Диссипативные структуры

КЫРГЫЗСКО-РОССИЙСКИЙ СЛАВЯНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЕСТЕСТВЕННО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

«Диссипативные структуры.»

ВЫПОЛНИЛ СТУДЕНТ ГР. ИВТ-1-97

ШИЛОВ ПАВЕЛ

БИШКЕК 2000

Согласование поведения осуществляется благодаря связи между подсистемами. Универсальным механизмом связи подсистем выступает поле - пространственно-временная неравномерность распределения управляющего параметра. Для опыта Бенара это будет поле распределения температурного градиента, поскольку оно в каждый момент определяет характер движения частиц. Такие структуры, образующиеся в неравновесной области вследствие притока отрицательной энтропии и характеризующиеся кооперативным поведением подсистем, Пригожин назвал диссипативными (от франц. dissipation - расселение, растрата). Изложив обе концепции, попытаемся соотнести описанные в них феномены.

Различия в описаниях носят прежде всего методический характер. Диссипативные структуры описаны для всех уровней структурной организации от субатомного (лазер) до организменного (агрегация у амеб). Этническая система - явление популяционного уровня. Понятно, что лабораторный эксперимент, применяемый на объектах низких уровней организации, в этногенезе применен быть не может. Однако методика этнологии остается естественнонаучной, поскольку вместо эксперимента применяется метод эмпирического обобщения проверенных наблюдений. В.И.Вернадский считал, что такой метод дает результаты по достоверности аналогичные наблюденному факту. Следовательно, методическая разница работ Л.Н.Гумилева и И.Пригожина не принципиальна. Сходство описанных феноменов должно проявляться в тождестве поведения диссипативных структур и этнической системы. Так как поведение диссипативных структур разных уровней аналогично, ограничимся сопоставлением поведения этнической системы и диссипативной структуры организменного уровня - агрегация амеб-слизевиков.

Слизевики - одноклеточные организмы, но агрегируясь в колонию, ведут себя подобно многоклеточным. В первой фазе роста организм существует в виде отдельных амеб. Затем рост прекращается и во второй фазе некоторые амебы начинают выделять в среду особой вещество - цАМФ. Выделение ими порций цАМФ создает градиент его концентрации, причем другие амебы сначала мигрируют под действием градиента к "центрам", а затем и сами начинают испускать сигналы цАМФ к периферии. Испускание коллективных сигналов позволяет каждому "центру" контролировать порядка 10 амеб, так что колония ведет себя как единый организм. В конце второй фазы колония мигрирует до тех пор, пока не обнаружит участок среды, пригодный для образования плодового тела. Если такой участок найден, колония дифференцируется. Третья фаза развития колонии слизевиков - образование плодового теле, когда в результате дифференциации образуется стебель, несущий мириады спор. Приведенное описание позволяет перенести проекцию на исторический материал. Если взять в качестве материала этногенез античного мира (суперэтноса толчка VIII в. до н. э.), то можно проследить аналогичные фазы в эволюции поведения. В первой фазе - пассионарном подъеме, пришедшемся на VIII-VII вв. до н. э., античный мир существовал в виде отдельных полисов. Подчинение в эту эпоху считалось эквивалентом рабства, поэтому никаких попыток консолидации не возникало.

Вторая фаза - акматическая - падает в античном мире на V-III вв. до н. э. В эту эпоху пассионарность суперэтноса была максимальна и начался процесс консолидации вокруг наиболее пассионарных центров суперэтноса. В качестве таковых поочередно выступали Афины, Спарта, Фивы и, наконец, дикая Македония. Это эпоха союзов, нашедшая свое окончательное выражение в империи Александра Великого, К концу этой фазы, еще при жизни Александра, проявляет себя тенденция к миграции пассионарности из старых центров к новым, расположенным на периферии античного мира - Александрии, Антиохии и другим. После смерти Александра его империя дифференцируется на отдельные царства диадохов.

Третья и четвертая фазы - надлом и инерция - связаны с падением пассионарности системы. Этот спад в течение II в. до н. э. - II в. вывел на первое место Рим, лежащий на окраине этноландшафтного ареала суперэтноса. Именно в инерционной фазе этногенеза создалась античная цивилизация - Pax Romana - как результат этногенеза Античного мира.

Такое же сходство с поведением этноса легко отметить и для диссипативных структур всех других уровней организации. Так, аналогии с лазером позволяют смотреть на этногенез как на эффект усиления живого вещества биосферы при помощи космического излучения, что косвенно подтверждает высказанную Гумилевым гипотезу происхождения пассионарных толчков.

Такое же сходство с поведением этноса легко отметить и для диссипативных структур всех других уровней организации. Так, аналогии с лазером позволяют смотреть на этногенез как на эффект усиления живого вещества биосферы при помощи космического излучения, что косвенно подтверждает высказанную Гумилевым гипотезу происхождения пассионарных толчков.

Эти аналогии - свидетельство единой природы этногенеза и диссипативных структур. Действительно, у этносов есть все основные признаки и свойства последних. Равновесным состоянием этносов является этноландшафтный гомеостаз, а условия равновесия в разных этносах также приводят к одинаковым макроскопическим результатам. Именно поэтому этносы, находящиеся в гомеостазе, имеют схожие стереотипы поведения (индейцы Северной Америки, горцы Тибета, палеоазиаты Сибири и Дальнего Востока). Потоком отрицательной энтропии (энергии) выступает пассионарность, хотя ее поступление в этнос опосредовано космическим излучением, мутацией генофонда и воспроизведением пассионарного признака в потомстве. Следовательно, управляющим параметром в этногенезе надо считать уровень пассионарного напряжения в системе (разность уровней пассионарности в данный момент времени и в гомеостазе). Принцип связи подсистем в этносе (комплиментарность) также базируется на феномене поля, порожденного управляющим параметром (пассионарностью). Поэтому самоорганизация в этносфере - это образование этнических разных рангов (субэтносов, этносов и суперэтносов). Она также связана с достижением критических управляющих параметров (определенных значений уровня пассионарного напряжения), так как образование субэтносов, этносов и суперэтносов статистически совпадает с определенными временными интервалами в процессе этногенеза. Подобным образом основу самоорганизации в этносах составляет согласованное (кооперативное) поведение, манифестирующееся через общность этнического стереотипа поведения. Таким образом, в этнической истории находит блестящее подтверждение высказывание основоположника синергетики Г.Хакена: "Кооперация многих подсистем какой-либо одной системы одним и тем же принципам, независимо от природы подсистем". Количество приведенных примеров можно увеличить до двух -трех десятков, охватив или изменение отношения системы ко времени и ее реакцию на внешние физические поля, механизмы фазового перехода и соотношение между детерминизмом и случайностью, характеристики отдельных фаз и роль флуктуаций. Однако все эти примеры носят все же частный характер. Гораздо более существенно единство функций этнической системы и диссипативной структуры.

И та и другая порождаются необратимыми процессами, односторонне направленными во времени (для этногенеза эту роль играет "историческое время" - процесс уравнения пассионарных потенциалов). И та и другая представляют собой форму адаптации к условиям внешней среды, и та и другая отражают глобальную ситуацию в этой среде: их размеры как системы во времени и пространстве на порядок и более превышают размеры составляющих их элементов.

С учетом всего вышесказанного правомерно рассматривать этническую систему как диссипативную структуру популяционного уровня. Такой вывод, выражающий контаминацию изложенных подходов Пригожина и Гумилева, обещает перспективы для дальнейших исследований в обоих направлениях. Теория этногенеза обогатится формально-математическими описаниями поведения диссипативных структур, результатами лабораторных экспериментов. Теория диссипативных структур получит возможность изучения долго идущего (1200-15000 лет) процесса самоорганизации, имеющего абсолютные хронологические датировки. В любом случае отмеченная контаминация даст возможность при нехватке материала методологического или фактического обращаться за аналогиями к объектам других уровней организации, где данные проблемы освещены полнее и четче.

А теперь мы можем вернуться к поставленному вначале вопросу о проблеме "единой географии". В свете вышеизложенного дискуссия о границе социального и природного в географических науках представляется несколько надуманной. Ведь свойство самоорганизации структур - атрибут природных процессов. Процессы техногенеза сами по себе не обладают такой способностью, поскольку в технических устройствах лишь используются, подобно природным ресурсам, и природные процессы самоорганизации. Они-то и обеспечивают работу технических устройств благодаря внешним (конструктивным) ограничениям, закладываемым человеком при разработке машины или прибора. И хотя "демаркационная линия" между самоорганизующимися системами и техническими устройствами не может быть проведена вполне однозначно", применительно к географии еще раз подтверждается правота С.В.Калесника, указавшего на качественное отличие природных и социальных процессов в географической среде, что отнюдь не отрицает необходимости интеграции в географических науках.

Диссипативные структуры являются результатом развития собственных внутренних неустойчивостей в системе. Процессы самоорганизации возможны при обмене энергией и массой с окружающей средой, т. е. при поддержании состояния текущего равновесия, когда потери на диссипацию компенсируются извне. Эти процессы описываются нелинейными уравнениями для макроскопических функций.

Возникновение макроскопических структур обусловлено рождением, под действием крупномасштабных флуктуаций, коллективных типов движения (мод), их конкуренцией, подавлением одних и развитием тех, которые наиболее приспособляемы к данным условиям. Сходство процессов возникновения диссипативных структур с фазовыми переходами в равновесных системах дало основание называть их неравновесными (кинетическими) фазовыми переходами. Формальная общность кинетических и равновесных фазовых переходов заключается в кооперативном характере процесса, обусловленном тем, что в системе, обладающей бесконечным числом степеней свободы, находится одна или несколько таких, изменение которых подчиняет себе изменение остальных.

Таким образом, в отличие от неравновесной статистической физики замкнутых систем, где анализируются процессы релаксации, приближение к равновесному состоянию, синергетика (термодинамика открытых систем) рассматривает обратный процесс создания и эволюции все усложняющихся диссипативных структур, когда системы стремятся к менее вероятному состоянию, эволюционируют с уменьшением энтропии. Так как в процессе усложнения требуется все большее число параметров для их описания, то структуры приобретают индивидуальность, неповторимость. В обратном процессе возвращения к положению термодинамического равновесия поведение различных систем становится схожим и, в конце концов, единственным параметром, определяющим функции распределения, становится температура.

Диссипативные структуры можно разделить на временные, пространственные и пространственно-временные. Примерами временных структур являются периодические, колебательные и волновые процессы. Типичными примерами пространственных структур являются: переход ламинарного течения в турбулентное, переход диффузионного механизма передачи тепла в конвективный. Характерные примеры: турбулентность, ячейки Бенара и сверхрешетка пор.

Развитие турбулентности начинается при достижении числом Рейнольдса критического значения. Ламинарное течение становится неустойчивым, возникают стационарные колебания скорости движения, затем более сложное движение до, все увеличивающимся числом характерных частот. Это чрезвычайно сложное квазипериодическое движение иногда называют динамическим хаосом. Однако понятие хаоса в этом случае не имеет ничего общего с хаотическим тепловым движением молекул в равновесном состоянии. Турбулентное движение является макроскопическим, обусловленным большим числом возникших корреляций. Число степеней свободы, необходимых для его описания, по некоторым оценкам достигает 10⁹. Возникшие макроскопические связи увеличивают внутреннюю упорядоченность системы, что проявляется в возникновении интерференционных пятен в световой волне, прошедшей через турбулентность. Важность анализа турбулентности следует из того, что большая часть Вселенной заполнена веществом, находящимся в турбулентном движении.

Ячейки Бенара представляют собой структуры, напоминающие пчелиные соты, которые возникают в вязкой жидкости, подогреваемой снизу, после того, как градиент температуры превышает некоторое критическое значение. Весь слой жидкости распадается на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определенным соотношением между высотой и стороной. В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней опускается. В приповерхностном слое жидкость растекается от центра к краям, а в придонном - от границ призм к центру. При таком типе согласованного движения поток энтропии из системы максимален. Грандиозная структура подобных ячеек имеется на Солнце. Она образует конвективную зону сферической формы толщиной 10⁵ км. Именно эта зона обеспечивает перенос на поверхность Солнца энергии, высвобождающейся за счет термоядерных реакций в его недрах.

При непрерывном облучении металлов потоком частиц высокой энергии ионы выбиваются из узлов кристаллической решетки. Возникающие вакансии объединяются, образуя частички пустоты - поры. Обычно пространственное распределение вакансионных пор случайно и близко к равномерному. Однако при определенных условиях может образовываться решеточное распределение пор, симметрия и кристаллографические оси которого являются такими же как и у решетки основного кристалла. Впервые решетку вакансионных пор (ее также называют сверхрешеткой) наблюдал в 1971 году Д.Эванс в чистом молибдене, облучаемом при 870 С ионами азота с энергией - 2 МэВ.

Примерами пространственно-временных структур являются режим генерации лазера и колебательные химические реакции. Возникновение когерентного излучения в лазере происходит при достижении мощности накачки (подводимой энергии) порогового значения. Атомы или молекулы рабочего тела лазера, излучавшие до этого независимо друг от друга, начинают испускать свет согласованно, в одной фазе.

Фазовый переход в физике означает скачкообразное изменение физических свойств при непрерывном изменении внешних параметров. Неравновесный фазовый переход определяется флуктуациями. Они нарастают, увеличивают свой масштаб до макроскопических значений. Возникает неустойчивость и система переходит в упорядоченное состояние. Неравновесные фазовые переходы различной природы имеют общие характеристики. Прежде всего, упорядочение связано с понижением симметрии, что обусловлено появлением ограничений из-за дополнительных связей (корреляций) между элементами системы. Л. Д. Ландау в 1937 г. предложил общую трактовку фазовых переходов 2-го рода как изменение симметрии. В точке перехода симметрия меняется скачком. Также общим свойством кинетических фазовых переходов является наличие фундаментальной макроскопической переменной, позволяющей дать единое описание процесса упорядочения - параметра порядка. По своему физическому смыслу параметр порядка - это корреляционная функция, определяющая степень дальнего порядка в системе.

Синергетика выявила общность закономерностей развития объектов разного уровня организации. Разительное сходство уравнений, описывающих процессы в самых различных областях знаний позволяет говорить о структурном изоморфизме процессов самоорганизации любых систем. Для конкретных случаев меняются лишь параметры и значение входящих переменных. В химии, например, переменными являются концентрации реагирующих веществ. В биологии - численность организмов или биомасса, мембранный потенциал и т.д. Примером временной структуры в биологии является процесс «хищник- жертва». Периодические колебания численности популяции зайцев и питающихся ими рысей, прослеженные компанией по заготовке пушнины «Хадсон-Бей» в течение 90 лет описываются уравнением Лотки-Вольтерра. Это же уравнение описывает незатухающие концентрационные колебания в химических системах. С точки зрения неравновесной термодинамики, процесс Лотки - Вольтерра интересен тем, что описывает систему как бы бесконечно удаленную от состояния равновесия, но еще не перешедшую в неустойчивое состояние.

Деятельность организмов немыслима без автоволновых процессов, являющихся пространственно- временными структурами. Хорошо известно «чувство времени» у многих биологических объектов, начиная от простейших и кончая высокорганизованными. Разгадка «биологических часов» лежит в периодических автоволновых процессах. Говорят, что природа не терпит пустоты, но любит ритм и цикличность.

Ярким примером последовательности бифуркаций и кинетических фазовых переходов является морфогенез . Причем здесь наглядно проявляется самое глубокое, пространственное свойство этих переходов - скачкообразное изменение симметрии системы. Морфогенез - это возникновение тканей, органов и всей структуры организма в процессе его эмбрионального развития. Исходная яйцеклетка в первом приближении имеет форму шара. Эта симметрия сохраняется на стадии бластулы, когда клетки, возникающие в результате деления еще не дифференцированны. Далее сферическая симметрия нарушается и сохраняется лишь аксиальная симметрия. На стадии гаструлы нарушается и эта симметрия - образуется сагитальная плоскость, отделяющая брюшную полость от спинной. Усложнение системы сопровождается понижением ее симметрии. Справедливо выражение «порядок есть нарушение симметрии». Хаос в высшей степени симметричен: любая его точка подобна любой другой и все направления равноправны. Появление структуры сразу снижает симметрию.

Нарушения симметрии в ходе развития зародыша возникают спонтанно в результате неустойчивости симметричного состояния. Именно в это время малые изменения управляющих параметров (в данном случае химического состава окружающей среды) очень эффективно действуют на систему (зародыш). Появление в организме матери биологически активного вещества может привести к аномалии в развитии плода. Известным примером является запрещение талидомида, применявшегося как снотворное. У некоторой части принимавших его женщин рождались дети с многочисленными уродствами. Прием лекарства у них совпадал с моментом раскрытия неустойчивости в развитии плода.

При дальнейшем развитии организма происходит формирование структуры личности. Внешними факторами, приводящими к раскрытию неустойчивости в данном случае являются межличностные взаимодействия. В психологии известны многочисленные примеры неадекватной реакции подростков на незначительные события. Насмешка, просто неосторожное слово взрослых или сверстников иногда приводит к катастрофическим последствиям - уходу из дома, суициду. Каждый из читателей может вспомнить в своем прошлом моменты, когда какой-либо пустяк выводил его из равновесия (пользуясь терминологией синергетики - из состояния текущего равновесия).

Вернадский рассматривал жизнь на Земле как процесс имеющий космический источник энергии - Солнце. Причем основную роль в использовании солнечной энергии играют фотосинтезирующие организмы. Теория диссипативных структур выявляет более глубокую роль растительного покрова - обеспечение термодинамических условий существования жизни на планете. Земной шар вместе с живой и неживой природой является открытой, неравновесной системой. От Солнца поступает поток энергии в виде излучения. Существование на Земле упорядоченной структуры в виде биосферы возможно лишь при отводе в космическое пространство большего количества энтропии, чем приходит с солнечным излучением и вырабатывается в биосфере в результате диссипативных процессов. Можно сказать, что самоорганизация поддерживается за счет поглощения отрицательной энтропии. По предложению Бриллюэна отрицательную энтропию стали называть негэнтропией. Негэнтропийный рацион Земли составляет, по оценке Ребане, 10²² кал*град^-1 в год. Поглощая солнечное излучение растительный покров понижает эффективную температуру уходящего излучения, увеличивая поток отводимой энтропии. Это увеличивает энтропию Вселенной, но обеспечивает поддержание стационарного состояния на Земле. В этом проявляется общее свойство жизни как упорядоченной подсистемы - она ускоряет рост энтропии системы в целом, но создает упорядоченность локально. Постоянство негэнтропийного рациона Земли лежит, по-видимому, в основе закона Вернадского о сохранении биомассы на Земле.

Современный взгляд на динамическую систему Земля - Солнце выявил значение солнечной активности. Возникающие флуктуации электромагнитного и корпускулярного излучений Солнца не превышают 10^-3 от его общего потока, поэтому влияние солнечной активности на процессы, происходящие на Земле, раньше полностью отрицалось из-за энергетической малости. Однако сейчас установлено это влияние на самые разнообразные процессы в магнитосфере, верхнем и нижнем слоях атмосферы, гидро- и литосфере Земли. Воздействие происходит из-за сильной неравновесности ряда процессов в космическом пространстве, земной атмосфере и на самой Земле. Неравновесность же характеризуется наличием неустойчивостей. Солнечная активность выступает как спусковой крючок, приводящий к раскрытию этих неустойчивостей.

В настоящее время синергетические методы начинают находить применение в гуманитарных науках - экономике, социологии, психологии, лингвистике и т.д. В качестве конкретного социологического примера можно привести разработку Хакеном стохастической модели формирования общественного мнения, в которой содержится резкий переход между различными состояниями. Появляются попытки синергетического осмысления искусства.