16.2. Порядок из хаоса

Самоорганизация - это процесс движения от хаоса к порядку, возникновение нового. Под хаосом понимается отсутствие корреляции (взаимосвязи) процесса, его неупорядоченность. Примером хаоса является броуновское движение. Мера неорганизованности, хаоса называется энтропией.

Приведем пример самоорганизации в физической системе. Если охлаждать водяной пар при постоянном объеме, то тепловое движение молекул становится все менее интенсивным и упорядоченность системы молекул повышается; когда водяной пар конденсируется в жидкость, происходит скачкообразное уменьшение энтропии и выделяется теплота. При дальнейшем снижении температуры тепловое движение молекул становится все менее интенсивным и происходит дальнейшее уменьшение энтропии. Когда жидкость отвердевает, молекулы в кристалле льда занимают строго определенные положения, энтропия скачком уменьшается и выделяется теплота.

16.3. Диссипативные структуры

Из рассмотренного в п.16.2 примера видно, что переходу водяного пара в воду, воды в лед предшествуют случайные отклонения от положения равновесия, называемые флуктуациями. В особой точке, называемой точкой бифуркации, флуктуации достигают такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается.

В этой точке система находится одновременно как бы в двух состояниях (например, при гололедице под ногами находится и вода и лед) и точно предсказать ее поведение не возможно. Затем при достижении параметром внешней среды некоторого критического значения система скачком переходит в устойчивое состояние. Новые структуры, полученные таким образом называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии. Это, например, вода, образованная из водяного пара, лед – из воды.

Рассмотрим другие примеры диссипативных структур: ячейки Бенара, турбулентность, колебательные химические реакции, лазер.

При нагревании ртути, налитой в широкий плоский сосуд, слой ртути, после того, как температура достигнет некоторого критического значения, распадается на одинаковые шестигранные призмы – ячейки Бенара.

В качестве другого примера возникновения самоорганизации рассмотрим переход послойного (ламинарного) течения жидкости в вихревое (турбулентное). Этот переход возникает, если на пути движения жидкости поместить какое-то тело (например, шар) и увеличивать давление и соответственно скорость потока. При увеличении скорости потока выше критической за телом образуются завихрения, т.е. вместо спокойного ламинарного движения возникает турбулентное движение жидкости.

Одним из наиболее-впечатляющих примеров возникновения самоорганизации является химическая реакция Белоусова-Жаботинского, в результате которой специальный раствор начинает периодически менять цвет с красного на голубой. Поэтому такую реакцию называют «химическими часами».

Наиболее значительным примером самоорганизации, нашедшим широкое применение в науке и технике, является лазер. В твердотельном лазере атомы, возбужденные накачкой энергией от внешнего источника, испускают световые электромагнитные волны несогласованно (не когерентно). Если увеличить мощность накачки выше определенного значения, то атомы начинают испускать свет в одинаковой фазе, с одной частотой, с одинаковым направлением поляризации (когерентные волны). Этот когерентный свет усиливается за счет многократного прохождения по активной среде и вовлечения в этот индуцированный процесс новых атомов активированной среды. Лазер переходит в режим генерации, испуская усиленное, направленное, монохроматическое, когерентное излучение.

Во всех самоорганизующихся системах происходят коллективные процессы: коллективно выстраиваются молекулы в узлах кристаллической системы; вихри внутри жидкости; коллективно и согласованно атомы испускают когерентное излучение в лазере.