Концепция самоорганизации
Процессы самоорганизации рассматриваются в синенергетике как ключевые в жизни сложных систем. Сами системы при этом должны удовлетворять следующим положениям.
1) Самоорганизация – процесс эволюции системы от беспорядка к порядку. Естественно энтропия системы, в которой происходит самоорганизация, должна убывать. Процессы самоорганизации происходят в открытых системах. Если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой протекает самоорганизация; в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.
2) Самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный момент существенно отлично от состояния равновесия. Нарушение равновесия вызывается внешним воздействием. Состояние системы вдали от равновесия является неустойчивым относительно состояния вблизи равновесия, и именно вследствие этой неустойчивости возникают процессы, приводящие к образованию структур.
3) Самоорганизация возможна лишь в системах, состоящих из большого числа частиц. Только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуаций – макроскопических неоднородностей.
4) Самоорганизация всегда связана с самопроизвольным уменьшением симметрии.
Диссипативные труктуры.
Диссипативная структура – одно из основных понятий теории структур И. Пригожина. Система в целом может быть неравновесной, но уже определенным образом несколько упорядоченной, организованной. Такие системы И. Пригожин назвал диссипативными структурами (от лат dissipation – разгонять, рассеивать свободную энергию), в которых при значительных отклонениях от равновесия возникают упорядоченные состояния. В процессе образования этих структур энтропия возрастает, изменяются и другие термодинамические функции системы. Диссипация как процесс рассеяния энергии играет важную роль в образовании структур в открытых системах. В большинстве случаев диссипация реализуется в виде перехода избыточной энергии в тепло. Образование новых типов структур указывает на переход от хаоса и беспорядка к организации и порядку. Эти диссипативные динамические микроструктуры являются прообразами будущих состояний системы, так называемых фракталов. Большинство фракталов либо разрушается, полностью так и не сформировавшись, либо иногда остаются как отдельные архаичные остатки прошлого. В точке бифуркации идет своеобразный естественный отбор фрактальных образований. «Выживает» образование, оказавшееся наиболее приспособленным к условиям окружающей среды.
При благоприятных условиях новая структура (фрактал) «разрастается» и преобразуется постепенно в новую макроструктуру – аттрактор. При этом система переходит в новое качественное состояние. В этом новом состоянии система продолжает свое наступательное движение до следующей точки бифуркации, то есть до следующего неравновесного фазового перехода.
В целом диссипация как процесс рассеивания энергии, затухания движения и информации играет весьма консервативную роль в образовании новых структур в открытых системах. Для диссипативной системы невозможно предсказать конкретный путь развития, поскольку трудно предугадать начальные реальные условия ее состояния.
Теория бифуркаций.
Открытая нелинейная самоорганизующаяся система всегда подвержена колебаниям. Именно в колебаниях система развивается и движется к относительно устойчивым структурам. Этому способствует постоянный обмен системы энергией и веществом с окружающей средой. Аномальные изменения в среде могут вывести систему из состояния динамического равновесия, и она станет неравновесной. Например, усиливающийся приток энергии в систему вызывает флуктуации и делает ее неравновесной и нерегулируемой. Организация системы все более расшатывается, изменяются свойства системы.
Если параметры системы достигают определенных критических значений, то система переходит в состояние хаоса.
Состояние максимальной хаотичности неравновесного процесса называют точкой бифуркации. Точки бифуркации – это точки равновесия как устойчивого, так и неустойчивого точки «выбора» дальнейшего пути развития системы.