Возникновение самоорганизации

При определенных условиях суммарное уменьшение энтропии за счет взаимодействия с внешней средой может превысить ее внутреннее производство. Появляется неустойчивость предшествующего неупорядо-ченного состояния, возникают крупномасштабные флуктуации, которые могут возрасти до макроскопического уровня. При этом из хаоса могут возникнуть структуры, которые начнут последовательно переходить во все более упорядоченные. Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы. Такое явление получило название самоорганизации. Пригожин назвал упорядоченные образования, возникающие в диссипативных системах в ходе неравновесных необратимых процессов, диссипативными структурами.

Рассмотрим свойства систем, в которых возможны подобные процессы.

Для развития процессов самоорганизации система должна быть открытой, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой. Изолированная система, согласно второму началу термодинамики, эволюционирует к состоянию с максимальной энтропией, т.е. максимальной дезорганизацией. В открытых системах ключевую роль могут играть случайные факторы.

Открытая система должна находиться достаточно далеко от состояния термодинамического равновесия, т.е. быть неравновесной. В этом случае система может приспосабливаться к своему окружению различными способами, поэтому при одних и тех же значениях параметров возможно несколько различных решений. Отклонение от равновесия должно превышать некоторое пороговое значение.

Неравновесная система способна избирательно воспринимать различия во внешней среде. На ее эволюцию могут оказать значительное влияние более слабые взаимодействия, нежели более сильные, если первые окажутся адекватными собственным тенденциям системы (например, явление резонанса). Такие системы называются нелинейными, их поведение описывается нелинейными уравнениями. На нелинейные системы не распространяется принцип суперпозиции, совместное воздействие двух причин может привести к последствиям, которые не имеют ничего общего с результатами этих воздействий в отдельности. Процессы в нелинейных системах часто носят пороговый характер – при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком, если внешний параметр достиг критического значения. Это приводит к тому, что в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских, способных разрушить существующую структуру и привести ее в качественно новое состояние. Этот процесс называется образованием порядка через флуктуации или порядком из хаоса.

Микроскопические процессы должны происходить согласованно (кооперативно или когерентно). Это означает, что система ведет себя как единое целое. Отметим различие в поведении саморазвивающихся и саморегулирующихся систем. Саморегулирующаяся система гасит возникающие отклонения (флуктуации) при функционировании отрицательных обратных связей. В этом случае обеспечивается сохранение прежнего качества. Для самоорганизации и появления нового качества необходимы положительные обратные связи, которые накапливают и усиливают отклонения в системе.

Самоорганизация может начаться лишь в системе, обладающей достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов.

Таким образом, существуют условия, при выполнении которых система способна к самоорганизации:

· открытость;

· неравновесность;

· нелинейность;

· наличие положительных обратных связей.

В цикле развития открытых неравновесных систем можно выделить две фазы.

1 Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными последствиями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию (точке бифуркации).

2 Выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое состояние с бóльшей степенью сложности и упорядоченности.

Еще раз подчеркнем пороговый характер процессов самоорганизации. Математически это отражено в понятии катастрофы – скачкообразном изменении, вызванном плавными внешними воздействиями. Катастрофа означает потерю системой устойчивости.

Переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы “сваливается ” в одно из нескольких возможных устойчивых состояний. В точке бифуркации эволюционный путь системы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана – решает случай. Можно просчитать варианты возможных путей эволюции системы, но нельзя однозначно спрогнозировать, какой именно путь развития будет выбран. Случайность – это не досадное недоразумение, случайность встроена в механизм эволюции. Нынешний путь эволюции системы, возможно, не лучше, чем те, которые были отвергнуты случайным выбором.

Сама природа ограничивает наши возможности прогнозирования событий. Однако у нас всегда остается возможность важных качественных заключений.

Представляет интерес возможность управления сложными системами.

В открытых системах можно менять потоки энергии и вещества и тем самым регулировать образование диссипативных структур. При неравновесных процессах, начиная с какого-то критического для данной системы значения внешнего потока, из неупорядоченных хаотических состояний за счет потери их устойчивости могут возникать упорядоченные состояния.

Сказанное поясняет рисунок 8. Пусть параметр Х – характеристика или свойство сложной системы, а λ − управляющий (или возмущающий) параметр. При малых значениях λ существует одно решение, характеризующее термодинамически устойчивое состояние системы. При некотором критическом значении λ_кр. (точка бифуркации B) происходит переход к новому состоянию, система характеризуется двумя решениями.

 

 

Рисунок 8 – Влияние возмущающего параметра на устойчивость системы

 

В заключение сформулируем позиции, характеризующие новизну синергетического подхода:

1 хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность);

2 линейный характер эволюции сложных систем, к которым привыкла классическая наука, не правило, а скорее исключение: развитие большинства сложных систем носит нелинейный характер. Для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

Примеры самоорганизации в природе.