Самоорганизация в физике на примере тепловой конвекции

РЕФЕРАТ ПО ФИЛОСОФИИ

Сложность и случайность в работах И.Пригожина

Крутских А. О.

ГНЦ РФ ФЭИ

руководитель семинара

проф. Канке В. А.

Обнинск - 2000.

Содержание

Введение............................................................................................................................................................................. 3

Неравновесные состояния............................................................................................................................... 3

Пороговые явления.................................................................................................................................................. 7

Самоорганизация в физике на примере тепловой конвекции................................................................. 7

Самоорганизация в химии на примере реакции Белоусова-Жаботинского..................................... 9

Самоорганизация в геологии................................................................................................................................ 10

Пороговые явления в клеточной динамике на примере роста опухолей......................................... 11

Самоорганизация в человеческих сообществах......................................................................................... 11

Философское значение синергетики................................................................................................... 15

Заключение................................................................................................................................................................... 16

Приложение A............................................................................................................................................................... 19

В фосфоресцирующем тумане маячили два макродемона максвелла. Демоны играли в самую стохастическую из игр - в орлянку. Один выигрывал, а другой, соответственно, проигрывал, и это их беспокоило, потому что нарушалось статистическое равновесие.

Аркадий и Борис Стругацкие.

Понедельник начинается в субботу.

Введение

Сложившиеся равновесие в науке нарушил своми работами лауреат Нобелевской премии 1977 г. по химии Илья Романович Пригожин. В его исследованиях было введено понятие синергетики – теории диссипативных структур в контексте учения о времени [1]. В рамках синергетики изучаются явления образования упорядоченных пространственно-временных структур, или пространственно-временной самоорганизации, протекающие в системах различной природы: физических, химических, биологических, экологических, социальных [2‑8], системных [9], и даже механизмов технического развития [10].

Неравновесные состояния

Пригожин подробно рассматривает состояние нестабильности системы. Чтобы проиллюстрировать это на материале физики, можно рассмотреть обычный маятник, оба конца которого связаны жестким стержнем, причем один конец неподвижно закреплен, а другой может совершать колебания с произвольной амплитудой. Если вывести такой маятник из состояния покоя, несильно качнув его груз, то в конце концов маятник остановится в первоначальном (самом нижнем) положении. Это — хорошо изученное устойчивое явление. Если же расположить маятник так, чтобы груз оказался в точке, противоположной самому нижнему положению, то рано или поздно он упадет либо вправо, либо влево, причем достаточно будет очень малой вибрации, чтобы направить его падение в ту, а не в другую сторону. Так вот, верхнее (неустойчивое) положение маятника практически никогда не находилось в фокусе внимания исследователей, и это несмотря на то, что со времени первых работ по механике движение маятника изучалось с особой тщательностью. Можно сказать, что понятие нестабильности было, в некоем смысле, идеологически запрещено. А дело заключается в том, что феномен нестабильности естественным образом приводит к весьма нетривиальным, серьезным проблемам, первая из которых — проблема предсказания.

Если взять устойчивый маятник и раскачать его, то дальнейший ход событий можно предсказать однозначно: груз вернется к состоянию с минимумом колебаний, т.е. к состоянию покоя. Если же груз находится в верхней точке, то в принципе невозможно предсказать, упадет он вправо или влево. Направление падения здесь существенным образом зависит от флюктуации. Так что в одном случае ситуация в принципе предсказуема, а в другом — нет, и именно в этом пункте в полный рост встает проблема детерминизма. При малых колебаниях маятник — детерминистический объект, и мы в точности знаем, что должно произойти. Напротив, проблемы, связанные с маятником, если можно так выразиться, перевернутым с ног на голову, содержат представления о недетерминистическом объекте.

Возникает необходимость пересмотра самого понятия закона природы. нельзя более соглашаться с законами, утверждающими эквивалентность между прошлым и будущим. Каким образом можно выйти за границы, установленные великолепными образцами человеческой мысли, запечатленными в классической, квантовой и релятивистской физике? Именно в таком выходе за рамки привычного и состояло главное событие – обновление классической динамики, последовавшее в XX веке. Динамические системы не могут ограничиваться периодическими или ограниченными режимами, которые мы встречаем, изучая колебания маятника или движения планет.

Наоборот, большинство динамических систем неустойчиво. Траектории расходятся экспоненциально и по истечении определенного времени неизбежно теряются. Пригожин попытался пойти еще дальше и сформулировать законы природы, учитывающие возникающий в неустойчивых динамических системах хаос. Но такие законы применимы только к ансамблям траекторий, к статистическим ситуациям, а не к отдельным траекториям (или индивидуальным волновым функциям).

При таком понимании законов природы они не говорят нам, что произойдет, а лишь уведомляют нас о том, что может произойти. Вселенная, в момент ее зарождения, ни что иное, как малое дитя, которое может стать музыкантом, адвокатом или сапожником, но чем-то одним, а не всеми сразу? Таким образом, необратимость в основе своей зиждется на неустойчивости.

Пригожин утверждает, что увеличение энтропии отнюдь не сводится к увеличению беспорядка, ибо порядок и беспорядок возникают и существуют одновременно. Например, если в две соединенные емкости поместить два газа, допустим, водород и азот, а затем подогреть одну емкость и охладить другую, то в результате, из-за разницы температур, в одной емкости будет больше водорода, а в другой азота. В данном случае мы имеем дело с диссипативным процессом, который, с одной стороны, творит беспорядок и одновременно, с другой, потоком тепла создает порядок: водород в одной емкости, азот — в другой. Порядок и беспорядок, таким образом, оказываются тесно связанными — один включает в себя другой. И эту констатацию можно оценить как главное изменение, которое происходит в нашем восприятии мира сегодня. Последние исследования показывают, что на каждый миллиард тепловых фотонов, пребывающих в беспорядке, приходится по крайней мере одна элементарная частица, способная стимулировать в данном множестве фотонов переход к упорядоченной структуре. Так, порядок и беспорядок сосуществуют как два аспекта одного целого. Восприятие природы становится дуалистическим, и стержневым моментом в таком восприятии становится представление о неравновесности. Причем неравновесности, ведущей не только к порядку и беспорядку, но открывающей также возможность для возникновения уникальных событий, ибо спектр возможных способов существования объектов в этом случае значительно расширяется (в сравнении с образом равновесного мира). В ситуации далекой от равновесия дифференциальные уравнения, моделирующие тот или иной природный процесс, становятся нелинейными, а нелинейное уравнение обычно имеет более, чем один тип решений. Поэтому в любой момент времени может возникнуть новый тип решения, не сводимый к предыдущему, а в точках смены типов решений — в точках бифуркации — может происходить смена пространственно-временной организации объекта.

Набор полученных решений называется аттрактором. В случае множества типов решений (странный аттрактор) система движется от одной точки к другой детерминированным образом, но траектория движения в конце концов настолько запутывается, что предсказать движение системы в целом невозможно — это смесь стабильности и нестабильности. И, что особенно удивительно, окружающая нас среда, климат, экология и, между прочим, наша нервная система могут быть поняты только в свете описанных представлений, учитывающих как стабильность, так и нестабильность. Это обстоятельство вызывает повышенный интерес многих физиков, химиков, метеорологов, специалистов в области экологии. Указанные объекты детерминированы странными аттракторами и, следовательно, своеобразной смесью стабильности и нестабильности, что крайне затрудняет предсказание их будущего поведения.

Пороговые явления

Самоорганизация в физике на примере тепловой конвекции

Представим себе слой жидкости (например, воды) между двумя горизонтальными параллельными плоскостями, латераль­ные размеры которых значительно превосходят толщину слоя. Предоставленная самой себе, жидкость быстро устремится к од­нородному состоянию, в котором, выражаясь языком статистики, все ее части будут тождественны между собой. Соответственно, чтобы знать состояние всех таких частей, достаточно знать состояние одной из них независимо от их формы и размера. Чтобы изменить характеристики системы начнем нагревать жидкого слоя снизу. Все дальше отклоняя систему от равновесия путем увеличе­ния температуры, мы увидим, что внезапно, при некотором значении температуры, объем вещества прихо­дит в движение. Более того, это движение далеко не случайное: жидкость структурируется в виде небольших ячеек, называемых ячейками Бенара. Это - режим тепловой кон­векции.

Вследствие теплового расширения жидкость расслаи­вается, причем часть жидкости, находящаяся ближе к нижней плоскости, характеризуется пониженной плотностью по сравне­нию с верхними слоями. Это приводит к градиенту плотности, направленному противоположно силе тяжести. Легко понять, что такая конфигурация потенциально неустойчива. Рассмотрим, например, малый объем жидкости вблизи нижней плоскости. Вообразим теперь, что этот элемент объема немного смещается вверх вследствие возмущения. Находясь теперь в более холод­ной и, следовательно, в более плотной области, этот элемент будет испытывать направленную вверх архимедову силу, кото­рая будет стремиться усилить восходящее движение С другой стороны, если находящаяся вначале у верхней плоскости малая капля смещается вниз, то она проникнет в область пониженной плотности, и архимедова сила будет ускорять нисходящее дви­жение. Поэтому в принципе ясно, что в жидкости могут возни­кать восходящие и нисходящие потоки, как это и наблюдается в эксперименте.

По-видимому, наиболее примечательной чертой, которую сле­дует отметить в таком внезапном переходе от простого поведе­ния к сложному, являются упорядоченность и согласованность системы. Когда температура была ниже критического значения, одно­родность жидкости в горизонталь­ном направлении делала неза­висимыми друг от друга различные ее части. Так, любые два одинаковых объема можно было бы поменять местами без каких-либо последствий. Напротив, выше порогового значения все проис­ходит так, как если бы каждый элемент объема следил за пове­дением своих соседей и учитывал его с тем, чтобы играть нуж­ную роль в общем процессе. Такая картина предполагает нали­чие корреляций, т. е. статисти­чески воспроизводимых соотноше­ний между удаленными частями сис­темы. Харак­терные размеры ячеек Бенара в обычных лабораторных усло­ви­ях находятся в миллиметровом диапазоне (10^‑1 см), в то время как харак­терный пространственный масштаб межмолекулярных сил приходится на ангстремный диапазон (10^‑8 см). Иначе гово­ря, отдельная ячейка Бенара содержит что-то около ~10²¹ молекул. Тот факт, что такое огромное число частиц мо­жет демонстрировать когерентное поведение, несмотря на слу­чайное тепловое движение каждой из частиц, является одним из основных свойств, характеризующих возникновение сложно­го поведения.

Однако этим не исчерпывается все то удиви­тельное, что свя­зано с ячейками Бе­нара. С одной сто­роны, такой эксперимент характеризуется идеальной воспроизводи­мостью, поскольку при одних и тех же условиях превышение некоторого критического значения всегда приводит к возник­новению кон­векционной картины. С другой же сто­роны, как видно из рис. 1, вещество структурируется в ячейки с попере­менно право- и левовращательным дви­жением. Однажды уста­новившись, направление вра­щения в дальнейшем сохраняется. Как только температура превышает критическую появляется ячеистая структура тече­ния. Таким образом, это явление подвержено стро­гому детерминиз­му. На­против, направление вращения в ячей­ках непред­сказуемо и неуправляемо. Лишь случай в виде тех или иных возмущений, доминирующих в момент проведения эксперимента, решает, ка­ким будет вращение в данной ячейке — право- или левовращательным. Таким обра­зом, можно прийти к уди­ви­тельному сотруд­ничеству между случайностью и определенностью, наво­дящему на мысли об аналогичном дуализме, из­вестном в биологии со вре­мен Дарвина (мутация—естественный отбор). В области физики такой дуализм до сих пор наблюдался лишь при квантово­механическом описа­нии микроскопических явлений.

Самоорганизация в химии на примере реакции Белоусова-Жаботинского

Собственно реагенты, участвующие в реакции Белоусова-Жаботинского (сокра­щенно БЖ), не пред­ставляют собой ничего особенного. Типичный препарат состоит из сульфата церия Ce₂(SO₄)₃, малоновой кислоты CH₂(COOH)₂ и бромата калия KВгО_з, растворенного в серной кислоте. Реакция управляется изменением скоростей, с которыми химические вещества поступают в систему (или выбывают из нее), меняя тем самым время пре­бывания этих веществ в реакционном объеме. Очень большие времена пребывания реагентов приводят по существу к реали­зации замкнутой системы, и в таких условиях можно ожидать, что поведение системы будет подобно равновесному, характери­зуемому детальным равновесием. Уменьшая время пребывания, мы не допускаем полного выравнивания скоростей прямой и об­ратной реакций. При этом можно ожидать, что поведение систе­мы будет неравновесным. Именно это и показывает эксперимент. В случае очень больших времен пребывания в системе достига­ется однородное стационарное состояние — концентрации оста­ются постоянными во времени. Это типичное состояние, весьма привычное химикам, наделено всеми качественными свойствами химического равновесия. Оно является аналогом режима тепло­проводности, реализуемого в системе Бенара при небольшой раз­ности температур между пластинами.

Если теперь уменьшить время пребывания, мы встретимся с совершенно иным типом поведения. В какой-то момент времени вся система внезапно окрашивается в голубой цвет (если в ка­честве красящего вещества используется ферроин), что указы­вает на избыток ионов Fe³⁺ (или Се⁴⁺). Спустя несколько минут (или в зависимости от условий—долю минуты) голубой цвет сме­няется красным, указывая на избыток ионов Fe²⁺ (или Се³⁺). Этот процесс так и продолжается: голубой, красный, голубой, красный и т. д. — ритмическая смена цвета с идеально регуляр­ными периодом и амплитудой, зависящими лишь от параметров и тем самым являющимися собственными характеристиками си­стемы. Эти колебания можно рассматривать как химические часы—устройство для измерения времени с помощью внутрен­ней динамики системы. В периодическом режиме система вдруг "открывает" для себя время.