Неравновесная термодинамика. Рождение синергетики

3. Неравновесная термодинамика. Рождение синергетики

Классическая термодинамика рассматривала изолированные системы, которые стремятся к равновесному состоянию, или же частично открытые системы, находящиеся вблизи от точки термодинамического равновесия. Поэтому для описания процессов самоорганизации использовать понятия классической термодинамики не представлялось возможным. Необходимо было ввести новые понятия и принципы, которые бы адекватно описывали реальные процессы самоорганизации, происходящие в природе.

Наиболее фундаментальным из них является понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией или информацией. Поскольку между веществом и энергией существует взаимосвязь, постольку можно сказать, что система в ходе своей эволюции производит энтропию, которая, однако, не накапливается в ней, а рассеивается в окружающей среде. Вместо нее из среды поступает свежая энергия и именно вследствие такого непрерывного обмена энтропия системы может не возрастать, а оставаться неизменной или даже уменьшаться. Из этого следует, что открытая система не может быть равновесной, ее функционирование требует непрерывного поступления энергии и вещества из внешней среды, вследствие чего неравновесие в системе усиливается. В результате прежняя взаимосвязь между элементами системы (прежняя структура) разрушается. Между элементами системы возникают новые когерентные (согласованные) отношения, которые приводят к кооперативным процессам и к коллективному поведению ее элементов.

Материальные структуры, способные рассеивать энергию, называются диссипативными. Примером может служить самоорганизация, которая возникает в химических реакциях. Она связана с поступлением извне новых реагентов, то есть веществ, обеспечивающих продолжение реакции и выведение в окружающую среду продуктов реакции. Внешне самоорганизация проявляется здесь в появлении в жидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета раствора, например, с синего на красный и обратно («химические часы»). Эти реакции впервые были исследованы отечественными учеными В. Белоусовым и А. Жаботинским. На их экспериментальной основе группой бельгийских ученых во главе с И. Пригожиным была построена теоретическая модель, названная брюсселятором (от названия города Брюссель). Эта модель легла в основу исследований новой термодинамики, которую назвали неравновесной, или нелинейной. Отличительная черта моделей, описывающих открытые системы и процессы самоорганизации, состоит в том, что в них используются нелинейные математические уравнения.

Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Герман Хакен назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает совместное, согласованное действие. Синергетика объясняет процесс самоорганизации следующим образом:

1. Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и поэтому неспособна к какой-либо организации. В этом состоянии она достигает максимума дезорганизации. Если же система находится вблизи от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и, в конце концов, придет в состояние полной дезорганизации.

2. Если упорядочивающим принципом для закрытых систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии, т.е. беспорядка, то фундаментальным принципом самоорганизации является возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации (случайные отклонения системы от некоторого среднего положения) в самом начале функционирования системы подавляются и ликвидируются ею. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и, в конце концов, приводят к «развалу» прежнего порядка и возникновению нового порядка. Этот принцип обычно называют как принцип образования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер, а именно с них начинается возникновение нового порядка и структуры, постольку появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.

4. В отличие от принципа отрицательной обратной связи, на котором основывается управление и сохранение динамического равновесия систем, возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратной связи. Согласно этому принципу изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит в результате к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушением симметрии, свойственной для закрытых равновесных систем. Для открытых систем характерна асимметрия.

6. Самоорганизация возможна лишь в системах, имеющих достаточное количество взаимодействующих между собой элементов. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного, согласованного) поведения элементов системы и возникновения процесса самоорганизации.

Это – необходимые, но не достаточные условия для возникновения самоорганизации в системе. Чем выше уровень организации системы, чем выше она находится на эволюционной лестнице, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, которые приводят к самоорганизации.

Новое понимание хаоса нашло свое выражение в знаменитом «эффекте бабочки», сформулированном Эдвардом Лоренцем, ученым-метеорологом. «Эффект бабочки» гласит: Движение крыла бабочки в Перу через серию непредсказуемых и взаимосвязанных событий может усилить движение воздуха и, в итоге, привести к урагану в Техасе.

Об этом же говорил еще в начале XX века знаменитый математик Анри Пуанкаре. Он пришел к выводу, что совершенно ничтожная величина, в силу этого ускользающая от нашего внимания, вызывает значительное действие, которое мы не могли и предусмотреть.

Казалось бы, все говорит о торжестве случая над предопределенностью. Однако то, что мы называем «случайностью» представляет собой некий порядок, выдающий себя за случайность, порядок, законов которого наука пока не может объяснить. Появился новый термин – аттрактор, который помогает понять происходящие процессы.

И. Пригожин, лауреат Нобелевской премии, в книге «Время, хаос, квант» пишет: «При исследовании того, как простое относится к сложному, мы выбираем в качестве путеводной нити понятие «аттрактора», то есть конечного состояния или хода эволюции диссипативной системы… Понятие аттрактора связано с разнообразием диссипативных систем… Идеальный маятник (без трения) не имеет аттрактора и колеблется бесконечно. С другой стороны, движение реального маятника – диссипативной системы, движение которой включает трение, - постепенно останавливается в состоянии равновесия. Это положение является аттрактором… В отсутствии трения аттрактор не существует, но даже самое слабое трение радикально изменяет движение маятника и вводит аттрактор». Для большей наглядности Пригожин облекает идею в геометрическую форму. Тогда конечная точка движения маятника – аттрактор – представляет собой финальное состояние любой траектории в пространстве.

Однако не все диссипативные системы эволюционируют к одной- единственной конечной точке, как в случае с реальным маятником. Есть системы, которые эволюционируют не к какому-нибудь состоянию, а к устойчивому периодическому режиму. В этом случае аттрактор не точка, а линия, описывающая периодические во времени изменения системы. Были построены изображения аттракторов, которые представляют собой не точку или линию, а поверхность или объем. Полной неожиданностью стало открытие так называемых странных аттракторов. В отличие от линии или поверхности, странные аттракторы характеризуются не целыми, а дробными размерностями.

Наиболее четкую классификацию аттракторов дал американский ученый Билл М. Вильямс, который около сорока лет проводил исследования хаотических процессов рынка. В его исследовании соединились достижения физики, математики и психологии. Он утверждает, что всеми внешними явлениями управляют четыре силы, извлекающие порядок из беспорядка, получившие название аттракторов:

·  Точечный аттрактор;

·  Циклический (круговой) аттрактор;

·  аттрактор Торас;

·  Странный аттрактор.

Точечный аттрактор – аттрактор первой размерности – это простейший способ привнести порядок в хаос. Он живет в первом измерении линии, которая составлена из бесконечного числа точек. Он характеризуется как некая устремленность. Так, в человеческом поведении Точечный аттрактор создает психологическую фиксацию на одном желании (или нежелании), и все остальное откладывается до тех пор, пока не будет удовлетворено (уничтожено) это желание.

Циклический аттрактор живет во втором измерении плоскости, которая состоит из бесконечного числа линий. Им характеризуется рынок, заключенный в коридор, где цена движется вверх и вниз в определенном диапазоне в течение некоторого промежутка времени. Этот аттрактор более сложен и является структурой для более сложного поведения.

Аттрактор Торас – еще более сложный аттрактор. Он начинает сложную циркуляцию, которая повторяет себя по мере движения вперед. По сравнению с двумя предыдущими аттрактор Торас вводит большую степень беспорядочности, и его модели более сложны. Графически он выглядит как кольцо или рогалик, он образует, спиралевидные круги на ряде различных плоскостей и иногда возвращается к себе, завершая полный оборот. Его основная черта – это повторяющееся действие.

Странный аттрактор из четвертого измерения. То, что поверхностный взгляд воспринимает как абсолютный хаос, в котором не заметно никакого порядка, имеет определенный порядок, базирующийся на Странном аттракторе. Его можно увидеть, только если наблюдение ведется из четвертого измерения. Его можно представить как множество пульсирующих линий в трехмерном пространстве, подобных вибрирующим струнам. Четырехмерность Странного аттрактора получается за счет добавления пульсаций (вибраций). Важнейшей характеристикой Странного аттрактора является чувствительность к начальным условиям («Эффект бабочки»). Малейшее отклонение от начальных условий может привести к огромным различиям в результате.

Вильямс утверждает, что, когда мы находимся под действием первых трех аттракторов, нами манипулируют, и мы становимся предсказуемыми. Только в динамике Странного аттрактора мы можем быть действительно свободными. Странный аттрактор организует прекрасный мир спонтанности и свободы.

Для описания сложных систем была создана новая геометрия. В 1975 г. Бенуа Мандельброт ввел понятие фрактал (от лат. – расколотый) для обозначения нерегулярных, но самоподобных структур. Возникновение фрактальной геометрии связано с выходом в 1977 г. книги Мандельброта «Фрактальная геометрия природы». Он писал: «Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в чем-то подобны целому».

Фрактальная геометрия «увидела» парадоксы, поставившие в тупик многих математиков XX века. Это и парадокс «береговой линии», парадокс «снежинка» и др.

Что это за необыкновенная «снежинка»? Представим себе равносторонний треугольник. Мысленно разделим каждую его сторону на три равные части. Уберем среднюю часть на каждой стороне и вместо нее приставим равносторонний треугольник, длина стороны которого составляет одну треть от длины исходной фигуры. Получим шестиконечную звезду. Она образована уже не тремя отрезками определенной длины, а двенадцатью отрезками длиной в три раза меньше исходной. И вершин у нее уже не три, а шесть. Повторим эту операцию вновь и вновь, число деталей в образуемом контуре будет расти и расти. Изображение приобретает вид снежинки. Связная линия, составленная из прямых (или криволинейных) участков и названная кривой Коха, обладает целым рядом особенностей. Прежде всего, она представляет собой непрерывную петлю, никогда не пересекающую саму себя, так как новые треугольники на каждой стороне достаточно малы и поэтому не сталкиваются друг с другом. Каждое преобразование добавляет немного пространства внутри кривой, однако ее общая площадь остается ограниченной и фактически лишь незначительно превышает площадь первоначального треугольника. И, кроме того, кривая никогда не выйдет за пределы окружности, описанной около него. Кривая Коха бесконечной длины теснится в ограниченном пространстве! При этом она представляет собой уже нечто большее, чем просто линия, но все же это еще не плоскость.

Итак, фракталы – это геометрические фигуры с набором очень интересных особенностей: дробление на части, подобные целому, или одно и то же преобразование, повторяющееся при уменьшающемся масштабе. Им присущи изломанность и самоподобие. Фрактальность – это мера неправильности. Например, чем больше изгибов и поворотов имеет речка, тем больше ее фрактальное число. Фракталы могут быть линейными и нелинейными. Линейные фракталы определяются линейными функциями, т.е. уравнениями первого порядка. Они проявляют самоподобие в самом бесхитростном виде: любая часть есть уменьшенная копия целого. Более разнообразным является самоподобие нелинейных фракталов: в них часть есть не точная, а деформированная копия целого. Фракталы описывают весь реальный мир.

Исходя из идеи размерности, Мандельброт пришел к выводу, что ответ на вопрос: сколько измерений имеет тот или иной объект, зависит от уровня восприятия. Например, сколько измерений имеет клубок бечевки? С огромного расстояния он выглядит точкой, имеющей нулевую размерность. Приблизимся к клубку и обнаружим, что это сфера, и у нее три измерения. На еще более близком расстоянии становится различимой сама бечевка, а объект приобретает одно измерение, но скручен таким образом, что задействуется трехмерное пространство. Под микроскопом обнаружим, что бечевка состоит из скрученных протяженных трехмерных объектов, а те, в свою очередь, из одномерных волокон, вещество которых распадается на частицы с нулевой размерностью. То есть в зависимости от нашего восприятия размерность менялась так: нулевая – трехмерная – одномерная – трехмерная – одномерная – нулевая.

Физические системы с фрактальной структурой обладают уникальными свойствами. Фракталы иначе рассеивают электромагнитное излучение, по - другому колеблются и звучат, иначе проводят электричество т.д.

Как ни парадоксально, открытие фрактальных множеств не только установило существование непрогнозируемых процессов, но и научило человека ими управлять, поскольку неустойчивость хаотических систем делает их чрезвычайно чувствительными к внешнему воздействию. При этом системы с хаосом демонстрируют удивительную пластичность. Дерево растет и ветвится вверх, но как точно изогнутся его ветви, никто не скажет. Вот почему говорится, что мир создан из хаоса.

Основные понятия темы:

Самоорганизация - процесс самопроизвольного формирования структуры более сложной, чем первоначальная.

Хаос – состояние, в котором случайность и беспорядочность становятся организующим принципом.

Порядок – организованность системы.

Равновесная термодинамика изучает замкнутые системы, в которых процессы происходят в сторону возрастания энтропии, т.е. образованию беспорядка.

Неравновесная термодинамика изучает открытые сложно организованные системы, в которых происходит самоорганизация.

Аттрактор - конечное состояние или финал эволюции диссипативной системы.

Диссипативные системы – системы, полная энергия которых при движении убывает, переходя в другие виды движения, например, в теплоту.

Точка термодинамического равновесия – состояние с максимальной энтропией.

Флуктуации – случайные отклонения системы от некоторого среднего положения.

Открытая система – система, которая обменивается со своим окружением веществом, энергией или информацией.

Тема 9. Микромир. Квантовая физика