Образование диссипативных структур в последние годы многократно наблюдалось и в химии (осциллирующие реакции), особенно в катализе при исследовании катализаторов методами in situ, т.е. позволяющими наблюдать за катализаторами непосредственно в ходе реакции. Типичными примерами этих структур, свойственными только неравновесным процессам, являются временные и пространственно-временные диссипативные структуры, такие как изотермические осцилляции скорости каталитической реакции и образование химических волн. Оба типа структур наблюдаются как для гетерогенных, так и для гомогенных каталитических систем. Чисто пространственные диссипативные структуры в катализе известны пока меньше в связи с трудностями их экспериментального обнаружения на фоне равновесной реконструкции поверхности катализатора под действием реакционной среды. [ 1 ]
Движущей силой образования диссипативных структур в физико-химических системах могут быть градиенты температур, давлений, химических или электрохимических потенциалов, внешних электрических и магнитных полей. Например, когда начинается процесс кристаллизации в переохлажденном расплаве на зародыше, то энергия системы изменяется в двух противоположных направлениях: увеличивается за счет образования новой поверхности раздела, т.е. за счет поверхностного натяжения, и уменьшается за счет выделения теплоты кристаллизации. Оба эти прэцесса нелинейны, и если их характеристические времена оказываются близкими друг к другу, то возникают благоприятные условия для взаимосогласованного поведения частей системы и образования в ней упорядоченных диссипативных структур при кристаллизации. [ 2 ]
Уравнения (6) описывают образование стационарной диссипативной структуры. Действительно, предположим, что мы подожгли горючую смесь в некоторой малой области среды. [ 3 ]
| Ячейки Бенара.| Зависимость скорости переноси теплоты от разности. |
Такая внутренняя перестройка приводит к образованию диссипативных структур, то есть структур, сформированных с целью более интенсивного рассеяния энергии, подводимой в систему. [ 4 ]
Мы подробно обсуждаем понятия, позволяющие описывать образование диссипативных структур, например понятия теории бифуркаций. Следует подчеркнуть, что вблизи точек бифуркации в системах наблюдаются значительные флуктуации. Такие системы как бы колеблются перед выбором одного из нескольких путей эволюции, и знаменитый закон больших чисел, если понимать его как обычно, перестает действовать. Небольшая флуктуация может послужить началом эволюции в совершенно новом направлении, которое резко изменит все поведение макроскопической системы. Неизбежно напрашивается аналогия с социальными явлениями и даже с историей. Далекие от мысли противопоставлять случайность и необходимость, мы считаем, что оба аспекта играют существенную роль в описании нелинейных сильно неравновесных систем. [ 5 ]
Для того чтобы воспользоваться для анализа условий образования диссипативных структур при пластической деформации кристаллов уравнениями (3.49) - (3.58), необходимо прежде всего выбрать пространство для рассматриваемой системы дефектов. [ 6 ]
Приведенные простые примеры иллюстрируют главные механизмы, ведущие к образованию стационарных диссипативных структур. [ 7 ]
Нелинейность - формальная математическая, характеристика процессов, ведущих к образованию диссипативных структур. Физические системы при больших отклонениях от равновесного состояния ведут себя нелинейно. [ 8 ]
Видно нарушение симметрии в пространственном распределении атомов сорта В при образовании диссипативной структуры. [ 9 ]
Отрицательный знак производства избыточной поверхностной энтропии представляет собой достаточное условие для образования поверхностных диссипативных структур. [ 10 ]
| Последовательные бифуркации. А и А - точки первичных бифуркаций из термодинамической ветви. В и В - точки вторичных бифуркаций. |
Система (7.20) является модельной для описания различных явлений физики, в том числе образования диссипативных структур типа ячеек Бенара. При г 1: X О, У - - О, Z - Q при t - оо (рис. 7.16, а) диссипативных структур не возникает, состояние соответствует термодинамической ветви. Наконец, при г ] Ь 1ига (а b 3) / (с 1 - Ъ) решение не выходит ни на стационарный, ни на периодический режим. Таким образом, система из трех уравнений (7.20) описывает стохастические процессы без введения каких-либо флюктуирующих сил. Решение, показанное на рис. 7.16, Ь называют странным аттрактором. Аттракторы - это множество значений, на которые система выходит при f - оо. [ 11 ]
В этом случае изменения в системе во времени происходят через установление новых концентрационных зависимостей за счет образования диссипативных структур и в конечном итоге соответствующих преобразований инфраструктуры системы. На указанные преобразования, а точнее на степень и скорость преобразований, оказывают влияние начальное состояние системы, скорости появления и размеров диссипативных структур, наличие в системе других случайных флуктуации, естественный или вынужденный выбор системой направления изменения инфраструктуры. [ 12 ]
Как установлено, горное давление за счет набухания дород может в 1 5 - 2 5 раза превышать геостатическое давление вследствие образования диссипативных структур воды, находящейся в порах и микротрещинах горных пород, что приводит к движению систем глина - вода из области большего в область меньшего давления и смятию колонн. [ 13]
Как установлено, горное давление за счет набухания пород может в 1 5 - 2 5 раза превышать геостатическое давление вследствие образования диссипативных структур воды, находящейся в порах и микротрещинах горных пород, что приводит к движению систем глина - вода из области большего в область меньшего давления и смятию колонн. [ 1 ]
Однако главным здесь является методическая сторона подхода к описанию установленного явления: авторы рассматривали разрушение как процесс релаксации давления с помощью образования диссипативных структур - каскада центров разрушения. При этом было показано, что при делокализованном динамическом инициировании центров зарождения разрушения процесс разрушения переходит с одного масштабного уровня, характеризуемого ансамблем начальных центров разрушения меньшего размера, на следующий уровень, где образуются центры разрушения большего размера. Таким образом, была установлена зависимость между средним размером центров разрушения и их концентрацией. Фактически эта зависимость может быть аппроксимирована с помощью подходов, развитых в механике рассеянных повреждений для практического использования при оценке характера и степени разрушения различных материалов в условиях ударноволнового нагружения. [ 2 ]
В шестой главе на ряде примеров теоретически и экспериментально показано, что движение реофизически сложных сред сопровождается процессами самоорганизации, которые могут привести к образованию диссипативных структур и смене детерминированного поведения хаотическим. [ 3 ]
Нестационарные режимы функционирования в сочетании с нелинейными характеристиками процессов вдали от равновесия приводят к качественно новым сложным формам поведения контактно-каталитических систем - хаотическим колебаниям, образованию диссипативных структур, явлениям самоорганизации сложных систем-вдали от равновесия. Обнаружение этих новых форм поведения контактно-каталитических процессов открывает путь к научно-обоснованным методам создания кибернетически организованных контактно-каталитических процессов с заранее заданными статическими и динамическими свойствами. [ 4 ]
| Зависимость общего Образование потока теплоты Уд, передаваемого вертикально в системе,. х изображенной на, от разности температур ДГ ниж. |
При переходе от докритического к надкритическому режиму спонтанно меняется симметрия системы, что аналогично термодинамическим фазовым переходам. Поэтому переходы с образованием пространственных диссипативных структур в неравновесных системах иногда называют кинетическими фазовыми переходами. [ 5 ]
Совсем недавно Николис и Пригожий 12 ] показали, какую важную роль играют флуктуации вблизи точек ветвления. Этот стохастический подход подчеркнул нуклеативный процесс образования диссипативных структур, который вызывается флуктуациями закритического размера. [ 6 ]
Видно, что система может иметь синусоидально изменяющуюся пространственную структуру. Если волновое число п - четное, то имеется устойчиво симметричная статическая бифуркация, приводящая к образованию устойчивых закритических диссипативных структур. Если число п - нечетное, то имеется асимметричная статическая бифуркация, ведущая к образованию транскритических диссипативных структур с устойчивыми областями, обозначенными Jiaj. Таким образом, если химические вещества распределены в пространстве вдоль линии, то как пространственные, так и временные структуры могут спонтанно образовываться из-за неустойчивости основной термодинамической ветви. [ 7 ]
Видно, что система может иметь синусоидально изменяющуюся пространственную структуру. Если волновое число п - четное, то имеется устойчиво симметричная статическая бифуркация, приводящая к образованию устойчивых закритических диссипативных структур. Если число п - нечетное, то имеется асимметричная статическая бифуркация, ведущая к образованию транскритических диссипативных структур с устойчивыми областями, обозначенными на графике сплошной линией. Таким образом, если химические вещества распределены в пространстве вдоль линии, то как пространственные, так и временные структуры могут спонтанно образовываться из-за неустойчивости основной термодинамической ветви. [ 8 ]
Пригожина методов термодинамики неравновесных процессов, в частности синергетики [66], оказывается полезным в ряде случаев для качественного объяснения процессов образования диссипативных структур, но они опять-таки являются периодическими. [ 9 ]
Третья глава посвящена вопросам моделирования движения сложно построенных сред. Наиболее важными здесь, на наш взгляд, являются разделы, в которых показано, что движение реофизически сложных сред сопровождается процессами самоорганизации, которые могут привести к образованию диссипативных структур и смене детерминированного поведения хаотическим. Установлены закономерности переходов, которые могут быть использованы при назначении оптимальных режимов функционирования систем нефтегазодобычи и создании реотехнологических способов воздействия на них. [ 10 ]
Согласно структурно-энергетической теории фундаментальная закономерность трения и износа проявляется благодаря главному физическому механизму - явлению структурно-энергетической приспосабли-ваемости материалов при механических и термомеханических процессах. Теория базируется на экспериментальном факте: для всех материалов и рабочих сред существуют диапазоны нагрузок и скоростей перемещения, в которых показатели трения и износа устойчивы, на несколько порядков ниже, чем вне этих диапазонов, и которые определяются критическими значениями энергии активирования и пассивации, соответствующими условиями образования защитных упорядоченных диссипативных структур, обладающих свойством минимального производства энтропии. [ 11 ]
Согласно структурно-энергетической теории фундаментальная закономерность трения и износа проявляется благодаря главному физическому механизму - явлению структурно-энергетической приспосабливаемое материалов при механических и термомеханических процессах. Теория базируется на экспериментальном факте: для всех материалов и рабочих сред существуют диапазоны нагрузок и скоростей перемещения, в которых показатели трения и износа устойчивы, на несколько порядков ниже, чем вне этих диапазонов, и которые определяются критическими значениями энергии активирования и пассивации, соответствующими условиями образования защитных упорядоченных диссипативных структур, обладающих свойством минимального производства энтропии. [ 12 ]
Из рис. 3.21 видно, что при В Вс (рис. 3.21, а) термодинамическая ветвь становится неустойчивой. При четном п (рис. 3.21, а) в точке Вс система испытывает внезапный переход на одну из двух ветвей, соответствующих диссипативной структуре; последние устойчивы при В Вс. Естественно, что образование диссипативной структуры после наступления неустойчивости в первоначально однородной среде приводит к нарушению симметрии этой среды. [ 13 ]
| Ламинарное (а и турбулентное (б течения жидкости. |
Одним из типичных примеров самоорганизации диссипативных структур является переход ламинарного течения жидкости в турбулентное. Таким образом, гидродинамическая неустойчивость при переходе ламинарного течения в турбулентное связана с образованием динамических диссипативных структур в виде вихрей. [ 1 ]
Видно, что система может иметь синусоидально изменяющуюся пространственную структуру. Если волновое число п - четное, то имеется устойчиво симметричная статическая бифуркация, приводящая к образованию устойчивых закритических диссипативных структур. Если число п - нечетное, то имеется асимметричная статическая бифуркация, ведущая к образованию транскритических диссипативных структур с устойчивыми областями, обозначенными Jiaj. Таким образом, если химические вещества распределены в пространстве вдоль линии, то как пространственные, так и временные структуры могут спонтанно образовываться из-за неустойчивости основной термодинамической ветви. [ 2 ]
Видно, что система может иметь синусоидально изменяющуюся пространственную структуру. Если волновое число п - четное, то имеется устойчиво симметричная статическая бифуркация, приводящая к образованию устойчивых закритических диссипативных структур. Если число п - нечетное, то имеется асимметричная статическая бифуркация, ведущая к образованию транскритических диссипативных структур с устойчивыми областями, обозначенными на графике сплошной линией. Таким образом, если химические вещества распределены в пространстве вдоль линии, то как пространственные, так и временные структуры могут спонтанно образовываться из-за неустойчивости основной термодинамической ветви. [ 3 ]
Таким образом, термодинамический порог самоорганизации достигается, когда термодинамическая ветвь претерпевает первую бифуркацию. В точке бифуркации динамика системы определяется существующими в системе нелинейностями. Когерентное поведение больших ансамблей атомов или молекул становится возможным и при благоприятных условиях приводит к образованию диссипативных структур. Можно сказать также, что за термодинамическим порогом самоорганизации мы вступаем в область синергетики: огромное число степеней свободы макроскопических систем резко сокращается. Миллиарды и более молекул оказываются подчинены, если воспользоваться терминологией Хакена [1.54], небольшому числу мод. [ 4 ]
Сделаем краткое отступление и поясним, что образование макроструктур в среде взаимодействующих маломасштабных элементов следует из общих принципов синергетики (Хакен, 1983) - науки о самоорганизации, - фундаментальном свойстве неравновесных, энергетически открытых нелинейных систем. Синергетика носит весьма универсальный характер и применима к любым энергетически открытым нелинейным и неравновесным системам. В последней основное внимание уделяется процессам, далеким от термодинамического равновесия. В энергетически открытых системах такой подход связан с образованием диссипативных структур, на границе фазовых областей. Второе начало термодинамики указывает стрелу времени, т.е. в каком направлении следует ожидать ход процесса. [ 5 ]
Возникновение порядка, согласно второму закону термодинамики, может иметь место только в открытой системе. Поведение системы, кроме того, должно быть существенно нелинейным. Процесс самоорганизации в такой системе сопровождается неустойчивостью траектории стационарного состояния, термодинамической ветви, соответствующей поведению типа термодинамического равновесия. Как для химических, так и биохимических реакций имеются экспериментальные данные об образовании диссипативных структур. [ 6 ]
Неустойчивости, обычно возникающие за точками бифуркации, обязаны своим появлением термодинамическим флюктуа-циям, которые могут быть причиной вывода системы из равновесия. Возможен случай, когда неустойчивость приводит к появлению нового состояния системы, которое стабилизируется во времени и пространстве. Такое состояние означает, по существу, образование новой так называемой диссипативной структуры, характеризующейся согласованным поведением системы. Термин диссипативные структуры специально введем для того, чтобы подчеркнуть отличие от равновесных структур. Диссипативные структуры являются поразительным примером, демонстрирующим способность неравновесности служить источником упорядоченности. Механизм образования диссипативных структур следует четко отличать от механизма формирования равновесных структур, основанного на больцмановском принципе упорядоченности. [ 7 ]
Хакена [1] получила название синергетика Это название происходит от греческого synergeticos, что означает совместное или кооперативное действие. Впервые этот термин был введен и именно в этом смысле английским физиологом Шаррингтоном около ста лет назад в ходе исследования мышечных систем и управления ими со стороны спинного мозга. Идеи синергетики находят применение в различных областях естествознания: физики, биологии, социологии, лингвистики, химии и химической технологии. Синергетика способна ответить на два важных вопроса. Первый вопрос - почему в той или иной системе возникают диссипативные структуры. Второй - каким образом они возникают, каков сценарий их образования. Первая - термодинамика необратимых процессов отвечает на вопрос почему возникают диссипативные структуры, каковы причины их образования. Вторая - математический аппарат синергетики помогает раскрыть секреты сценария образования диссипативных структур. В термодинамике необратимых процессов существуют две термодинамические функции Ляпунова, которые как бы построены самой природой естественных процессов. Первая функция Р является разностью между производством энтропии системы в любом состоянии и производством энтропии системы в стационарном состоянии У - о а, где а - производство энтропии, черта соответствует стационарному состоянию. Покажем, что функция ЧР действительно является функцией Ляпунова. Вблизи равновесия в стационарном состоянии производство энтропии минимально. Следовательно, функция Ч равна нулю в состоянии стационарности, а вне ее положительна. Функция 4J является мерой устойчивости состояний вблизи равновесия. Вдали от равновесия мерой устойчивости является вторая термодинамическая функция - вторая вариация энтропии системы 82S [2,3], являющаяся отрицательной квадратичной формой и равная нулю в состоянии стационарности. Поэтому большой удачей для исследователей является построение производной такой термодинамической функции Ляпунова, по знаку которой можно судить будут ли в той или иной системе возникать диссипативные структуры. [ 8 ]
Диссипативные структуры
Пусть будет некоторая открытая система, из которой постоянно удаляется шлак избыточной энтропии за счет роста энтропии внешней среды. Эта система является "диссипативной структурой". Пригожий с сотрудниками [16, 17] показали, что диссипативными структурами будут являться все разнообразные колебательные, пространственно организованные и пространственно-временные упорядоченные системы.
Для возникновения диссипативных структур необходимы следующие условия:
1. система должна быть открытой и находиться вдали от термодинамического равновесия;
2. в системе должны протекать различные каталитические и кросс-каталитические процессы, а также наблюдаться регуляция по типу обратной связи;
3. после некоторого критического значения параметров системы или какого-либо внешнего воздействия состояние системы становится неустойчивым и система может перейти в новое стационарное состояние, режим которого соответствует упорядоченному состоянию.
Под влиянием флуктуации отдельные элементы системы, взаимодействуя, обнаруживают свойства, характеризующие систему в целом, которые невозможно предсказать на основании свойств ее отдельных элементов. Такие структуры хорошо описываются нелинейными дифференциальными уравнениями. Примеры диссипативных структур можно взять из разных областей – физики, химии, биологии.
Одной из давно известных таких самоорганизующихся структур является реакция Белоусова-Жаботинского [18, 19]. Бросается в глаза большое число промежуточных соединений системы, которые соответствуют такому же числу дифференциальных уравнений. Для каждого из этих уравнений константа скорости должна быть получена из эксперимента. Один из этапов реакции является автокаталитическим.
Диссипативные структуры
Введение
Открытые системы, содержащие химически реагирующие смеси и удерживаемые от релаксации к термодинамическому равновесию, проявляют способность к характерным коллективным эффектам. В частности, в них самопроизвольно зарождаются макроскопически упорядоченные состояния (т.н.диссипативные структуры). Основными результатами теории диссипативных структур является множественность состояний, различающихся по типу пространственной организации, возможность как спонтанных, так и индивидуальных переходов между этими состояниями, универсальное описание динамики становления макроскопической упорядоченности. Способность к самоорганизации широкого круга физико-химических систем открывает возможность моделирования процессов десимметризации и усложнения пространственной организации в ходе эмбрионального развития многоклеточных организмов.
Библиографию темы составляют работы Николиса Г., Пригожина И. «Самоорганизация в неравновесных системах», М. 1979, Полака Л.С., Михайлова А.С. «Самоорганизация в неравновесных физико-химических системах», М. 1983, Смирновой Н.А. «Методы статистической термодинамики в физической химии ».М. 1973 и др.Задачи:
- раскрыть понятие диссипативных структур как универсального механизма возникновения пространственно-временного упорядочения открытых систем;
- осветить концепции происхождения жизни на Земле;
- охарактеризовать самоорганизацию на клеточном уровне и в многоклеточных системах.
Глава 1.
Диссипативные структуры как универсальный механизм возникновения пространственно-временного упорядочения открытых систем.
1.1. Диссипативные структуры и самоорганизация.
Согласование поведения осуществляется благодаря связи между подсистемами. Универсальным механизмом связи подсистем выступает поле - пространственно-временная неравномерность распределения управляющего параметра. Для опыта Бенара это будет поле распределения температурного градиента, поскольку оно в каждый момент определяет характер движения частиц. Такие структуры, образующиеся в неравновесной области вследствие притока отрицательной энтропии и характеризующиеся кооперативным поведением подсистем, Пригожин назвал диссипативными (от франц. dissipation - расселение, растрата).1 Изложив обе концепции, попытаемся соотнести описанные в них феномены.
Различия в описаниях носят прежде всего методический характер. Диссипативные структуры описаны для всех уровней структурной организации от субатомного (лазер) до организменного (агрегация у амеб). Этническая система - явление популяционного уровня. Лабораторный эксперимент, применяемый на объектах низких уровней организации, в этногенезе применен быть не может. Однако методика этнологии остается естественнонаучной, поскольку вместо эксперимента применяется метод эмпирического обобщения проверенных наблюдений.
1. Николис Г., Пригожин И. Самоорганизация в неравновесных системах. М. 1979.
В.И.Вернадский считал, что такой метод дает результаты по достоверности аналогичные наблюденному факту. Следовательно, методическая разница работ Л.Н.Гумилева и И.Пригожина не принципиальна. Сходство описанных феноменов должно проявляться в тождестве поведения диссипативных структур и этнической системы. Так как поведение диссипативных структур разных уровней аналогично, ограничимся сопоставлением поведения этнической системы и диссипативной структуры организменного уровня - агрегация амеб-слизевиков.
Слизевики - одноклеточные организмы, но агрегируясь в колонию, ведут себя подобно многоклеточным. В первой фазе роста организм существует в виде отдельных амеб. Затем рост прекращается и во второй фазе некоторые амебы начинают выделять в среду особой вещество - цАМФ. Выделение ими порций цАМФ создает градиент его концентрации, причем другие амебы сначала мигрируют под действием градиента к "центрам", а затем и сами начинают испускать сигналы цАМФ к периферии. Испускание коллективных сигналов позволяет каждому "центру" контролировать порядка 10 амеб, так что колония ведет себя как единый организм. В конце второй фазы колония мигрирует до тех пор, пока не обнаружит участок среды, пригодный для образования плодового тела. Если такой участок найден, колония дифференцируется. Третья фаза развития колонии слизевиков - образование плодового теле, когда в результате дифференциации образуется стебель, несущий мириады спор.1 Если взять в качестве материала этногенез античного мира (суперэтноса толчка VIII в. до н. э.), то можно проследить аналогичные фазы в эволюции поведения.
1. Белинцев Б.Н. Диссипативные структуры и проблема биологического формообразования. М. 1983.С. 9 – 14.
В первой фазе - пассионарном подъеме, пришедшемся на VIII-VII вв. до н. э., античный мир существовал в виде отдельных полисов. Подчинение в эту эпоху считалось эквивалентом рабства. Вторая фаза - акматическая - приходится на V-III вв. до н. э. В эту эпоху пассионарность суперэтноса была максимальна и начался процесс консолидации вокруг наиболее пассионарных центров суперэтноса. В качестве таковых выступали Афины, Спарта, Фивы, дикая Македония. Это эпоха союзов, нашедшая свое окончательное выражение в империи Александра Великого, К концу этой фазы, еще при жизни Александра, проявляет себя тенденция к миграции пассионарности из старых центров к новым, расположенным на периферии античного мира - Александрии, Антиохии и другим. После смерти Александра его империя распадается на царства диадохов. Третья и четвертая фазы - надлом и инерция - связаны с падением пассионарности системы. Этот спад в течение II в. до н.э. - II в.н.э.вывел на первое место Рим, лежащий на окраине этноландшафтного ареала суперэтноса. Именно в инерционной фазе этногенеза создалась античная цивилизация - Pax Romana - как результат этногенеза античного мира. Такое же сходство с поведением этноса легко отметить и для диссипативных структур всех других уровней организации. Так, аналогии с лазером позволяют смотреть на этногенез как на эффект усиления живого вещества биосферы при помощи космического излучения, что подтверждает высказанную Гумилевым гипотезу происхождения пассионарных толчков.1 Такое же сходство с поведением этноса легко отметить и для диссипативных структур других уровней организации. Так, аналогии с лазером позволяют смотреть на
1. Гумилев Л.Н.Этногенез и биосфера Земли.М.1989.; Древняя Русь и Великая Степь. М. 2001.
этногенез как на эффект усиления живого вещества биосферы при помощи космического излучения, что подтверждает высказанную Гумилевым гипотезу происхождения пассионарных толчков.
Эти аналогии - свидетельство единой природы этногенеза и диссипативных структур. Равновесным состоянием этносов является этноландшафтный гомеостаз, а условия равновесия в разных этносах также приводят к одинаковым макроскопическим результатам. Именно поэтому этносы, находящиеся в гомеостазе, имеют схожие стереотипы поведения.Потоком отрицательной энтропии (энергии) выступает пассионарность, хотя ее поступление в этнос опосредовано космическим излучением, мутацией генофонда и воспроизведением пассионарного признака в потомстве. Следовательно, управляющим параметром в этногенезе надо считать уровень пассионарного напряжения в системе (разность уровней пассионарности в данный момент времени и в гомеостазе). Принцип связи подсистем в этносе (комплиментарность) также базируется на феномене поля, порожденного управляющим параметром (пассионарностью). Поэтому самоорганизация в этносфере - это образование этнически разных рангов (субэтносов, этносов и суперэтносов),связанное с достижением критических управляющих параметров (определенных значений уровня пассионарного напряжения). Подобным образом основу самоорганизации в этносах составляет согласованное (кооперативное) поведение,выраженное через общность этнического стереотипа поведения. В этнической истории находит подтверждение высказывание основоположника синергетики Г.Хакена: "Кооперация многих подсистем какой-либо одной системы одним и тем же принципам, независимо от природы подсистем". Количество приведенных примеров можно увеличить, охватив ими изменение отношения системы ко времени и ее реакцию на внешние физические поля, механизмы фазового перехода и соотношение между детерминизмом и случайностью, характеристики отдельных фаз и роль флуктуаций. Однако более существенно единство функций этнической системы и диссипативной структуры. Они обе порождаются необратимыми процессами, односторонне направленными во времени, представляют собой форму адаптации к условиям внешней среды, отражают глобальную ситуацию в этой среде: их размеры как системы во времени и пространстве на порядок и более превышают размеры составляющих их элементов. Правомерно рассматривать этническую систему как диссипативную структуру популяционного уровня. Такой вывод, выражающий контаминацию изложенных подходов Пригожина и Гумилева, обещает перспективы для дальнейших исследований в обоих направлениях. Теория этногенеза обогатится формально-математическими описаниями поведения диссипативных структур, результатами лабораторных экспериментов. Теория диссипативных структур получит возможность изучения долго процесса самоорганизации, имеющего абсолютные хронологические датировки.
Свойство самоорганизации структур - атрибут природных процессов. Процессы техногенеза сами по себе не обладают такой способностью, поскольку в технических устройствах лишь используются, подобно природным ресурсам, и природные процессы самоорганизации. Они-то и обеспечивают работу технических устройств благодаря внешним (конструктивным) ограничениям, закладываемым человеком при разработке машины или прибора. И хотя "демаркационная линия" между самоорганизующимися системами и техническими устройствами не может быть проведена вполне однозначно", применительно к географии еще раз подтверждается правота С.В.Колесника, указавшего на качественное отличие природных и социальных процессов в географической среде.
Диссипативные структуры являются результатом развития собственных внутренних неустойчивостей в системе. Процессы самоорганизации возможны при обмене энергией и массой с окружающей средой, т. е. при поддержании состояния текущего равновесия, когда потери на диссипацию компенсируются извне. 1 Эти процессы описываются нелинейными уравнениями для макроскопических функций.
Возникновение макроскопических структур обусловлено рождением, под действием крупномасштабных флуктуаций, коллективных типов движения (мод), их конкуренцией, подавлением одних и развитием тех, которые наиболее приспособляемы к данным условиям. Сходство процессов возникновения диссипативных структур с фазовыми переходами в равновесных системах дало основание называть их неравновесными (кинетическими) фазовыми переходами. Формальная общность кинетических и равновесных фазовых переходов заключается в кооперативном характере процесса, обусловленном тем, что в системе, обладающей бесконечным числом степеней свободы, находится одна или несколько таких, изменение которых подчиняет себе изменение остальных. Таким образом, в отличие от неравновесной статистической физики замкнутых систем, где
1.Пригожин И.Р. // Новейший философский словарь.Минск.2003. С. 798- 799.
анализируются процессы релаксации, приближение к равновесному состоянию, синергетика (термодинамика открытых систем) рассматривает обратный процесс создания и эволюции все усложняющихся диссипативных структур, когда системы стремятся к менее вероятному состоянию, эволюционируют с уменьшением энтропии. Так как в процессе усложнения требуется все большее число параметров для их описания, то структуры приобретают индивидуальность, неповторимость. В обратном процессе возвращения к положению термодинамического равновесия поведение различных систем становится схожим и единственным параметром, определяющим функции распределения, становится температура.
Диссипативные структуры можно разделить на временные, пространственные и пространственно-временные. Примерами временных структур являются периодические, колебательные и волновые процессы. Типичными примерами пространственных структур являются: переход ламинарного течения в турбулентное, переход диффузионного механизма передачи тепла в конвективный. Характерные примеры: турбулентность, ячейки Бенара и сверхрешетка пор. Развитие турбулентности начинается при достижении числом Рейнольдса критического значения. Ламинарное течение становится неустойчивым, возникают стационарные колебания скорости движения, затем более сложное движение все увеличивающимся числом характерных частот. Это сложное квазипериодическое движение называют динамическим хаосом. Турбулентное движение является макроскопическим, обусловленным большим числом возникших корреляций. Число степеней свободы, необходимых для его описания, по некоторым оценкам достигает 109. Возникшие макроскопические связи увеличивают внутреннюю упорядоченность системы, что проявляется в возникновении интерференционных пятен в световой волне, прошедшей через турбулентность. Важность анализа турбулентности следует из того, что большая часть Вселенной заполнена веществом, находящимся в турбулентном движении.
Ячейки Бенара представляют собой структуры, напоминающие пчелиные соты, которые возникают в вязкой жидкости, подогреваемой снизу, после того, как градиент температуры превышает некоторое критическое значение. Весь слой жидкости распадается на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определенным соотношением между высотой и стороной. В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней опускается. В приповерхностном слое жидкость растекается от центра к краям, а в придонном - от границ призм к центру. Грандиозная структура подобных ячеек имеется на Солнце. Она образует конвективную зону сферической формы толщиной 105 км. Именно эта зона обеспечивает перенос на поверхность Солнца энергии, высвобождающейся за счет термоядерных реакций в его недрах. При непрерывном облучении металлов потоком частиц высокой энергии ионы выбиваются из узлов кристаллической решетки. Возникающие вакансии объединяются, образуя частички пустоты - поры. Обычно пространственное распределение вакансионных пор случайно и близко к равномерному. Однако при опре