СИНЕРГЕТИКА

Все досліджуй, давай розумом першим

місце.

Піфагор

До встановлення загального погляду на процеси самоорганізації різні вчені йшли різними шляхами.

У 1901 р французький фізик Бенар при аналізі перенесення теплоти через шар рідини або газу, що підігріваються знизу (рис. 19.1, а), виявив дивний ефект. При певній різниці температур АТ = 7 ', - Т- 2 межд пластинами і відстані I між ними відбувається зміна механізму перенесення енергії і характеру руху газу або рідини: від хаотичного, та званого броунівського, руху серед переходить до чітко організованому конвективному процесу (рис. 19.1, б). При цьому рухома межд пластинами середу набуває вигляду обертових валиків.

Перенесення теплового потоку в газі між пластинами

Мал. 19.1. Перенесення теплового потоку в газі між пластинами:

а - молекулярний перенос; б - конвективні струми, що обертаються за годинниковою стрілкою Я і проти стрілки I.

Конвективний рух виникає завдяки дії на кожен елементарний об'єм рідини різних сил. Через різної щільності нагрітих і холодних шарів виникає підйомна сила, врівноважена силою тяжіння і силою в'язкості. В результаті гри цих сил і виникає конвективний рух об'ємів рідини. У цьому «танці» об'ємів рідини, яку воно містить велику кількість молекул, не беруть участі відомі в фізик сили міжмолекулярної взаємодії, так як вони діють на очен малих відстанях (порядку 10 -9 м). Конвекція же в цьому досвіді виникає в просторі, розміри якого в десятки мільйонів разів більше.

Можна було б навести й інші приклади, коли сукупність часток перетворюється в систему, що має властивості, пов'язані з конвективним взаємодією. Цей ефект можна уявити кількісно у вигляді залежності потоку теплоти <7 Вт / м від різниці температур АТ на пластинах При А Т> ДГ кр відбувається різкий злам цієї залежності, в системі починається структуроутворення, з'являються конвективні осередки і теплий нижній поверхні починає інтенсивно переходити до верхньої (рис. 19.2).

Залежність теплового потоку # Дж / м  з від різниці температур АТ між пластинами

Мал. 19.2. Залежність теплового потоку # Дж / м 2 з від різниці температур АТ між пластинами

У цих умовах рідина починає більш інтенсивно експортувати ентропію. До цього відтік ентропії (Д з 5) компенсувався її виробництвом (Д5) за рахунок внутрішнього тертя і теплопровідності. Після перехід точки ДГ кр відтік ентропії починає значно перевищувати її виробництво і в системі виникають нові структури: у сукупності частини виникають нові властивості, відсутні у її елементів. Ці властивостей називають властивостями кооперативне ™, або когерентності.

Проаналізуємо процес перенесення теплоти між нагрітими пластинами і запитаємо себе, що станеться в разі, коли поріг структурування АТ = ДГ КР1 перевищено, а різниця температур продовжує зростати. Опи показує, що при деякому значенні АТ> А Г КР1 осередки Бенара продовжують існувати, проте деякі їх характеристики починають змінюватися Виявляється, що після переходу через друге критичне значення Д Г КР2 виникає новий так званий турбулентний режим. Він характеризується тим що паралельний перебіг рідини в валах (ламінарний режим) начинае розмиватися і переходити в невпорядковане вихреобразное перемішування (турбулентний режим). Особливості турбулентного режиму можна наочно продемонструвати на прикладі обтікання кулі або циліндра.

Розглянемо циліндр, вісь якого перпендикулярна швидкості V рухомої рідини. На рис. 19.3, а схематично показані лінії струму рідини при малій швидкості її руху. Характер цих ліній зависи не тільки від швидкості, але і від кінематичної в'язкості у = р / р (р - в'язкість рідини, р - її щільність) і від діаметра 4 циліндра. ці числа

об'єднують в безрозмірний комплекс Рейнольдса , який більш

повно, ніж одна швидкість, описує картину обтікання циліндра рідиною. Отже, при малих числах Ії <20 лінії струму стаціонарні, тобто не змінюються з часом. Але після того як швидкість перевищить певний поріг, в сліді за циліндром з'являються рециркуляційні вихори (рис. 19.3, б). Стаціонарний режим зникає, поступаючись місцем ланцюжку вихорів, вращающіхс поперемінно то в одну, то в іншу сторону. Це явище носить названі вихровий доріжки Бенара - Кармана. На рис. 19.3 зображена еволюція вихорів для різних значень 20 <Яе <10 6 . При 11е> 20 появляетс пара вихорів, при Яе T> 10 2 вихори осцилюють (рис. 19, в). При ще більш високій швидкості (Яе T> 10 4 ) спостерігається нерегулярна картина - турбулентний потік. В останній можна також побачити появу ново картини самоорганізації - порядку в хаосі (рис. 19, г).

Народження турбулентності при обтіканні кулі потоком рідини

Мал. 19.3. Народження турбулентності при обтіканні кулі потоком рідини:

а - ламінарний плин; б - поява окремих вихорів в кормовій частині; в - розвиток вихорів; г - розвинена турбулентність.

Автор самого терміна «синергетика» німецький фізик Герман Хакеі досліджував механізми кооперативних процесів, які походячи в твердому лазері. Лазер є досить поширеним приладом В XX в. його стали широко застосовувати в різних областях науки і техніки. Не будемо вдаватися в особливості пристрою цього приладу і відбуваються там фізичні процеси, а лише опишемо на простому приклад рубінового лазера схему його роботи (рис. 19.4).

Схема рубінового лазера

Мал. 19.4. Схема рубінового лазера:

1 - корпус; 2 - рубін; 3 - ксенонова лампа накачування; 4 - випромінювання; 5 - конденсатор; в - ключ; 7 - джерело постійної напруги

У корпус 1 поміщений рубіновий стрижень 2, на одному кінці якого є дзеркало, а на другому - напівпрозоре дзеркало 4. При розряд ксенонової лампи 3 висвітлюється рубіновий стрижень і її випромінювання поглинається рубіном; цей процес називається «накачуванням» лазера. Процес розряду здійснюється за наступною схемою: при замиканні ключа від джерела живлення 7 заряджається конденсатор 5; при розриві цієї ціп відбувається розряд конденсатора, імпульсне випромінювання ксенонової ламп і певні довжини хвиль поглинаються рубіновим стрижнем. Випромінювання, поглинене атомами рубінового стрижня, як би заряджає їх додатковою енергією і переводить в нестійкий стан. При поверненні до стійкого стану відбувається випромінювання рубінового лазера але вже на іншій довжині хвилі. При обмеженою потужності накачування лазі працює як газорозрядна лампа, тобто поглинання і випромінювання рубіна відбувається безладно в різних довжинах хвиль і в різні моменти часів (рис. 19.5). При деякому критичному значенні потужності (рис. 19.6) У різко зростає потужність лазерного випромінювання, воно відповідає одне довжині хвилі і протікає в одній фазі. Відбувається узгоджене кооперативне випромінювання хвиль, здійснюється перехід від режиму ламповог випромінювання до лазерного режиму (когерентне випромінювання), в якому безліч атомів випромінює на одній довжині хвилі і в одній фазі.

Іншими словами, атоми, раніше испускавшие хвилі хаотично і незалежно, починають випускати один величезний по довжині цуг хвиль, що здійснює як би одне колективне рух. У цьому полягає сутність кооперативного процесу і відбувається самоорганізації.

Хвильові цуги, що випускаються газорозрядних ламп {а) і лазером (б)

Мал. 19.5. Хвильові цуги, що випускаються газорозрядних ламп {а) і лазером (б)

Залежність потужності випромінювання т потужності накачування

Мал. 19.6. Залежність потужності випромінювання т потужності накачування

Хакен з'ясував, що частки, що складають активну середу резонатора, під впливом зовнішнього світлового поля починають коливатися в одне фазі. В результаті цього між ними встановлюється когерентне, мул узгоджене, взаємодія, яке в кінцевому підсумку призводить до і кооперативному поведінки. Виходячи з цього, Хакен запропонував для ново області науки назву «синергетика». Синергетика, по Хакену, должн охоплювати всі проблеми, пов'язані з утворенням впорядкованих структур в складних системах в результаті кооперативного поведінки підсистем.

Самоорганізація, за визначенням Хакена, спонтанне утворення високоупорядоченних структур із зародків або навіть «хаосу», спонтайний перехід від неврегульованого стану до впорядкованого за рахунок спільного, кооперативного (синхронного) дії багатьох підсистем Хакен вважає, що назва нової дисципліни синергетикою обумовлений тим, що в ній досліджується спільна дія багатьох елементів систем і для знаходження загальних принципів, які керують самоорганізацією необхідно кооперування багатьох різних дисциплін. Таким чином, при самоорганізації з хаосу породжується порядок.

Процеси самоорганізації досліджували різні вчені в різних напрямках природознавства. У 1951 р Б. П. Білоусов описав самоорганізується хімічну реакцію, в якій виникають самоіоддержівающіеся коливання в часі. Більш докладно такого роду реакції були досліджені групою вчених під керівництвом А.М. Жаботинського. У цих реакціях малонова кислота як органічна речовина окислюється броматом в розчині сірчаної кислоти в присутності певного каталізатора В результаті реакції розчин, в якому знаходяться ці речовини, начинае періодично змінювати своє забарвлення з блакитного на червоний. Так що цей самоорганізується процес можна розглядати як своєрідні «хімічні годинник». Надалі було виявлено виникнення не тольк періодичних структур у часі, але і в просторі або одночасно в просторі і в часі. Механізми таких реакцій дуже складні.

Жаботинський описав широкий клас хімічних хвильових явищ, в яких спостерігалася просторово-временна'я впорядкованість При цьому були реалізовані як одномірні реакції в тонких трубках так і двомірні процеси (тонкі шари розчину між пластинами).

На рис. 19.7 показано розвиток хвилі при плоскій реалізації явища. Спочатку (а) виникає центр 1 зміни забарвлення, він з'являється з-за локальної флуктуації концентрації; одночасно (б) возникаю і нові концентраційні центри 2 і 3, останні потім можуть побут поглинені (в) хвилями від центру 1 і сприяти розвитку (г) хвильової концентраційної структури 4. Можливі варіанти і е ) появи більш складної картини від багатьох початкових центрів.

Послідовні кадри хвильових хімічних процесів в тонких стеклах

Мал. 19.7. Послідовні кадри хвильових хімічних процесів в тонких стеклах:

а - поява провідного центру; б - кілька центрів; в - зростання центру 1 за рахунок 2 і 3; г - виникнення сумарного центру; д і е - подальший хід процесу

Можна показати, що просторова стійкість підтримується за рахунок відтоку ентропії з системи. При цьому можуть утворюватися спіральні хвилі, вони звуться ревербераторів. Такого твань освіти досить часто зустрічаються в біологічних системах, наприме в будові лишайників.

Великий внесок у вивчення цих процесів вніс бельгійський фізик І. Пригожин, який в Міжнародному інституті фізики і хімії встановив зв'язок між фізико-хімічними процесами в відкриті нерівноважних системах і біологічної впорядкованістю. Теоретичного самоорганізації І. Р. Пригожин прийшов до своїх ідей з аналізу специфічних хімічних реакцій, які призводять до утворення певних просторових структур з плином часу при изменени концентрації реагуючих речовин. Разом зі своїми співробітниками про побудував математичну модель таких реакцій. Теоретичною осново моделі стала нелінійна термодинаміка, що вивчає процеси, що відбуваються в нелінійних нерівноважних системах під впливом флуктуацій. Якщо така система віддалена від точки термодинамічної рівноваги, то виникають в ній флуктуації в результаті взаимодействи із середовищем будуть підсилюватися й зрештою приведуть до руйнування колишнього порядку або структури, а тим самим і до виникнення ново системи. Структура і системи, що виникають при цьому, І.Р. Гожі назвав диссипативними, оскільки вони утворюються за рахунок дисипації або розсіювання, енергії, використаної системою, і одержання з навколишнього середовища нової, свіжої енергії. За дослідження з термодинаміки дисипативних структур І. Р. Пригожиним була присуджена Нобелівська премія.

Інший видатний теоретик самоорганізації німецький вчений М. Ейген довів, що відкритий Ч. Дарвіном принцип відбору продовжує збережуть своє значення і на мікрорівні. Тому він мав усі підстави стверджувати, що генезис життя є результат процесу відбору, проісходящег на молекулярному рівні. Він показав, що складні органічні структури з адаптаційними характеристиками виникають завдяки еволюційному процесу відбору, в якому адаптація оптимізується погодним структурами. Передумовами здійснення такої самоорганізації макромолекул є взаємодія системи з середовищем або відкритість для обміну речовиною і енергією, автокаталіз, мутації і природний відбір.

Таким чином, повільно, але неухильно в різних напрямках науки формувалося переконання, що у всіх цих дослідженнях існує єдине концептуальне ядро, яке служить загальною їхньою основою. Воно і становить парадигму дослідження процесів самоорганізації та синергетики Синергетика сформулювала принцип саморуху в неживій природі створення більш складних систем з більш простих. З цієї парадигмо в фізику проник еволюційний підхід, і наука приходить до понимани творіння як створення нового. Синергетика розглядала випадково на макроскопічному рівні, підтвердивши тим самим висновки механіки дл мікроскопічного рівня.

У синергетики, на противагу кібернетиці, досліджуються механізми виникнення нових станів, структур і форм в процесі самоорганізації, а не збереження і підтримання старих форм. Тому вона спирається на принцип позитивного зворотного зв'язку, коли зміни, що виникають у системі, не придушуються і коригуються, а, навпаки, поступово накопичуються і в кінці кінців призводять до руйнування старої і виникнення нової системи. Кібернетика відрізняється від синергетики тим, чт вона акцентує увагу на аналізі динамічної рівноваги в самоорганізованих системах. Тому вона спирається на принцип негативно зворотного зв'язку, згідно з яким будь-яке відхилення системи після отримання інформації про це коригується керуючим пристроєм.

Таким чином, якщо кібернетика вирішує проблему народження розуму, то синергетика - проблему народження матерії.

Синергетика підтвердила висновок теорії відносності про взаимопревращении речовини і енергії і пояснює утворення речовин. З точки зору синергетики енергія як би застигає у вигляді кристалів, перетворюючись з кінетичної в потенційну. Речовина - це застивша енергія. Енергія - поняття, що характеризує здатність виробляє роботу, але енергія зараз може розумітися не тільки в сенсі механічної роботи, але і як творець нових структур. Ентропія - це форм вираження кількості зв'язаної енергії, яку має речовина. Енергія - творець, ентропія - міра творчості.

Синергетика відповідає на питання, за рахунок чого відбувається еволюція в природі. Скрізь, де створюються нові структури, необхідний приплив енергії і обмін з середовищем. Якщо в еволюції небесних тіл ми бачимо результат виробництва, то в синергетики вивчається процес творчості природи Синергетика підтверджує висновок теорії відносності: енергія твори більш високі рівні організації.

Розвиток розуміється в синергетики як процес становлення якісно нового, того, що ще не існувало в природі і передбачити которо неможливо. Механізм, який нею пропонується, - це спонтанна флуктуація, подія в точці біфуркації, експоненціальне процес до певного моменту. Основним поняттям є поняття нестійкості Так, з хаосу (нестійкості) народжується космос. При спонтанної флуктуації поля починається мимовільний процес породження частини аж до якогось моменту, коли він припиняється. Частинки порождаютс енергією по моделі, сформульованої в синергетики. Перші частинки які з'явилися, були нестабільними елементарними частинками бе маси спокою і з найкоротшим часом існування. Потім вони перетворилися в стабільні, що існують і понині. Отже, послідовність народження матерії з вакууму: спонтанність флуктуації точка біфуркації - "чорні міні-діри -> простір-час -" частки.

Квантовий вакуум відрізняється від ніщо тим, що має універсальні постійні, які можуть служити аналогом всеєдності. Розміри Всесвіту ростуть по експоненті як наслідок нестійкості вакууму В результаті розширення Всесвіту при зародженні матерії Всесвіту наближається до первісного стану вакууму. Потім возможн нова флуктуація.

Необхідно підкреслити, що синергетика є науковим напрямком, що вивчають відкриті системи в станах, далеких від рівноваги. Тому розглянемо особливості еволюції нерівноважних систем більш докладно.

 
Переглянути оригінал
< Попер   ЗМІСТ   ОРИГІНАЛ   Наст >