Естествознание. Базовый уровень. 11 класс - Сергей Титов

Со временем и под влиянием различных причин параметры порядка могут меняться. Это изменение в значительной степени зависит от конкуренции различных параметров. Давайте представим себе такой опыт.

Рис. 31. Люди, собирающиеся вокруг сцены, являются примером самоорганизующейся системы

Возьмём стакан с плоским дном. Большая часть дна сделана из твёрдого материала, но в одном участке это дно будет изготовлено из мягкого пластика, способного деформироваться под действием силы. Насыпем в стакан достаточно тяжёлые шарики, например дробь, и будем его периодически встряхивать. Вначале дробь распределяется равномерно по всему дну стакана. Но постепенно мягкая часть будет продавливаться, и в неё будет скатываться больше дробин, чем их останется на плоской части. Под действием веса этих дробин лунка будет углубляться, и в неё будет попадать ещё больше дробин, пока, наконец, лунка не станет очень глубокой, и тогда в ней окажутся все дробины.

Рис. 32. Процесс образования продавливания в эластичном дне сосуда

Теперь допустим, что на дне стакана имеется два таких растяжимых участка. В обоих будут продавливаться лунки. Но если после очередного встряхивания в правой лунке окажется чуть больше дробин, чем в левой, то правая лунка станет глубже, чем левая, и при следующем встряхивании в неё уже закономерно попадёт больше дробин, в результате чего она станет ещё глубже (рис. 32). В конце концов правая лунка станет настолько глубже левой, что все дробины, или по крайней мере подавляющее большинство окажутся в ней. Но мы знаем, что обе лунки ничем не различаются. От чего же зависит результат, который покажет, какая из них станет «победителем»? Очевидно, что этот результат определяется чистой случайностью, небольшой флуктуацией при одном из первых встряхиваний стакана, и именно эта флуктуация определяет, какой из двух параметров порядка окажется победителем, т. е. в каком из двух изначально одинаковых мягких участков дна стакана окажется подавляющее большинство дробин.

1. Что означает понятие «синергетика»?

2. Объясните, почему существование самоорганизации не противоречит второму началу термодинамики.

3. Что такое параметр порядка? Приведите примеры параметров порядка из собственной жизни.

4. Что синергетика считает начальной причиной возникновения самоорганизации?

1. Придумайте и предложите опыт, отличный от описанного в параграфе, демонстрирующий конкуренцию разных параметров порядка.

2. Приведите примеры конкуренции параметров порядка из реальной жизни. Обсудите их с одноклассниками.

§ 16 Области применения синергетики

В любой попытке сблизить области опыта, относящиеся к духовной и физической сторонам нашей натуры, время занимает ключевую позицию.

Большой интерес к синергетике объясняется тем, что её принципы применимы для описания самых разнообразных систем и происходящих в них процессов – от относительно простых химических реакций до развития общества. Мы рассмотрим несколько примеров, взятых из различных областей человеческого знания.

Напомним, что впервые идеи синергетики появились на основе термодинамики неравновесных процессов, разработанной И. Р. Пригожиным.

Рис. 33. Реакция Белоусова – Жаботинского

В частности, Пригожиным была создана химическая модель, в которой в результате происходящих в химической системе реакций концентрации составляющих её веществ изменяются согласно строгим колебательным закономерностям. Такой периодический химический процесс Пригожин назвал химическими часами, а сама модель получила название «брюсселятора», так как её автор жил и работал в Брюсселе. Одной из самых известных химических реакций, где происходят строгие и хорошо наблюдаемые периодические процессы, является реакция Белоусова – Жаботинского (рис. 33). Раствор со строгой периодичностью меняет свой цвет, становясь попеременно то красным, то синим. Оказалось также, что при таких реакциях периодичность возникает не только во времени, но и в пространстве. Как говорил сам В. П. Белоусов, «колба становится похожей на зебру». Если же смесь реагирующих веществ налить тонким слоем в плоский сосуд, то в ней образуются причудливые фигуры – концентрические окружности, спирали и «вихри», распространяющиеся со скоростью около 1 мм/мин (рис. 34). Результаты этих исследований поначалу казались настолько неожиданными и несовместимыми с представлениями классической термодинамики, что научные журналы отказывались их печатать.

А теперь вспомним, что говорилось о закономерностях периодического колебания численности лис и зайцев. Тогда мы утверждали, что точно такие же закономерности можно наблюдать в некоторых химических процессах. Теперь вы в этом убедились.

Вернёмся ещё раз к проблеме, касающейся процессов, которые Пригожин называет возникновением порядка из флуктуаций.

Рис. 34. Некоторые конфигурации, возникающие при реакции Белоусова – Жаботинского в тонком слое в чашке Петри

Мы уже отмечали сходство возникновения ячеек Бенара, движения пловцов в бассейне и продавливания дробинами углублений в дне стакана. Познакомимся ещё с одним примером, который приводит тот же Пригожин и который касается на этот раз поведения животных.

Термиты способны строить огромные и сложные земляные сооружения – термитники (рис. 35). В строительстве принимает участие огромное количество насекомых, и движения их кажутся такими слаженными, что некоторые учёные говорили о существовании «коллективного разума» термитов. Однако при детальном исследовании было показано, что для проявления такого «коллективного разума» требуется очень мало информации. Вначале термиты совершенно беспорядочно разбрасывают комочки земли, но каждый комочек пропитан гормоном, привлекающим других термитов. Через некоторое время в результате случайной флуктуации в каком-то месте плотность комочков окажется большей, чем по соседству. Теперь к этому месту будет стремиться большее количество термитов, и флуктуация будет нарастать, так как концентрация гормона в этом месте будет продолжать увеличиваться. Так воздвигается одна из опор будущего термитника. Другие опоры возникнут в местах, определяемых радиусом распространения запаха гормона, т. е. примерно на одинаковых расстояниях друг от друга. Так происходит закладка основания термитника.

Организующую роль параметров порядка можно наблюдать и в человеческом обществе. В качестве таких параметров могут выступать язык, культура, законы, принятые нормы поведения и общественное мнение. Тут, как и в других случаях синергетики, выявляется интересная взаимная связь между управляющим параметром, который определяется целостностью системы и частями этой системы. По выражению Хакена,

«параметр порядка действует подобно кукольнику, который задаёт танец марионеток, но решающее различие между кукольником и параметром порядка заключается в том, что отдельные части, в свою очередь, сами генерируют параметр порядка своим коллективным поведением».

Рис. 35. Термитник

При изменении внешних условий, т. е. при каком-либо воздействии на систему, параметры порядка реагируют гораздо медленнее, чем части системы. Кроме того, часто, как, например, в человеческом обществе, параметры порядка существуют гораздо дольше, чем отдельные элементы системы. Очевидно, что продолжительность жизни человека значительно меньше, чем время существования государства, языка или культуры.

Определённые установившиеся параметры порядка могут в течение некоторого времени способствовать сохранению устойчивости управляемой системы. Но постепенно в результате изменения либо внешних условий, либо состояния и структуры элементов системы и характера их взаимодействий регулирующая роль управляющего параметра ослабевает, и система переходит в неустойчивое состояние. В этом случае система может или разрушиться, или изменить управляющие параметры, возможно даже отвергнуть некоторые из них.

Как и прежде, мы обратим внимание на тот факт, что такие закономерности присущи уже химическим реакциям. Если в сосуд, где протекает реакция, постепенно добавлять какое-то вещество, то до определённого времени эта реакция протекает по закономерной устойчивой траектории, т. е. количество продуктов реакции в каждый момент её протекания вполне предсказуемо. Но когда концентрация этих продуктов достигает определённого уровня, состояние химической системы становится неустойчивым, и она должна резко измениться. Такое состояние в синергетике называется точкой бифуркации. В этой точке концентрация одного из входящих в смесь веществ должна либо резко возрасти, либо резко снизиться.