаотичности процессов) в системе, то, согласно известной гипотезе, хаос во Вселенной постоянно возрастает и, в конце концов, ей грозит неизбежная тепловая смерть. Однако дальнейшие научные исследования показали, что Вселенную неправомерно рассматривать в качестве замкнутой системы. В том мире, в котором мы живем, системы являются открытыми и, нередко, находятся в неравновесных состояниях, а для таких систем второе начало термодинамики теряет свою силу. Разработав основы неравновесной термодинамики, И. Пригожин установил, что процессы, протекающие в системах, далеких от равновесия, могут трансформироваться во временные и пространственные структуры. Система становится чувствительной к своим собственным флуктуациям, которые могут превратиться в фактор, направляющий глобальную эволюцию системы (упорядоченные структуры через флуктуации, или «порядок – из хаоса»). То есть хаос в условиях открытости и неравновесности систем способен спонтанно порождать новый порядок.

И. Пригожин разработал упрощенную теоретическую модель для описания феномена самоорганизации, который можно наблюдать при определенного типа химической нестабильности (реакция Белоусова-Жаботинского), в так называемых химических часах. Эта модель была названа «Брюсселятором» в соответствии с именем Брюссельской научной школы, где она была изобретена.

Брюсселятор представлял собой модель открытой химической системы, в которой в ходе автокаталитической реакции спонтанно возникало неравномерное пространственное распределение концентраций реагирующих веществ, т.е. упорядоченная структура, характер которой не определяется внешним воздействием на систему. В систему постоянно вводились исходные вещества и энергия, необходимые для протекающей в ней химической реакции, и выводились конечные продукты реакции.

Пригожин предложил важный термин «диссипативная структура», подчеркнув при этом, что самоорганизация имеет место в таких средах, в которых происходят необратимые процессы, связанные с ростом энтропии, превращением механической энергии в тепловую и т.п. виды, т.е. с диссипацией (термин «диссипация» означает рассеяние, потерю энергии на излучение, трение, диффузию и т.д.). Открытость системы и наличие в ней диссипативных процессов является необходимым условием для возникновения в ней упорядоченных диссипативных структур. Этим самоорганизующаяся система существенно отличается от обычных «равновесных» систем (таких, например, как кристаллы или жидкости), которые прекрасно существуют без подобного обмена.

Например, памятник человеку тем дольше сохраняется, чем лучше он изолирован от внешних воздействий, тогда как сам человек, погребенный под руинами обрушившегося здания и лишенный воздуха, пищи и тепла, быстро прекращает свое существование. Потому что человек – это тоже диссипативная структура, высший ее образец, а самая важная особенность диссипативной структуры как раз и состоит в том, что она сочетает в себе порядок с хаосом, строит порядок не вопреки, а благодаря хаосу. Таким образом, было доказано, что в природе существует совершенно иной способ стремления материальной системы к устойчивому состоянию – своеобразный синтез порядка и хаоса (вместо простой замены их друг другом).