Диссипативные системы. Синергетика. Точки бифуркации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Самоорганизация диссипативных структур

 

Самоорганизующимися процессами называют процессы, при которых возникают более сложные и более совершенные структуры. Это определение позволяет выделить самоорганизацию как один из возможных путей эволюции и отнести этот процесс к условиям далеким от термодинамического равновесия.

Эволюция может приводить и к деградации. Так в закрытых системах, когда движущая сила процесса стремление системы к минимуму свободной энергии достигаемое равновесное состояние является наиболее хаотическим состоянием среды. Если же эволюция системы контролируется минимумом производства энтропии, неравновесные условия происходит самоорганизация динамических структур, названных диссипативными. К диссипативным структурам относятся пространственные, временные или пространственно-временные структуры которые могут возникать вдали от равновесия в нелинейной области, если параметры системы превышают критические значения. Диссипативные структуры могут перейти в состояние термодинамического равновесия только путем скачка в результате неравновесного фазового перехода. Основные их свойства следующие [1]:

- они образуются в открытых системах далеких от термодинамического равновесия в результате флуктуации до макроскопического уровня;

- их самоорганизация происходит в результате экспорта энтропии;

- возникновение пространственного или временного порядка аналогично фазовому переходу;

- переход в упорядоченное состояние диссипативной системы происходит в результате неустойчивости предыдущего неупорядоченного состояния при критическом значении некоторого параметра отвечающем точке бифуркации;

- в точке бифуркации невозможно предсказать, в каком направлении будет развиваться система, станет ли состояние хаотическим или она перейдет на новый более высокий уровень упорядоченности.

Таким образом, диссипативные структуры - это высокоупорядоченные самоорганизующиеся образования в системах далеких от равновесия, обладающие определенной формой и характерными пространственно-временными размерами они устойчивы относительно малых возмущений. Важнейшие характеристики диссипативных структур: время жизни, область локализации и фрактальная размерность. Диссипативные структуры отличаются от равновесных тем, что для своего существования они требуют постоянного притока энергии из вне, так как по определению их самоорганизация связана с обменом энергией и веществом с окружающей средой.

Под диссипативной системой понимают систему, полная механическая энергия которой при движении убывает, переходя в другие формы, например в тепло.

Соответственно  диссипация энергии есть переход  части энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного процесса, а в конечном итоге в теплоту.

Процесс перехода «устойчивость-неустойчивость-устойчивость» следующий. Первоначально устойчивая диссипативная структура, достигая в процессе эволюции системы порога неустойчивости, начинает осциллировать, а возникающие в ней флуктуации приводят к самоорганизации новой более устойчивой на данном иерархическом уровне диссипативной структуры.

Одним из типичных примеров самоорганизации диссипативных  структур является переход ламинарного течения жидкости в турбулентное. До недавнего времени он отождествлялся с переходом к хаосу. В действительности же обнаружено, что в точке перехода путем самоорганизации диссипативных структур происходит упорядочение, при котором часть энергии системы переходит в макроскопически организованное вихревое движение, схематически представленное на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Турбулентное а) и ламинарное б) течения

 

Таким образом, гидродинамическая неустойчивость при переходе ламинарного течения в турбулентное связана с образованием динамических диссипативных структур в виде вихрей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Понятие точек бифуркации и аттракторов

 

Исходными понятиями  в синергетике являются понятия  точек бифуркаций и аттракторов.

Под точкой бифуркаций понимается состояние рассматриваемой  системы, после которого возможно некоторое  множество вариантов её дальнейшего  развития. Примерами бифуркаций являются: состояние выбора человеком варианта поступления в высшее учебное  заведение, состояние популяции  при выборе под влиянием внешней  среды, варианта дальнейшего развития в борьбе за существование, точки ветвления на генеалогическом (родословном) дереве, точки перехода к разным вариантам продолжениям диалога «студент - компьютер» в процессе тестирования знаний студента с использованием закрытых тестов (когда предлагается выбрать правильный и полный ответ из серии предложенных), состояние борьбы двух фронтов в атмосфере с возможными вариантами изменения погодных условий.

Наглядно-образное представление о точке бифуркаций дает картина В.М. Васнецова «Рыцарь  на распутье».

В самом общем  случае точка бифуркаций может быть представлена графически так, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 –  Точка бифуркации

 

Здесь она  обозначена буквой В. До момента времени, соответствующего состоянию В, система развивалась по траектории АВ. При этом вполне возможны были некоторые флуктуации, то есть небольшие отклонения (они показаны пунктиром), но в главных чертах система развивалась по траектории АВ.

После момента  времени, соответствующего точке бифуркаций, система имеет возможность развиваться  по нескольким вариантам: ВС_1., ВС₂, …, ВС_i,…, ВС_n. Та траектория или то некоторое множество траектории, по которым возможно развитие системы после точки бифуркаций и которые отличаются от других относительной устойчивостью, то есть являются наиболее реальными, называются аттракторами.

Другими словами, аттрактор – это относительно устойчивое состояние системы, которое  как бы притягивает к себе все  множество траекторий развития, возможных  после точки бифуркаций.

Примерами аттракторов  являются группа экономических вузов  и специальностей для абитуриента, имеющего склонность посвятить себя экономике; популяция морозоустойчивых особей в случае наступления глобального  похолодания; актерская стезя для  потомка актерских семей; совокупности правильных ответов для студента – «отличника»; погода, соответствующая  времени года.[4]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Область исследований синергетики - изучение эволюции различных структур, относительная устойчивость которых сохраняется за счет притока энергии и вещества извне.

В её основе лежит важное утверждение  о том, что материальные системы  могут быть открытыми и закрытыми, равновесными и неравновесными, устойчивыми  и неустойчивыми, линейными и  нелинейными, статическими и динамическими. Принципиальная возможность процессов  самоорганизации обусловлена тем, что все природные и общественные системы являются открытыми, неравновесными и нелинейными.

Возникновение синергетики связано  с именами Пригожина, Хакена, Эйгена, Белоусова и Жаботинского.

Пригожин, разрабатывая современную термодинамику необратимых процессов, открыл явление образования упорядоченных структур из хаотического состояния системы, т.е. самоорганизацию, к этому он пришел, изучая специфические химические часы, которые впервые экспериментально были изучены Белоусовым и Жаботинским.

Хакен, изучая процессы самоорганизации  в лазере, назвал новое направление  исследований синергетикой, что означает совместное воздействие. Эйген доказал, что открытый Дарвином принцип отбора справедлив и на микроуровне, и показал, что сложные органические структуры с адаптационными характеристиками возникают благодаря эволюционному процессу отбора.

До недавнего  времени естествознание и другие науки могли обходиться без целостного, системного подхода к своим объектам изучения, без учета коллективных эффектов и исследования процессов  образования устойчивых структур и  самоорганизации. В настоящее время  проблемы самоорганизации, изучаемые  в синергетике, приобретают актуальный характер во многих науках. Синергетика как теория самоорганизации нашла свое применение в современной  космологии, квантовой физике, химической и биологической теории.

Общество  является открытой нелинейной системой, поэтому идеи синергетики распространяются и на него. Уже сейчас существуют попытки их  применения к глобальному анализу общественных систем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список использованных источников

1. Аруцев, А.А. Концепции современного естествознания /               А.А. Аруцев, Б.В. Ермолаев, И.О. Кутателадзе, М.С. Слуцкий. – М.: Учебное пособие МГОУ, 1999. – 173 с.

2. Грушевицкая, Т.Г. Концепции современного естествознания /       Т.Г. Грушевицкая, А.П. Садохин. – М.: Высшая школа, 1998. — 383 с.

3. Диссипативные структуры [электронный ресурс]. – Режим доступа: ikt.muctr.ru/html/lek1_2.html

4. Игнатова, В.А. Концепции современного естествознания. Учебное пособиедля дистанционного обучения. - Тюмень, 2005. – 208 с.

5. Некрасов, С.И. Философия науки и техники: тематический словарь-справочник / С.И. Некрасов, Н.А. Некрасова, - Орёл: ОГУ, 2010. –  289 с