Основные положения неравновесной термодинамики. Синергетика – теория самоорганизации

В классической науке (XIX в.) гос­подствовало убеждение, что материи изначально присуща тенден­ция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исход­ному равновесию, к повышению энтропии, что в энергетическом смысле и означало неупо­рядоченность, т.е. хаос. Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием физической дисциплины — равновесной термодинамики.

После замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение органи­зации материальных объектов — от элементарных и субэлементар­ных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до наблюдаемых ныне звездных и галактических систем, стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического рав­новесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Стоит отметить, что постулат о способности материи к само­развитию в философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках (физике, химии) начинает осознаваться только сейчас. На волне этих про­блем и возникла синергетика — теория самоорганизации. Ее раз­работка началась несколько десятилетий назад, и в настоящее время она развивается по нескольким направлениям: это синер­гетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И. Пригожин) и др.

Главные синергетические идеи можно выразить следующим образом:

- процессы разрушения и созидания, деградации и эволю­ции во Вселенной по меньшей мере равноправны;

- процессы созидания (нарастания сложности и упорядо­ченности) имеют единый алгоритм независимо от природы сис­тем, в которых они осуществляются.

Синергетика — это некоторый междисциплинарный подход. Синергетика ориентирована на исследование принципов построения организации, ее возникновения, развития и самоусложнения.

Мир нелинейных самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем закрытых, линейных систем. Вместе с тем «нелинейный мир» сложнее моделировать. Как правило, для (приближенного) решения большинства возникающих нелинейных уравнений требуется сочетание современных аналитических методов с вычислительными экспериментами. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.п.

Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза в биологии и некоторых аспектов функционирования мозга до молекулярной физики и космологических процессов. Основной вопрос синергетики — существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций.

Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и неживой природе. Под са­моорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упо­рядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям:

- они должны быть открытыми, т.е. обмениваться вещест­вом или энергией с внешней средой;

- они должны также быть существенно неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равно­весия.

Объект изучения классической термодинамики — закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией. Открытые системы — это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию. Открытые системы — это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени. В открытых системах ключевую роль — наряду с закономерным и необходимым — могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается.

Но если большинство систем Вселенной носит открытый характер, то это значит, что во Вселенной доминируют не стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравновесность. Неравновесность, в свою очередь, порождает избирательность системы, ее необычные реакции на внешние воздействия среды. Неравновесные системы имеют способность воспринимать различия во внешней среде и учитывать их в своем функционировании. Так, некоторые более слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы.

Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер — при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению

Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние — диссипативность. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи. Диссипативные структуры - это такие открытые системы, в которых при больших отклонениях от равновесия возникают упорядоченные состояния.

Можно привести два ставших уже классическими примера организации упорядоченной структуры из хаотического движения. Первый относится к гидродинамической неустойчивости в жидкости, открытой в 1900 г. Бенаром. На поверхности жидкости возникает диссипативная пространственная структура, названная в честь этого исследователя ячейками Бенара. На подогреваемую снизу сковороду наливают масло с металлическими опилками и поэтому вверху образуется тяжелый слой. За счет подогрева, т.е. возникающего градиента температур, в результате действия силы тяжести и выталкивающей архимедовой силы подогретые легкие и тяжелые верхние слои стремятся поменяться местами. До какого-то момента эти внутренние движения гасятся силами вязкости, но при достижении некоторой критической разности температур возникает организованный конвекционный поток и поверхностный слой масла вдруг, скачком, разделяется на правильные шестиугольные ячейки, напоминающие пчелиные соты, которые можно увидеть, покачивая сковородку.

Другой пример относится к самопроизвольным периодическим химическим реакциям, впервые открытым Б. Белоусовым в 1951 г. При реакции окисления лимонной кислоты с катализатором возникали в определенной последовательности окислительно-восстановительные процессы, и раствор самопроизвольно периодически менял цвет. Подобные реакции в дальнейшем широко исследовались и использовались для разных веществ и получили название реакций Белоусова - Жаботинского.

Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и силь­но неравновесных систем протекает путем нарастающей сложно­сти и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблю­даются две фазы:

1. Период плавного эволюционного развития с хорошо пред­сказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию.

2. Выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

Важная особенность: переход системы в новое устойчивое со­стояние неоднозначен. Достигшая критических параметров сис­тема из состояния сильной неустойчивости переходит в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состоя­ний. В этой точке (ее называют точкой бифуркации) эволюцион­ный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана — решает случай. Но после того как «вы­бор сделан» и система перешла в качественно новое устойчивое состояние, назад возврата нет. Процесс этот необратим. А отсю­да следует, что развитие таких систем имеет прин­ципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать вари­анты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем, однозначно спрогнозировать нельзя.

В обоб­щенном виде новизну синергетического подхода можно выра­зить следующими позициями.

1. Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструк­тивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотич­ность). Порядок и хаос не исключают, а дополняют друг друга: порядок возникает из хаоса.

2. Линейный характер эволюции сложных систем, к которо­му привыкла классическая наука, не правило, а скорее исклю­чение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда сущест­вует несколько возможных путей эволюции

3. Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точках бифуркации. Следовательно, случайность встроена в механизм эволюции.

Синергетика родом из физических дисциплин — термодина­мики, радиофизики, но ее идеи носят междисциплинарный ха­рактер. Они подводят базу под совершающийся в естествозна­нии глобальный эволюционный синтез. Поэтому в синергетике видят одну из важнейших составляющих современной научной картины мира.

Вопросы для самоконтроля:

1. В чем отличие молекулярно-кинетического и термодинамического подходов?

2. Почему невозможен вечный двигатель первого рода?

3. Каково соотношение энтропии и информации?

4. Что понимают под «демоном Максвелла»?

5. В чем принципиальное отличие неравновесной термодинамики от классической?

6. Что понимают под «точкой бифуркации»?