Тема 7 Что такое самоорганизация?
или
Почему из хаоса возникают сложные, упорядоченные системы.
«Что мы знаем о лисе?
Ничего! И то не все».
Б. Заходер
Образование упорядоченных структур, происходящие не за счет действия внешних сил (факторов), а в результате внутренней перестройки системы, называется самоорганизацией. Самоорганизация - фундаментальное понятие, указывающее на развитие в направлении от менее сложных объектов к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. В каждом конкретном случае самоорганизация проявляется по-разному, это зависит от сложности и природы изучаемой системы.
Вспомним, как развиваются процессы на ранних стадиях эволюции Вселенной.
Разномасштабные самоорганизующиеся системы независимо от того, к какому разделу науки они относятся, имеют единый алгоритм перехода от менее сложных и менее упорядоченных к более сложным и более упорядоченным состояниям. Разработкой теории самоорганизации занимаются несколько научных дисциплин:
Термодинамика неравновесных (открытых) систем.
Синергетика.
Теория катастроф.
Как идет процесс превращения? В каком направлении? Почему тепло переходит от горячего тела к холодному? Почему пирамида Хеопса разрушается, а не восстанавливается? Обратимые и необратимые процессы. В физике вводится понятие энтропии, как меры беспорядка в системе. Произвольно идущие процессы протекают в направлении увеличения энтропии, т.е. беспорядка в системе (точнее говорить о вероятности направления протекания процесса).
Неравновесные процессы и открытые системы.
Кристаллы - упорядоченные равновесные структуры. Но мы будем изучать совершенно другие системы и структуры. Рассмотрим несколько примеров, чтобы понять, о чем идет речь.
Общей циркуляцией атмосферы называют замкнутые течения воздушных масс в масштабах полушария или всего земного шара, приводящие к широтному и меридиональному переносу вещества и энергии в атмосфере. Главной причиной возникновения воздушных течений в атмосфере служит неравномерное распределение тепла на поверхности Земли, что приводит к неодинаковому нагреванию почвы и воздуха в различных поясах земного шара. Таким образом, солнечная энергия является первопричиной всех движений в воздушной оболочке Земли. Циркуляционные потоки в атмосфере и океанах Земли: это пример самоорганизация на Земле.
Ячейки Бенара - самоорганизация в физических явлениях. Ячейки Бенара или Рэлея-Бенара — возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, т.е. равномерно подогреваемой снизу. В качестве жидкости используется, как правило, силиконовое масло.
Химическая реакция Белоусова-Жаботинского - самоорганизация в химии. Реакция Белоусова — Жаботинского — химическая реакция, в которой возникают хаотические автоколебательные процессы. В настоящее время найдены многие реакции с таким свойством. В 1951 Б. П. Белоусов обнаружил автоколебания в реакции окисления бромата калия КBrO3 малоновой кислотой HOOC-CH2-COOH в кислотной среде в присутствии катализатора — ионов церия Ce+3. Течение реакции меняется со временем и раствор периодически меняет цвет от бесцветного (Ce+3) к жёлтому (Ce+4) и обратно. Эффект ещё более заметен в присутствии индикатора pH ферроина. Наиболее эффектно выглядит колба, если вместо лимонной кислоты использовать малоновую, а вместо ионов церия ионы железа Fе2+. Тогда раствор в колбе может часами со строгой как часы периодичностью изменять цвет во всем видимом диапазоне от рубиново-красного до небесно-голубого. Сообщение Белоусова было встречено в научных кругах скептически, поскольку считалось, что автоколебания в химических системах невозможны.
