Концепции современного естествознания. Шпаргалки

В классической термодинамике процессы могут идти только по одному сценарию – система, развиваясь по линейным законам, приходит в равновесие. В неравновесной термодинамике выбор сценария зависит от множества факторов, то есть случайность и вероятность являются объективными свойствами системы, а ее развитие подчиняется нелинейным законам. Эта нелинейность выражается в неожиданных, непредсказуемых поворотах системы, в связи с выбором путей ее развития.

Примером такой постоянно открытой изменяющейся системы является наша Вселенная – в ней постоянно происходят перемены, образуются и погибают крупные структуры, меняется их расположение или порядок, но сама система продолжает существовать. Она существует благодаря происходящим переменам, существует, пока эти перемены происходят. Такой системой является та или иная цивилизация, которая проходит этапы развития от рождения до прекращения существования: как только энтропийные процессы достигают максимума, у нее остается один путь – к разрушению, цивилизация погибает, а из ее осколков складываются или не складываются новые цивилизации.

Основными понятиями синергетики являются порядок и хаос, открытость, нелинейность, диссипативность, бифуркация, аттрактор, фазовая траектория. Самоорганизующаяся система в силу своей незамкнутости и существования обратных связей способна преобразовать хаотическое движение своих элементов во внутреннюю структуру, в ней постоянно идет борьба между движением к хаосу и движением к упорядоченности. Открытость выводит систему из жесткого детерминизма. Нелинейность приводит к многовариантности путей развития. Диссипативность приводит к созданию внутри системы упорядоченных структур. Бифуркации являются точками выбора нового сценария, ведущего либо к нарастанию энтропии, либо к упорядочиванию структур и усложнению системы. Аттракторами называются точки, к которым стремится система, отошедшая от первоначальных параметров, дающих ей один путь для развития и один конечный результат. Фазовые траектории (состояния) показывают эволюцию системы в абстрактном (математическом) пространстве с координатами компонент состояния. Чем более сложной кривой описывается состояние системы в направлении аттрактора, тем более сложна и сама система.

115. Самоорганизация в неживой природе

В неживой природе при необходимых условиях могут возникать самоорганизующиеся системы. Ярким примером (давшим теорию катастроф) является поведение песка, когда его насыпают тонкой струйкой: песок сначала просто создает слой, затем образуется растущий конус, при достижении критической высоты верх конуса обваливается, и процесс начинается снова. В основу синергетики были положены эффекты, полученные Хакеном при изучении работы лазера.

В лазере используют рубиновый стержень с закрепленными на обоих концах резонаторами (зеркалами), на который дают мощный луч света; атомы в стержне приходят в движение, ускоряются, и стержень начинает испускать излучение, на начальном этапе слабое и хаотичное. При достижении пика мощности хаотичное движение атомов структурируется, становится согласованным, а излучение лазера достигает упорядоченности (когерентности).

В природе при совмещении определенных условий (отсутствии перепада горизонтального атмосферного давления) образуются перистые облака, имеющее характерную структуру в виде расположенных на равных расстояниях отдельных перьев. Явление в науке получило наименование кооперативного эффекта, точно того же, что превращает хаотичное излучение в направленный и мощный луч лазера.

Другой эффект самоорганизации связан с образованием ячеистых структур (конвективных ячеек Бенара), которые можно получить экспериментально с помощью нехитрого опыта: в сковороду наливают минеральное масло, смешанное с алюминиевыми опилками, и начинают нагревать; сначала температура из нижнего слоя масла передается в верхний при помощи обычной теплопроводности, движение опилок хаотично, но по мере увеличения температуры картины меняется – разрыв температур между нижним и верхним слоем становится критическим, опилки выстраиваются в виде шестигранных призм, то есть система организуется и образует внутреннюю структуру, которая самостоятельно поддерживает оптимальную скорость тепловых потоков, заставляя масло двигаться в верхней части призмы от центра к краям, а в нижнем – от краев к центру.

Аналогичные эффекты были открыты и для химических систем (эффект Белоусова– Жаботинского), когда в ходе реакции между малоновой кислотой и бромидом калия возникали концентрические волны и колебательное изменение цвета с красного на синий и синего на красный.

116. Самоорганизация в общественных системах