Качественное описание процесса самоорганизации

В отличие от процессов, связанных с разрушением структур и переходом к беспорядку, которые объясня­ются тем, что хаотическое состояние является более ве­роятным, процессы образования структур долгое время оставались непонятными. Как уже упоминалось, суще­ствовало мнение, что эти процессы не подчиняются и про­тиворечат известным физическим законам. Чтобы понять причины, приводящие к самоорганизации, рассмотрим процесс возникновения электрических автоколебаний. Простейший эксперимент можно осуществить, имея уси­литель (например, магнитофон) и поднося микрофон, подключенный к входу усилителя, к громкоговорителю, подключенному к выходу усилителя. При малом усиле­нии или большом расстоянии между микрофоном и громкоговорителем мы услышим лишь бесструктурные шумы. Эти шумы обусловлены тем, что электрический ток, про­ходящий через громкоговоритель, не является строго по­стоянным, а хаотически изменяется в малых пределах, что, в свою очередь, вызвано флуктуациями плотности электронов.

Если увеличивать усиление или подносить микрофон ближе к громкоговорителю, начиная с некоторого мо­мента спонтанно может возникнуть гудение или свист, обусловленный автогенерацией электрического сигна­ла. Объясняется это тем, что в силу обратной связи, осу­ществляемой подачей выходного сигнала на вход, урав­нения, описывающие процессы в усилителе, являются нелинейными. При малом усилении (слабой обратной связи) отклонения от линейного приближения малы и флуктуации не приводят к существенному изменению тока. При увеличении усиления (усилении обратной свя­зи), начиная с некоторого порога, изменения тока, обу­словленные флуктуациями, начинают разрастаться, сис­тема выходит из первоначального состояния и возника­ет генерация.

Аналогично можно рассмотреть опыт с ячейками Бенара. При малой мощности нагревателя отклонение сис­темы от состояния статистического равновесия мало и соответственно малы отклонения от линейного прибли­жения. Процесс передачи тепла от более нагретого ниж­него слоя жидкости к менее нагретому верхнему обеспе­чивается теплопроводностью, то есть макроскопические потоки жидкости отсутствуют. Тем не менее в силу суще­ствования флуктуации в жидкости всегда имеются мик­ропотоки. При увеличении мощности нагревателя отклонение системы от положения статистического равновесия воз­растает, а с ней возрастают нелинейные эффекты, и с не­которого момента флуктуационные потоки начинают раз­растаться. Возникают уже макроскопические конвекци­онные потоки жидкости. Система переходит в состояние с новой фазой, возникают упорядоченные структуры.

Приведенный выше пример позволяют дать следую­щее объяснение процессам самоорганизации. Возникнове­ние структур в системе происходит, когда нелинейные эф­фекты, определяющие эволюцию и обусловленные внеш­ним воздействием на систему, становятся достаточными для разрастания флуктуации, присущих таким системам. Следует отметить, что определение параметров возникаю­щей структуры не является легкой задачей. Более того, часто при описании процессов самоорганизации не удается даже написать со­ответствующие уравнения эволюции, и рассмотрение проводится на основе некоторых упрощенных моделей. В последние годы для этой цели привлекается также ком­пьютерное моделирование.