Самоорганизация в сильнонеравновесных системах

Примерно в 60-х гг. XX века научные представления о процессах самоорганизации в открытых неравновесных системах формировались разрозненно и независимо в разных дисциплинах. Однако в 70-х гг. они стали предметом сравнения и в них обнаружилось много общего.

И. Пригожин через разработку термодинамики сильнонеравновесных систем вышел на свою теорию самоорганизации. Данному варианту термодинамики предшествовала разработка теории стационарных, или устойчивых, неравновесных систем. Стационарное неравновесие достигается, когда внешнее воздействие выводит систему из состояния равновесия, но так как это воздействие недостаточно велико, то неравновесное состояние системы удерживается вблизи от состояния равновесия.

Такие состояния оказались для ученых интересными по двум причинам. Во-первых, для подобных случаев с некоторыми поправками применим теоретический аппарат термостатики. В открытых системах происходит рост энтропии. И. Пригожин доказал, что в них производится минимальная энтропия. Во-вторых, для феноменологического объяснения устойчивости неравновесных состояний может использоваться принцип Ле Шателье-Брауна, который означает, что система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия. Иначе говоря, системы, находящиеся в стационарном неравновесном состоянии, обладают от природы свойством устойчивости.

Общая теория устойчивости впервые была исследована и разработана русским математиком А.М. Ляпуновым (1857-1918). Суть данной теории состоит в том, что устойчивые состояния не теряют своей устойчивости при флуктуации физических параметров. За счет внутренних взаимодействий система способна погасить возникающие флуктуации. А неустойчивые системы, напротив, при возникновении флуктуаций способны усиливать их, и в результате нарастания амплитуды возмущений система с ускорением переходит из стационарного неравновесия в неустойчивое неравновесное состояние, которое ведет к хаосу.

В 50-60-х гг. XX столетия логика научного развития потребовала перейти от рассмотрения слабонеравновесных к изучению сильнонеравновесных систем. Здесь и завязка проблемы.

Это означает, что для сильнонеравновесных состояний потребовалось снова разрабатывать теорию. После того, как И. Пригожин выполнил эту работу, оказалось, что данная теория есть новая концепция самоорганизации химических и физических систем.

В начале 70-х гг. особое внимание И. Пригожина привлекла химическая реакция, названная реакцией Белоусова-Жаботинского. Сопоставив ход данной реакции с теорией Тьюринга, Пригожин вместе с группой бельгийских ученых переформулировал теорему Тьюринга и выдвинул свою теоретическую модель самоорганизации.

Источник самоорганизации Пригожин увидел в флуктуациях, которые до некоторых пор гасятся силами внутренней инерции. Затем случайные микрофлуктуации перерастают в состояние хаоса. После того, как в систему с хаотическим состоянием поступает из среды достаточно большое количество свежей энергии, то из хаоса рождаются крупномасштабные флуктуации макроскопического уровня. Так, по Пригожину, из хаоса рождаются макроскопические состояния, так он объясняет самоорганизацию химических и физических систем. Анализ промежуточных продуктов химических реакций показал сходство этих процессов с автоколебаниями систем различной природы. Сам термин «автоволны» был введен академиком Р.В. Хохловым (1926-1977). Теория автоколебательных процессов разрабатывалась школой академика Л.И. Мандельштама (1873-1944), школой академика А.А. Андронова (1901-1952) и др.

Типичный пример автоволны – нервный импульс, который бежит без затухания по нервному волокну диаметром менее 0,025 мм и длиной до 1,5 м.

Исследования показывают, что обработка информации в коре головного мозга осуществляется не в форме активности отдельных нейронов (как в ЭВМ), а на уровне взаимодействий между автоволнами возбуждения и торможения, которые охватывают обширные участки головного мозга.

Немецкий физик Г. Хакен пришел к концепции самоорганизации через разработку проблем квантовой электроники, точнее – от изучения механизмов образования лазерного луча. Он отмечал особую роль коллективного поведения подсистем, и для обозначения процессов самоорганизации ввел понятие «синергетика». По мнению Хакена, самоорганизация – это «спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса».

По Г. Хакену, характерными чертами процессов самоорганизации являются: кооперативность действия элементов и подсистем, образующих систему; нелинейность процесса, выражаемая уравнениями второй или третьей степени; неравновесность состояния, поддерживаемая за счет энергии среды; пороговый характер процессов самоорганизации.

Еще одним источником идей синергетики стали работы немецкого ученого М. Эйгена, который показал, что при благоприятных условиях среды сложные органические молекулы способны к самовоспроизводству и усложнению организации на предбиологическом уровне.

Таким образом, исследование процессов самоорганизации в начале 60-х гг. ограничилось отдельными естественнонаучными дисциплинами. Но в 70-х гг. ученые все же начали выходит за рамки своих дисциплин и заметили, что их идеи аналогичны. В 70-80-х гг. стали проводиться совместные научные конференции представителей разных дисциплин и стало оформляться новое научное направление – синергетика, или общая теория самоорганизации систем различной природы. Одновременно с этим обнаружили ее системный характер.

Нужно заметить, что формирование синергетики как общенаучного направления не завершено и еще продолжается. В синергетике до сих пор не получил адекватного решения главный вопрос – об истинных источниках самоорганизации. А без этого само понятие самоорганизации остается условным и недостаточно осмысленным, имеющим лишь рабочее значение. В этом отношении более гибкую позицию занял сам Хакен, когда во введении к своей работе дал обоснование термину «синергетика»: «Я назвал новую дисциплину «синергетикой» не только потому, что в ней исследуется совместное действие многих элементов систем, но и потому, что для нахождения общих принципов, управляющих самоорганизацией, необходимо кооперирование многих различных дисциплин»*.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что имеющиеся в синергетике наработки не должны волевым образом распространяться на другие дисциплины. Напротив, изучение специфических потребностей разных дисциплин должно служить стимулом для развития самой синергетики.