Как происходит самоорганизация в открытых системах кратко

Обновлено: 04.07.2024

В статье рассматриваются примеры некоторых открытых нелинейных самоорганизующихся систем в природе. Синергетика рассматривается как инструмент исследования нестабильности и многообразия путей эволюции окружающего мира, позволяющий раскрывать условия существования и устойчивого развития сложных структур.

Ключевые слова

Текст научной работы

Как было отмечено в работе [1], появлению такого нового научного направления в естествознании, как синергетика, способствовали исследования в области математического моделирования сложных самоорганизующихся открытых систем. Ориентирована синергетика на изучение строения, возникновения, развития и самоусложнения таких систем.

Моделирование самоорганизующихся систем гораздо сложнее моделирования закрытых линейных систем, что связано в основном с решением нелинейных уравнений. Однако именно синергетика позволяет раскрыть условия возникновения и существования сложных структур, ответить на вопросы, связанные с их эволюционным развитием, позволяет строить модели различных катастрофических и других сложных развивающихся процессов. Она дает качественно новый толчок для обсуждения таких традиционных философских проблем, как случайность и детерминизм, хаос и порядок, открытость и эволюционность, часть и целое. Синергетика способствует развитию нового стиля научного мышления — эволюционного, нелинейного, интегративного [2 — 4].

Для всех изученных явлений самоорганизации определён набор существенных признаков:

самоорганизующаяся система состоит из совокупности достаточно большого количества элементов (является сложной);
системе свойственна открытость, нелинейность и неравновесность;
существует некоторый предел, при достижении которого за счет все увеличивающейся неравновесности системы, она переходит в неустойчивое состояние;
переход из неустойчивого состояния в новое происходит скачком за счёт быстрой перестройки элементов системы;
выход из неустойчивого состояния сопровождается согласованным поведением системы, и проявляется как переход в качественно новое состояние с упорядоченной структурой;
переход к одному из возможных состояний системы случаен.

Поэтому мы можем наблюдать огромное многообразие мира самоорганизующихся нелинейных систем, в отличие от ограниченного мира закрытых линейных систем. Однако, как уже было отмечено, такие самоорганизующиеся системы сложнее моделировать: для приближенного решения большинства нелинейных уравнений, описывающих поведение таких систем, требуется целый комплекс современных аналитических методов и вычислительных экспериментов, и, конечно же, применение мощной компьютерной техники (вплоть до кластерных систем).

Синергетика открывает для изучения такие аспекты окружающего мира, как нестабильность и многообразие путей эволюции, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать явления природного и техногенного характеров, и т.д. Исследования синергетики показывают, что даже в неорганической природе существуют системы, способные к самоорганизации. Таким образом, историю развития природы следует рассматривать в контексте усложнения, — образования более сложных нелинейных систем, приводящих, в свою очередь, к образованию еще более сложных, и т.д. Это и обеспечивает эволюцию природы на всех уровнях ее организации — от низших и простейших систем к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура).

К основным свойствам самоорганизующихся систем относятся свойства открытости, нелинейности и диссипативности. Таким образом, теория самоорганизации занимается изучением открытых, нелинейных диссипативных систем, далеких от равновесия. Здесь сразу полезно напомнить, что закрытые системы (системы, не обменивающиеся со средой веществом, энергией и информацией) представляют собой объект изучения классической термодинамики, в которой центральным понятием выступает понятие энтропии (свойственно закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии и характеризуемым некоторой температурой T).

Открытые системы поддерживаются в определенном (в частности, устойчивом) состоянии за счет постоянных притоков извне и (или) стоков во внешнюю среду вещества, энергии или информации. При этом притоку и стоку обычно свойственен объемный характер, т.е. происходящий в каждой точке конкретной системы. Такой постоянный обмен веществом, энергией и информацией есть необходимое условие существования неравновесных, неустойчивых состояний, которое отличает их от замкнутых систем со свойственным им стремлением к однородному равновесному состоянию [5]. Открытые системы являются необратимыми, в них важен фактор времени.

Практически все системы, наблюдаемые во Вселенной, носят открытый характер, именно поэтому ей свойственны развитие, эволюция и самоорганизация. Это в свою очередь означает, что Вселенная характеризуется не стабильностью и равновесием, а, напротив, неустойчивостью и неравновесностью. Стабильность и равновесность систем делает их не способными к самоорганизации.

Приведем некоторые примеры самоорганизации. Хорошо известны явления образования своеобразного рельефа песка (рис. 1) или снега под действием ветра (рельеф, похожий на волны), образования периодических ступенек в горных реках и водосливах плотин (рис. 2). Цунами (упорядоченная волна при хаотических процессах, сопровождающих землетрясение) и шаровая молния (устойчивое образование, возникающее при некоторых грозах), также являются примерами самоорганизации (рис. 3, 4). Согласованное поведение большого числа элементов среды демонстрируют смерчи в воздухе (рис. 5), косяки рыб (рис. 6), стаи птиц, конвективные ячейки (гранулы) на Солнце (рис. 7), течения в океане и циклоны в атмосфере. Спиральные рукава галактик — еще один яркий пример самоорганизации (рис. 8).

Рисунок 1. Волнообразные структуры на песке — проявление самоорганизации

Рисунок 2. Периодические ступеньки в горных реках

Рисунок 3. Цунами. Высота уединенной волны у берега может достигать 50 м., а скорость 200 м/с

Рисунок 4. Шаровая молния

Рисунок 6. Пример самоорганизации: косяки рыб

Рисунок 7. Пример самоорганизации: косяки рыб

Рисунок 8. Солнечная грануляция

Рисунок 9. Спиральная галактика М 31 (Туманность Андромеды)

Знакомый всем процесс конденсации водяного пара при его охлаждении также является процессом самоорганизации (рис. 9). Молекулы водяного пара при высоких температурах движутся свободно, и не оказывают существенного воздействия друг на друга (другими словами, их движение слабо коррелированно). Понижение температуры ведет к образованию капли жидкости, в ней характерные расстояния между молекулами уже вполне определены и с высокой степенью неизменны, а значит, их движение сильно скоррелированно. При дальнейшем понижении температуры и достижении точки замерзания вода превращается в кристаллы льда, в которых молекулы опять-таки расположены в определенном порядке.

Рисунок 10. Конденсация водяного пара на стенку сосуда

Согласованное поведение, возникающее самопроизвольно, можно наблюдать и среди клеток организмов в процессе морфогенеза (отвечает за организацию пространственного распределения клеток), среди элементов биоценозов (например, существование рангов в стаях, стадах, колониях), и т.д.

Избирательность неравновесных систем к внешним воздействиям среды позволяет им улавливать различия во внешней среде и учитывать их в своем функционировании. При этом некоторые слабые воздействия могут оказывать большее влияние на эволюцию системы, чем воздействия, хотя и более сильные, но не адекватные собственным тенденциям системы [5]. Это означает, что к нелинейным системам нельзя применять принцип суперпозиции: эффект от совместного действия двух причин может не иметь ничего общего с результатами воздействия каждой из причин по отдельности.

Открытые нелинейные неравновесные системы сами создают и поддерживают неоднородности в среде. При этом между средой и системой может наблюдаться положительная обратная связь, посредством которой система оказывает некоторое влияние на среду таким образом, что в последней возникают условия для начала изменений и перестроений в самой системе.

Открытым неравновесным системам, активно взаимодействующим с внешней средой, также свойственна диссипативность — особое динамическое состояние, связанное со своеобразным макроскопическим проявлением процессов, протекающих на микроуровне.

Диссипация как процесс рассеяния энергии и информации, играет конструктивную роль в образовании новых структур в открытых системах. Спонтанное формирование новых типов структур, переходы от хаотических (беспорядочных) режимов функционирования к порядку и организованной структуре в неравновесных системах, возникновение новых динамических состояний материи — все это возможно именно благодаря диссипативности.

Список литературы

Цитировать

Самоорганизация системы является объектом изучения синергетики. На первый взгляд может показаться, что эта сфера необходима только для ученых и их сложных вычислений и задач. Тем не менее с этим явлением мы сталкиваемся гораздо чаще, чем можно предположить.

Так, например, законы общества, функционирование коммерческих организаций как раз подчиняются правилам самоорганизации систем. В нашей статье мы расскажем, что это такое, какие черты являются необходимыми для таких систем, приведем примеры из природы и общественной жизни.

Понятие самоорганизации системы

Под определением самоорганизация понимается способность тех или иных систем к саморазвитию, самозарождению с использованием не только и не столько притока энергии, информации, вещества извне, сколько возможностей, заложенных внутри системы, то есть своего внутреннего потенциала.

По теории, когда самоорганизации систем налажена, то она способна функционировать без какого-либо воздействия со стороны и обретать различные структуры (временную, функциональную или пространственную). В данном случае воздействием можно назвать принуждение к определенным действиям и структурированию. При этом она функционирует обособленно.

Также можно сказать, что самоорганизация системы в природе и обществе – целенаправленный процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы.

Процессы организации и самоорганизации системы имеют существенные различия. Их объединяет лишь возрастание порядка, которое происходит из-за самого процесса. Стоит еще отметить, что организация имеет такую отличительную особенность, как формирование простых неизменных статических структур.

В результате самоорганизации системы появляются, вступают в контакт, а также вместе дают реакцию и даже имеют способность к восстановлению динамические объекты. Они более сложные, чем те, из которых они создаются.

Целенаправленность этих процессов зависит от характерного внутреннего устройства объектов в их как одиночном, так и коллективном существовании. Также от контакта со средой нахождения самой системы.

Поведение системы и ее элементов отличается спонтанностью действий, они не придерживаются абсолютно никакой строгой последовательности.

Вместе с процессами самоорганизации системы происходят и другие. Они могут иметь абсолютно иную нацеленность, и в разные жизненные периоды как занимать лидирующие позиции, так и спускаться на самые низшие ступени. Нужно сказать, что это либо никак не влияет на работу системы, либо приводит к значительному скачку развития или, наоборот, разрушению.

3 ключевые характеристики самоорганизующихся систем

Принцип самоорганизации системы состоит из трех ключевых моментов:

1. Открытость.

Классическая термодинамика изучает закрытые системы. Что это? Закрытая система – это та, которая не имеет никаких контактов с внешней средой. Вся эта наука в основном строится вокруг меры беспорядка и хаоса – энтропии. Как раз это и есть пример закрытой системы, которая находится в тепловом равновесии. Ее можно принять за единицу температуры Т.

Открытые системы самоорганизации характеризуются тем, что способны находиться в одном и том же состоянии благодаря постоянному потоку веществ извне, информации или энергии. Это необходимо для того, чтобы неравновесные состояния могли быть альтернативой замкнутым системам, которые стремятся к тому, чтобы пребывать в состоянии равновесия. Что соответствует второму началу термодинамики. Открытые системы не позволяют процессам повторяться или видоизменяться. Ключевой фактор для них – это время.

Автор и ведущая женских тренингов по гармонизации женской энергии. Мастер по снятию ограничивающих убеждений и мастер расстановок.

Я подготовила для вас три урока, которые помогут вам лучше понять себя, снять ограничения, мешающие почувствовать себя любимой и жить счастливо.

Видео-урок с медитацией: 5 состояний женственности

Вы узнаете про 5 женских состояний, которые есть в каждой женщине, как они проявляются и какие архетипы у вас больше всего проявлены, а какие не развиты.

Видео-урок + медитация: Как отпустить прошлые отношения

Рассказываю, что необходимо сделать, чтобы освободить свое сердце от старых чувств, и разорвать энергетические нити связывающие вас с прошлым партнером.

Благодаря этой нейро-аффирмации вы сможете вернуть любовь к себе и почувствовать искреннюю благодарность и счастье за каждый свой день.

И начать новую, счастливую для себя жизнь.

Вместе с закономерными и необходимыми большую роль играют и случайные факторы, отклонения (флуктуация). Бывают случаи, когда они начинают доминировать, и в итоге вся существующая цепочка разрушается.

2. Нелинейность.

Системы Вселенной чаще всего носят открытый характер, это говорит о том, что они скорее изменчивы и нестабильны, чем наоборот. Эта нестабильность становится причиной избирательности и нестандартных реакций на воздействия извне. Они могут приспосабливаться к изменениям внешней среды и учитывать это в своей работе.

Иногда большое влияние на развитие системы оказывают именно слабые воздействия. Пусть существуют и более сильные, но они не соответствуют ее нормальному функционированию. Другими словами, принцип суперпозиции не подходит для нелинейных систем. Например, некоторые действия, которые совершаются по причине А и В, дают результат, совершенно отличающийся от их отдельного воздействия.

Нелинейные системы иногда служат точкой отсчета. Когда происходят постепенные изменения внешних условий, то сама система изменяется довольно резко. В состоянии нестабильности еле уловимые волны могут превратиться в огромные цунами, которые сломают сформировавшуюся структуру и смогут ее полностью изменить в лучшую сторону.

Из-за того, что нелинейные системы нестабильны и открыты, они сами создают и формируют эту нестабильность и поддерживают ее. Именно тогда система и среда начинают обмениваться положительными связями. Система оказывает влияние на среду, и та создает все необходимые условия, которые впоследствии способствуют ее изменению. Как пример можно привести химический опыт: происходит реакция с участием определенных веществ, ее результатом является выработка компонента, который в итоге становится помощником в собственном производстве.

3. Диссипативность.

Существует особое динамическое состояние – диссипативность. Оно возможно как результат взаимодействия открытой неравновесной системы и внешней среды. Диссипативность – это особенные макроскопические процессы, которые происходят на микроуровне. Любые самые незначительные явления приобретают интегративный результат на макроуровне. Это разительно отличается от работы каждого микроэлемента в отдельности. Благодаря этому особому динамическому состоянию в неравновесных системах могут совершенно случайно образовываться новые структуры, возникать новые динамические состояния материи и хаотичные движения сменяться упорядоченными.

Формы диссипативности бывают различными. Например, невозможность долго удерживать в памяти информацию о влиянии извне в отборе микропроцессов, который происходит вполне естественно и позволяет удалить все ненужное; согласованность микропроцессов, которые диктуют их развитие в целом и т. п.

Виды самоорганизации систем

Рассмотрим основные закономерности самоорганизации систем в качестве процесса и явления. Ее суть как процесса – сформировать четкий план, как нужно действовать, чтобы добиться необходимых стабильных реакций в системе. Суть же явления – объединить все составляющие в единое целое для успешной программы или достижения целей, основанных на существующих правилах и процедурах.

Самоорганизация как процесс и явление бывает трех видов:

Техническая. Как процесс – это смена последовательности действий, которая происходит, когда у управляемого объекта изменяются свойства, преследуемые цели или внешняя среда. Как явление – набор определенных необходимых функций, которые помогают поддерживать рабочее состояние независимо от условий. Существуют три вида технической системы самоорганизации: самообучающийся, самонастраивающийся и самоорганизующийся.

Биологическая. Ее суть как процесса – сохранить вид с помощью генетической программы. С ее помощью объект обретает телесную оболочку (как явление).

Социальная. Как процесс представляет собой общественно-социальную программу, которая помогает достичь гармонии общественных отношений с учетом меняющихся жизненных приоритетов, мотивов и целей, зависимых от времени.

Перечислим несколько основных качеств, которые показывают самоорганизованность человека или организации – активность, твердость, упорство, уверенность, адекватная оценка своих возможностей, контроль эмоций, выдержка, умение предугадывать ход событий, индивидуальность.

Пример возникновения самоорганизации системы

С помощью опыта с образованием ячеек Бенара мы можем более подробно изучить процесс самоорганизации системы. Опыт состоит в следующем: вязкую жидкость (допустим, масло) нагрели до необходимой температуры и наблюдали за ней. В результате было выявлено, что в ней образовались структуры в определенном порядке (конвекционные ячейки).

При нагревании жидкости в ее верхнем и нижнем слое происходит перепад температур. Вследствие этого возникают флуктуационные потоки жидкости. Они не имеют какого-то определенного порядка. При этом ячейки не образуются. Это возможно, потому что перепад температуры не слишком большой. Чем дольше происходит процесс нагрева, тем отчетливее наблюдается процесс флуктуации, который увеличивается, и бесструктурное положение жидкости становится все более неустойчивым. Происходит образование структур в виде цилиндров (конвекционные потоки жидкости). Интересно, что жидкость возле краев ячеек опускается вниз, а ближе к центру – поднимается.

На этом примере мы можем сделать вывод, что источником порядка вполне может стать неравновесность.

Эти свойства самоорганизации проявляются только в процессе функционирования системы, но не являются природными. Поэтому вполне возможно развитие нового живого организма (эмбриона) считать тоже процессом самоорганизации. Для того, чтобы сформироваться, зародыш проходит через несколько точек бифуркации. Именно спонтанные нарушения определенного порядка и становятся причиной образования нового организма. Изменения происходят резко. В этих точках развивающийся организм наиболее подвержен негативному влиянию извне.

Когда в процессах самоорганизации системы имеют место необратимые изменения, чаще всего это становится причиной образования новых структур и разрушения старых.

Пример социальной самоорганизации системы

Современный бизнес невозможно представить без процесса самоорганизации и его широкого использования для достижения определенных результатов. Даже в известных на весь мир компаниях процессы самоорганизации и самоуправления системы играют очень важную роль.

С одной стороны, самоорганизацию можно достичь путем, не утвержденным в законодательном порядке, с другой – вполне возможно поставить перед собой четкие цели, расписать пути их достижения.

Когда компания настроена на курс построения наиболее благоприятных отношений (организация/самоорганизация), она, как правило, создает новые организационные формы. Они становятся дополнением к уже существующим моделям взаимодействия.

Что такое самоорганизация среди сотрудников:

достижение поставленной цели за минимальное количество времени, энергии и материалов;

умение четко распределить время для наибольшей производительности;

проработанный пошаговый план действий.

Ключевые роли самоорганизации и самоуправления:

Устранение пробелов в непрофессиональной деятельности управленца.

Развитие формальной организации и управления.

С помощью самоорганизации между сотрудниками сознательно строятся производственные отношения. Любая компания может быть успешной только при условии множества налаженных процессов. Таких, как документооборот, финансовые потоки, принятие различных решений и т. п. И каждый из этих процессов делится на множество задач и этапов выполнения. Законы синергетики самоорганизационной системы позволяют все эти процессы объединить в одно целое – для достижения единой цели.

В процессе самоорганизации системы стоит уделить особое внимание целеполаганию и управлению. Благодаря кибернетике управление экономической системой происходит через обработку социально-экономической информации, принятие важных управленческих решений о работе системы и их реализацию.

Можно сделать вывод, что самоорганизация является неотъемлемой частью организации. Но в любом случае не стоит забывать про человеческий фактор: у каждого свой уровень знаний, свои цели, мотивы и ценности. Поэтому самоорганизация и организация системы должны быть как два взаимодействующих сосуда, которые случайно или осознанно помогают развиваться социальным системам и позволяют избежать значительных проблем.

Открытая система – система, которая обменивается веществом и энергией с внешним по отношению к системе миром. К открытым системам принадлежат, например, все живые организмы и химические системы с непрерывно протекающими химическими процессами и др.

Нелинейность – термин, введённый синергетикой и означающий множество путей эволюции системы и возможность выбора из данных альтернатив; это труднопредсказуемость будущего состояния системы на основе существующего, поскольку малые воздействия внешней среды могут приводить к очень большим последствиям, а большие - к совершенно незначительным. Это делает такие системы, с одной стороны, исключительно устойчивыми по отношению к крупномасштабным неблагоприятным воздействиям, а с другой стороны - необычайно чувствительными к очень незначительным колебаниям состояния среды.

Флуктуации – (от лат. fluctuatio колебание) случайное отклонение мгновенного значения от среднего; в синергетике флуктуации при определённых условиях вырастают до масштабов системы и могут послужить началом образования новой структуры

Бифуркация – состояние системы, находящейся перед выбором возможных вариантов функционирования или путей эволюции (развилка дорог). В точке бифуркации (на перепутье) система находится в неравновесном состоянии, где малейшие флуктуации или случайные обстоятельства могут кардинально изменить направление дальнейшего развития, закрывая тем самым возможности движения альтернативным путём.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 10 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд., испр. – М.: Просвещение, 2017.: с 207 – 210.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Открытие процессов самоорганизации в различных открытых системах различной природы (физических, химических и др.), показывают схожесть и взаимосвязь таких процессов в живой и неживой природе. С точки зрения самоорганизации очевидно, что весь окружающий нас мир представляет собой совокупность разнообразных самоорганизующихся систем, процессы в которых являются фундаментом любой эволюции.

Напомним, что под самоорганизацией понимается процесс изменения структуры системы под действием только внутренних факторов. При этом сам процесс самоорганизации не противоречит закону возрастания энтропии, поскольку он сформулирован только для закрытых систем, для которых характерно стремление к максимальному беспорядку, хаосу, простоте, неизменности. Все реально существующие системы являются открытыми, для которых характерно многообразие, усложнение структурной организации. В любой закрытой системе можно обнаружить самоорганизующуюся систему, однако суммарная энтропия этой замкнутой системы будет возрастать в соответствии с законом.

Особенности систем, способных к самоорганизации. Чтобы из бесструктурной субстанции образовались упорядоченные структуры, система должна обладать определёнными свойствами.

Как мы уже сказали, система должна обмениваться веществом, энергией информацией с окружающими телами и средой, т.е. быть открытой.

Система оказывается способной к возникновению новых структур, если она находится в неустойчивом, неравновесном состоянии. Это нарушение равновесия вызывается внешними силами. Так возникновение ячеек Бенара связано с нагреванием в микроскопических областях.

Возникновение спонтанных возмущений, иными словами - флуктуаций, способствующих возникновению новых структур возможно лишь в системах с большим количеством частиц. Такими флуктуациями, например, можно объяснить броуновское движение. При незначительном количестве частиц это явление мы бы не наблюдали.

Эволюцию самоорганизующихся систем невозможно однозначно предсказать. Поскольку даже малейшее воздействие могут оказать существенное влияние на развитие системы, а большие - к совершенно незначительным. Поэтому при математическом описании процессов самоорганизации используют нелинейные уравнения.

Как происходит самоорганизация. Для качественного описания процесса самоорганизации обратимся к опыту с образованием ячеек Бенара. Напомним, что суть явления состоит в том, что при нагреве вязкой жидкости (например, масла) до определённой температуры в ней возникают упорядоченные структуры –конвекционные ячейки.

Нагрев приводит к возникновению перепада температур между верхними и нижними слоями, в результате возникают хаотические флуктуационные потоки жидкости, но при этом ячеек не наблюдается, поскольку невелика разность температур, а значит система близка к состоянию равновесия. При дальнейшем нагреве, флуктуации разрастаются и бесструктурное состояние жидкости становится неустойчивым. В результате образуются цилиндрические структуры – конвекционные потоки жидкости. Отметим, что жидкость вблизи граней каждой из ячеек движется вниз, а поднимается в центральной области.

Таким образом, изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а напротив, накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры. Поскольку образование структур связано со случайными процессами, можно образно сказать, что в данных условиях система находится на развилке путей в будущее. Возникновение ячеек в той или иной части поверхности не предсказуемы и развитие процесса всегда неоднозначно. Такое изменение числа (или устойчивости) решений называется бифуркацией (от латинского слова “развилка”), а точка, в которой это происходит, – точкой бифуркации. При этом происходит нарушение симметрии. В частности, в ячейках потоки движутся в разных направлениях (по часовой стрелке и против), что при однородном состоянии не наблюдается.

Этот пример иллюстрирует, что неравновесность может быть источником порядка.

Приведённые свойства самоорганизации касаются только процесса, но не природы системы. Поэтому например, эмбриональное развитие организма можно также рассматривать как процесс самоорганизации. При формировании, зародыш проходит через ряд точек бифуркаций, можно наблюдать спонтанные нарушения симметрии, в результате которых происходит формирование организма. Неустойчивые состояния сменяются равновесными скачкообразно. Именно в этих точках, развивающийся организм наиболее уязвим к негативным факторам внешней среды.

Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1. Выберите один правильный ответ.

Точка бифуркации - это:

геометрическая точка;
точка на траектории движения тела;
состояние неустойчивости;
состояние устойчивости.

Ответ: состояние неустойчивости

Пояснение: бифуркация от латинского слова “развилка”, термин используется в синергетике при описании самоорганизующихся систем

Задание 2. Выделите цветом правильный ответ.

Открытая система – это:

А) понятие, выражающее динамику, развитие сложных систем и мира в целом как их фундаментальную характеристику;

Б) система, обменивающаяся с окружающей средой веществом, энергией и информацией, способна творить порядок из хауса путём локализации структур;

В) понятие, выражающее, прогрессивные качественные изменения в системе;

Г) правильного ответа нет.

Ответ: система, обменивающаяся с окружающей средой веществом, энергией и информацией, способна творить порядок из хауса путём локализации структур

Проблема самоорганизации связана с философским осмыслением термодинамики открытых систем (физической синерегтикой). Под открытой системой подразумевают такую, которая взаимодействует с окружающей средой, т. е. обменивается с этой средой веществом или энергией или тем и другим - одновременно. Напротив, замкнутой системой называется такая, которая изолирована от внешних воздействий (нет обмена со средой веществом и энергией).

Согласно Термодинамики открытых (И. Пригожин) в открытых системах в состоянии, далеком от равновесия, вероятность образования упорядоченных структур макроскопического масштаба может быть сколь угодно большой.

Таким образом, самоорганизация, невозможная в замкнутых системах, оказалась возможной и реально наблюдаемой в открытых системах.

Из изложенного ясно, что центральной проблемой теории самоорганизации является проблема взаимоотношения порядка и хаоса. Общеизвестно, что различные типы порядка и хаоса нестабильны и склонны переходить друг в друга: то там, то здесь упорядоченные структуры становятся неупорядоченными (порядок переходит в хаос), а неупорядоченные - упорядоченными (хаос превращается в порядок). Обратим внимание, что такие переходы имеют более фундаментальный характер, чем переходы одних упорядоченных структур в другие упорядоченные же структуры и, соответственно, одних неупорядоченных в другие неупорядоченные.

Пригожин показал, что в природе существует совершенно новый способ стремления материальной системы к устойчивому состоянию — своеобразный синтез порядка и хаоса (вместо их замены друг другом). Он построил модель т. н. брюсселятора — открытой химической системы, в которой в ходе автокаталитической реакции спонтанно возникает неравномерное пространственное распределение концентрацией реагирующих веществ, т. е. упорядоченная структура, характер которой не определяется внешним воздействием на систему.

Порядок и хаос в диссипативной системе

Помимо указанного аспекта, синтез порядка и хаоса в диссипативной системе имеет и другой аспект: упорядоченная реакция этой системы на хаотическое воздействие внешней среды. Разные диссипативные системы оказываются устойчивыми по отношению к разным (в количественном и качественном отношении) классам взаимодействий со средой. Это обстоятельство наряду с масштабами экспорта энтропии S (соответственно импорта негэнтропии позволяет говорить о разных степенях синтеза порядка и хаоса.

Эта непропорциональность зависимости состояния системы от состояния среды делает такие системы, с одной стороны, исключительно устойчивыми по отношению к крупномасштабным неблагоприятным воздействиям, а с другой стороны — необычайно чувствительными к очень незначительным колебаниям состояния среды определенного сорта. Система может при этом испытывать глобальный качественный сдвиг в определенном направлении, причинно никак не связанный с характером тех малых воздействий, которые среда оказывает на систему. Одним из простейших примеров нелинейной системы является пригожинский брюсселятор с его способностью к авюкатализу (роль катализатора реакции играют - сами реагирующие вещества). Из сказанного ясно, что благодаря нелинейности диссипативные системы обладают очень своенравным характером, резко отличающим их от обычных линейных систем.

Развитие и качественное изменение

Подобно тому, как разные виды хаоса и разные виды порядка могут образовывать упорядоченные и неупорядоченные структуры (иерархия хаоса и иерархия порядка), точно так же диссипативные системы, в свою очередь, способны формировать хаотические и упорядоченные структуры более высокого ранга. И подобно тому, как существуют переходы между разными видами порядка, разными видами хаоса и разными видами порядка и хаоса, аналогично возможны переходы между диссипативными системами с неодинаковой иерархической структурой. Не все из этих переходов обладают одинаковой устойчивостью (с точки зрения стремления к максимальной устойчивости). Есть, однако, среди них такой переход, который соответствует принципу максимальной устойчивости. Этот переход и образует то, что с точки зрения теории диссипативных систем естественно назвать развитием.

Итак, развитие есть рост степени синтеза порядка и хаоса, обусловленный стремлением к максимальной устойчивости. Понятие развития в указанном смысле имеет универсальный характер, будучи одинаково применимо как в сфере неорганических, так и биологических и социальных явлений. Общность этого понятия объясняется тем, что в его определении использованы понятия порядка, хаоса и устойчивости, универсальность которых не подлежит сомнению.

С феноменологической точки зрения развитие представляет собой не что иное, как процесс преодоления противоположности между порядком и хаосом ввиду принципиальной неустойчивости как упорядоченных, так и хаотических структур. Теперь предстоит найти ответ не на вопрос о том, как протекает развитие, а на вопрос, почему оно имеет место. Другими словами, следует раскрыть внутренний механизм развития.

Если предположить, что в основе развития лежит процесс отбора, то тогда для объяснения развития надо ответить на три вопроса: 1) из чего производится отбор; 2) кто его осуществляет; 3) с помощью чего отбор осуществляется. Первый фактор удобно назвать тезаурусом; второй — детектором, а третий — селектором.

С первого взгляда, может показаться, что тезауруса и детектора уже достаточно для однозначного выбора. Более глубокий анализ, однако показывает, что это не так. Дело в том, что (как следует из реальной практики отбора) один и тот же детектор может выбирать из одного и того же тезауруса совершенно разные элементы, если он руководствуется разной установкой; и, напротив, разные детекторы из, вообще говоря, разных тезаурусов могут выбрать один и тот же элемент, если их установки совпадают.

Итак, третий фактор отбора — селектор — представляет собой руководящее правило, на основании которого делается выбор.

Бифуркация представляет собой неустойчивое состояние системы. При этом разные бифуркации порождают разные виды неустойчивости. В свою очередь разные типы внутренних взаимодействий могут быть связаны с разными критериями устойчивости. Поэтому принцип отбора (селектор) — это определение того состояния, в которое система должна перейти, чтобы ее состояние стало при данных условиях взаимоотношения внутреннего и внешнего взаимодействия максимально устойчивым.

Самоорганизация как самоорганизованная критичность

Проблема самоорганизации, сводится к трем более специальным под проблемам:

1. Как в общем случае протекает самоорганизация?

2. Почему она вообще имеет место?

3. Куда она, в конечном счете, ведет?

Более углубленный анализ этих процессов показывает, что они могут протекать в разных направлениях: диссипативные структуры могут объединяться в разной последовательности и по разным правилам, в результате чего могyт возникать иерархические системы разного типа. Аналогичная картина наблюдается и в случае деиерархизации; сложная диссипативная структура может распадаться на более простые разными способами, в результате чего в роли элементарных структур также могут выступать диссипативные структуры разного типа.

Самоорганизация как т елеологическая причинность и суператтрактор

Следовательно, переход от феноменологии самоорганизации к ее эссенциологии позволяет избежать старинного телеологического подхода к явлениям (выводящего нас за пределы научного мировоззрения и возвращающего в эпоху XV-XVII вв.). Но в полной мере этого можно достичь только двигаясь еще дальше — переходя от эссенциологии самоорганизации к ее эсхатологии, что приводит от отбора к суперотбору, а затем к понятию суператтрактора.

Встает вопрос: в чем смысл роста степени синтеза порядка и хаоса, который наблюдается в процессе развития диссипативных структур? Другими словами, существует ли какой-то конечный итог в таком росте или же такого итога нет? Возникает мысль, что максимальная устойчивость диссипативной структуры может быть достигнута только тогда, когда исчезнет само различие между порядком и хаосом. Взаимопереходы порядка и хаоса в таком случае станут невозможными, и рост степени синтеза порядка и хаоса потеряет смысл. Полный синтез порядка и хаоса, при котором пропадает всякое различие между ними, означает возникновение диссипативной структуры, устойчивой по отношению к любым модификациям внешней среды, другими словами, устойчивой относительно абсолютного хаоса. Формирование такой диссипативной системы предполагает переход от физической самоорганизации к самоорганизации биологической, а затем - к социальной.

Таким образом, есть основание полагать, что балансирование между простыми и странными локальными аттракторами не лишено определенной тенденции, а именно: оно есть движение к упомянутому глобальному аттрактору. Теория социальной самоорганизации позволяет, однако, утверждать нечто большее: такое допущение было бы только гипотезой, если бы имел место лишь обычный отбор и дело не доходило бы до суперотбора. Но именно последний делает существование глобального аттрактора (суператтрактора) не только возможным, но и необходимым. Ведь суперотбор предполагает совершенствование самого принципа устойчивости, на основании которого производится обычный отбор. А у последовательности принципов относительной устойчивости есть предел в виде принципа абсолютной устойчивости.

Открытая система - это система, обменивающаяся веществом и энергией с окружающей средой. Существует свойства открытых систем, находящихся вдали от равновесного состояния: они оказываются неустойчивыми и возврат к начальному состоянию является необязательным. В некоторой точке, называемой бифуркацией (разветвлением), поведение системы становится неоднозначным.

При наличии неустойчивости изменяется роль внешних воздействий. В определенных условиях ничтожно малое воздействие на открытую систему может привести к значительным непредсказуемым последствиям (раскрытие неустойчивости).

В открытых системах, далеких от равновесия, возникают эффекты согласования, когда элементы системы коррелируют свое поведение на макроскопических расстояниях через макроскопические интервалы времени. Такое кооперативное, согласованное поведение характерно для систем различных типов: молекул, клеток, нейронов, отдельных особей и т.д.

В результате согласованного взаимодействия происходят процессы упорядочения, возникновения из хаоса определенных структур, их преобразования и усложнения. Чем больше отклонение от равновесия, тем больший охват корреляциями и взаимосвязями, тем выше согласованность процессов, даже протекающих в отдаленных областях и, казалось бы, не связанных друг с другом. Сами процессы характеризует нелинейность, наличие обратных связей и связанные с этим возможности управляющего воздействия на систему.

Теория состояний, далеких от равновесия, возникла в результате синтеза трех направлений исследований:

1. Разработка методов описания существенно неравновесных процессов на основе статистической физики. В рамках этого направления создаются кинетические модели, определяются параметры, необходимые для описания, выявляются корреляции, крупномасштабные флуктуации, устанавливаются закономерности перехода в состояние равновесия.

2. Разработка термодинамики открытых систем, изучение стационарных состояний, сохраняющих устойчивость в определенном диапазоне внешних условий, поиск условий самоорганизации, т. е. возникновения упорядоченных структур из неупорядоченных. Было показано, что процессы диссипации энергии являются необходимым условием самоорганизации, поэтому возникающие структуры получили название диссипативных.

3. Определение качественных изменений решений нелинейных дифференциальных уравнений, определяющих состояния далекие от равновесия, в зависимости от входящих параметров. Этот раздел математики получил название теории катастроф. С ее помощью описываются качественные перестройки общей структуры решений - катастрофы, определяются границы устойчивости и изменения структуры состояний.

Синтез этих трех направлений дал новую область знаний, занимающуюся описанием состояний, далеких от равновесия. С ее помощью удалось сформулировать общий подход к целой совокупности явлений природы и общества. Ее называют по-разному: синергетика, теория открытых систем, теория диссипативных структур, термодинамика необратимых процессов. Есть названия, связанные со свойствами неустойчивости, нелинейности.

Исходным пунктом для данной области исследований явилась классическая кинетика процессов в газах, начатая работами Дж. Максвелла и Л. Больцмана.

Затем произошло расширение области исследования на слабонеравновесные системы в различных средах и условиях. С 1950 года началось широкое изучение систем, находящихся далеко от состояния равновесия из-за действия сильных полей и жестких излучений различной природы.

На сцену вышел качественно новый фактор - квантованность энергетических состояний молекул. Ранее, по существу, рассматривалось только поступательное движение бесструктурных частиц. При сильном отклонении от равновесного состояния возбуждение охватывает различные степени свободы молекул - вращательные, колебательные, электронные. Возникает необходимость детального учета квантовой структуры вещества. В этих условиях частицы уже нельзя считать бесструктурными, а нужно рассматривать их эволюцию в фазовом пространстве многих степеней свободы.

Свойства атомов и молекул в различных энергетических состояниях различны. За счет неравновесных процессов происходит быстрое перераспределение заселенностей по большому числу термов и неизвестно какой из них окажется в данной конкретной системе наиболее реакционноспособным. Поэтому реакция существенно неравновесной системы на внешнее воздействие может быть неожиданной. Примером может служить диссоциация многоатомных молекул (ангармонических осцилляторов) при охлаждении газа в условиях накачки энергии. Этот эффект использовался для получения свободных атомов при низких температурах, что сыграло существенную роль в разработке химических лазеров. Другим примером нетривиального поведения существенно неравновесной системы является кратковременное охлаждение углекислого газа при резонансном поглощении излучения молекулой CО2.

В данном случае принципиально то, что при рассмотрении открытых систем, внешние параметры играют роль регуляторов, с помощью которых можно управлять процессами. Очень существенным моментом является то, что энергетические затраты на управление с помощью этих регуляторов намного меньше, чем требуется для достижения того же эффекта в равновесных условиях. Причем эффективность воздействия зависит от степени неравновесности системы.

В ряде случаев элементы системы начинают действовать в неравновесных условиях согласованно, обнаруживая свойства, не присущие отдельной частице. Эти общие свойства получили название когерентных или кооперативных свойств. При приближении системы к состоянию равновесия сначала разрушаются когерентные связи, а затем уже связи, определяемые энергетическими заселенностями. Когерентность определяется возникновением корреляций (взаимосвязей и взаимозависимостей) между частицами. Математически это выражается необходимостью рассмотрения функции распределения не одной частицы, а нескольких взаимодействующих. Н.Н.Боголюбов разработал единый подход рассмотрения всей совокупности функций распределения - цепочек уравнений для последовательных функций увеличивающегося числа взаимодействующих частиц.

Этот метод назван цепочками ББГКИ, по имени ученых, внесших основной вклад в их разработку: Н.Н.Боголюбов, М.Борн, Х.Грин, И.Кирквуд, И. Ивон. Так функция n переменных fn(х1, х2, . хn-1, t) учитывает корреляции n частиц. Если масштаб корреляции уменьшается и взаимодействуют только n-1 частиц, то переходят к fn-1(х1, х2, . хn-1, t) функции. При сглаживании неравновесности (переходе к состоянию равновесия) корреляции разрушаются, сокращается набор функций, необходимых для описания поведения системы, а сами функции зависят от все меньшего числа частиц.

В пределе остаются лишь одночастичные функции распределения, уравнения которых составляют основу обычной кинетики.

Метод цепочек ББГКИ имел исключительно большое значение в неравновесной статистической физике. Это был, по существу, новый подход к проблеме необратимости. В замкнутой системе уравнения динамики (классической или квантовой) обратимы, т. е. замена t на -t их не меняет. При обрыве цепочки, когда нарушается корреляция высших порядков, возникает необратимость. В этом случае четко видна причина необратимости.

Разрушение корреляции может быть вызвано внешним воздействием. Но чем больше и упорядоченной система, тем выше масштаб корреляций. Это означает, что они действуют между большим числом частиц, на больших расстояниях и в течение большого промежутка времени. Следовательно, нужно меньшее воздействие для нарушения такой сложной корреляции. А так как абсолютно изолированных систем нет, то необратимость нашего мира заложена в природе вещей в силу всеобщей связи.

Примеры самоорганизации в неживой природе

Ячейки Х. Бенара. Классическим примером возникновения структуры является конвективная ячейка Бенара. Если в сковородку с гладким дном налить минеральное масло, подмешать для наглядности мелкие алюминиевые опилки и начать нагревать, мы получим довольно наглядную модель самоорганизующейся открытой системы. При небольшом перепаде температур передача тепла от нижнего слоя масла к верхнему идет только за счет теплопроводности, и масло является типичной открытой хаотической системой. Но при некотором критическом перепаде температур между нижним и верхним слоями масла в нем возникают упорядоченные структуры в виде шестигранных призм (конвективных ячеек), как это показано на рисунке 1.

В центре ячейки масло поднимается вверх, а по краям опускается вниз. В верхнем слое шестигранной призмы оно движется от центра призмы к ее краям, в нижнем - от краев к центру. Важно отметить, что для устойчивости потоков жидкости необходима регулировка подогрева, и она происходит самосогласованно. Возникает структура, поддерживающая максимальную скорость тепловых потоков. Поскольку система обменивается с окружающей средой только теплом и в стационарном состоянии (при Т1) получает тепла столько, сколько отдает (при Т2 Pn-1;

сокращение интервалов времени между скачками: t2 < t1.

Подобная модель самоорганизации может быть применена к биологическим, социальным, экономическим, культурным и др. системам. Главное здесь - возрастание уровня организации, связанное с уменьшением неопределенности по мере накопления информации. Так из биологии известно, что число принципиально возможных одноклеточных организмов намного больше того, что есть на самом деле. Низших биологических форм много, а Человек - один (сходящаяся спираль). Процесс написания студентом курсовой или дипломной работы тоже можно представить как движение от максимальной начальной до минимальной конечной энтропии. Высокая неопределенность в начале выполнения задания по мере работы над ним (работа с литературой, эскизы, блок-схемы, расчеты) уменьшается и достигает минимума к моменту оформления и защиты.

Подводя итог рассмотренным теоретическим положениям и примерам, выделим следующие условия и положения самоорганизации систем.

1. Система должна быть открытой, диссипативной и находиться вдали от термодинамического равновесия.

3. Управление процессами и сохранение динамического равновесия систем основано на принципе обратной связи, когда на основе полученных обратных сигналов система возвращается в исходное состояние. Самоорганизация открытых систем опирается на принцип положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а наоборот, накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению нового порядка и структуры.

4. Система должна обладать достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, иметь некоторые критические размеры. В противном случае коллективное поведение элементов системы может не проявиться (самоорганизация не наступает).

5. Чем выше в своем эволюционном развитии находится система, тем более сложными и многочисленными будут факторы, которые влияют на ее самоорганизацию.

1. Дягилев Ф.М. Концепции современного естествознания. - М.: Изд. ИЭМПЭ, 1998.

2. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. - Новосибирск: ЮКЭА, 1997.

Читайте также: