Самоорганизация в живой и неживой природе

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
САМООРГАНИЗАЦИЯ В ЖИВОЙ И НЕЖИВОЙ ПРИРОДЕ
Основные свойства эволюционных процессов и их отличие от динамических и статистических процессов и явлений в природе
Современные подходы к анализу сложных самоорганизующихся систем. Синергетика
Экономика с точки зрения синергетики
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Самоорганизация в живой и неживой природе

д. При рассмотрении поведения этих переменных выясняется, что они не инвариантны относительно операции обращения времени. В качестве простейших примеров диссипативных процессов обычно рассматриваются теплопроводность и диффузия. В случае изолированных систем, в которых нет никаких обменов с внешней средой, необратимость выражена знаменитым вторым законом термодинамики, в соответствии с которым существует функция переменных состояния системы, изменяющаяся монотонно в процессе приближения к состоянию термодинамического равновесия. Обычно в качестве такой функции состояния выбирается энтропия, и второе начало формулируется так: "производная энтропии по времени не отрицательна". Традиционно это утверждение интерпретируется как "тенденция к возрастанию разупорядоченности" или как “производствоэнтропии”. В случае неизолированных систем, которые обмениваются с внешней средой энергией или веществом, изменение энтропии будет обусловлено процессами внутри системы (производство энтропии) и обменами с внешней средой (поток энтропии). Если производство энтропии в соответствии со вторым законом термодинамики неотрицательно, то "поток энтропии" может быть как положительным, так и отрицательным. Если поток энтропии отрицательный, то определенные стадии эволюции могут происходить при общем понижении энтропии. Последнее, согласно традиционной трактовке, означает, что "в ходе эволюции разупорядоченность будет уменьшаться за счет оттока энтропии". Т.о. эволюционные свойства диссипативных систем уже нельзя объяснить исключительно внутренним взаимодействием частиц.Современные подходы к анализу сложных самоорганизующихся систем. СинергетикаВ центре современных представлений об эволюционных процессах находится понятие "самоорганизации". С точки зрения теории динамического хаоса "феномен самоорганизации можно рассматривать, как рождение структуры из хаоса структур: динамический хаос состоит из структур, под которыми понимается определенная корреляция в расположении частиц друг относительно друга. Время жизни структур зависит от так называемого "времени перемешивания" - если оно достаточно большое, то в распределении вещества системы будут наблюдаться корреляции (структуры). Примером самоорганизации в изолированной системе является автоволна в активной среде, содержащей источники энергии: это реакции Белоусова-Жаботинского, горение всех видов, импульсы возбуждения в нервных волокнах и мышцах. В отрытых системах поток энергии может вывести ее из устойчивого состояния (см. выше) - начинается развитие неустойчивостей, а их последующая самоорганизация может привести систему в устойчивое неоднородное состояние. Такие состояния И. Пригожин назвал "диссипативными структурами". Примерами таких структур могут служить автоколебания, возникающие, например, в тонком горизонтальном слое масла при его подогреве снизу (ячейки Бенара) или в лазерах. Другой знаменитый пример - уединенные волны на поверхности воды и в других средах (солитоны). Общим в описанных выше процессах самоорганизации, является то, что все виды самоорганизации характеры для сложных систем (ансамблей) - под самоорганизацией подразумевается возникновение макроскопических структур (корреляций) в результате коллективного взаимодействия. Попытка выработки общей концепции объясняющей явления самоорганизации систем получила название "синергетика". Термин "синергетика" происходит от греческого "синергеа" - содействие, сотрудничество. Предложенный Г.Хакеном, этот термин акцентирует внимание на согласованности взаимодействия частей при образовании структуры как единого целого. Под этим названием объединяются различные направления исследований в различных науках - в физике, биологии, химии, математике. В математике развивается теория динамического хаоса, школа И.Пригожина развивает термодинамический подход к самоорганизации с точки зрения диссипативных структур, а Г.Хакен понимает под структурой состояние, возникающее в результате когерентного (согласованного) поведения большого числа частиц. Следует отметить, что термин "самоорганизующаяся система" был впервые использован У.Р.Эшби в 1947г. для описания определенной модели поведения кибернетических систем, и, в известном смысле, заменил термин "целесообразность". Это смысловое разнообразие является источником различных спекуляций, в которых каждый трактует "самоорганизацию" на свой манер. С другой стороны, это может свидетельствовать действительно о создании новой парадигмы в истории науки.Бурные темпы развития новой области, переживающей период «штурма и натиска», не оставляют времени на унификацию понятий и приведение в стройную систему всей суммы накопленных фактов. Кроме того, исследования в новой области ввиду ее специфики ведутся силами и средствами многих современных наук, каждая из которых обладает свойственными ей методами и сложившейся терминологией. Параллелизм и разнобой в терминологии и системах основных понятий в значительной мере обусловлены также различием в подходе и взглядах отдельных научных школ и направлений и в акцентировании ими различных аспектов сложного и многообразного процесса самоорганизации. Можно сформулировать общее правило: процессы самоорганизации происходят в открытых системах. Если самоорганизация происходит в замкнутой системе, то всегда можно выделить открытую подсистему, в которой происходит самоорганизация, в то же время в замкнутой системе в целом беспорядок возрастает.Самоорганизация происходит в системах, состояние которых в данный момент существенно отличается от состояния статистического равновесия. Иногда упрощенно говорят, что к самоорганизации способны системы, находящиеся вдали от равновесия. Нарушение статистического равновесия вызывается внешним воздействием. В электрических генераторах внешнее воздействие - напряжение, создаваемое источником, приводит к отличному от равновесного распределению электронов. То же происходит в оптических квантовых генераторах под воздействием внешней оптической накачки или электрического разряда, происходящего от внешнего источника. Состояние системы, далекой от равновесия, является неустойчивым в отличие от состояния вблизи равновесия, и именно в силу этой неустойчивости и возникают процессы, приводящие к возникновению структур.Самоорганизация возможна лишь в системах с большим числом частиц, составляющих систему. В ряде случаев это достаточно очевидно, поскольку, например, макроскопические пространственные структуры содержат большое число атомов и молекул. Однако, если обратиться к примеру с автоколебаниями популяций, то можно утверждать, что при малом числе особей в популяции такие автоколебания невозможны. Дело в том, что только в системах с большим числом частиц возможно возникновение флуктуаций - макроскопических неоднородностей.Роль флуктуаций в процессах самоорганизации, оказывается весьма важной, поэтому рассмотрим это понятие подробнее. Если взять макроскопический сосуд, в котором находятся порядка десяти молекул, то понятия плотности или давления в такой системе теряют смысл. Эти понятия применимы лишь к сосуду, содержащему большое число частиц, именно в этом случае мы можем измерить давление нашими приборами. При статистическом равновесии, как следует из определения, в различных областях пространства сосуда прибор должен показывать одинаковое давление. Однако оказывается, что в достаточно малых (но макроскопических) областях в какие-то моменты времени это давление, а, следовательно, и плотность, отличаются от среднего давления и средней плотности в сосуде. Самопроизвольное (спонтанное) отклонение от состояния статистического равновесия и называется флуктуацией. В случае с газом или жидкостью в сосуде флуктуации давления невозможно наблюдать обычными манометрами. Тем не менее, именно такими флуктуациями объясняется броуновское движение. Наличие флуктуаций характерно для любой системы, содержащей большое число частиц.Эволюция систем, способных к самоорганизации, описывается нелинейными уравнениями. Именно: в системах, эволюция которых описывается линейными уравнениями, малые изменения начального состояния приводят к малым изменениям конечного состояния через ограниченный промежуток времени, а для систем, описываемых нелинейными уравнениями, такое свойство, вообще говоря, не имеет места. Движение материальной точки в однородном поле тяжести, которое, как известно из школьного курса физики, описывается уравнением: r(t) = r0 + vo (t - t0) + g (t-t0)2 / 2В этом уравнении начальное состояние в момент t0 определяется начальной координатой r0 и начальной скоростью vo, от которых уравнение зависит линейно. При малом изменении этих параметров координата и скорость в любой последующий момент времени изменятся незначительно.Строго говоря, фундаментальные законы естествознания в современных теориях всегда являются нелинейными, линейность является некоторым приближением, которое иногда оправдано. Говоря о том, что системы, способные к самоорганизации описываются нелинейными уравнениями, мы подразумеваем, что эффекты, обусловленные нелинейностью, являются достаточно значительными по сравнению с флуктуациями. При планировании своих действий человек на уровне обыденного сознания всегда мыслит в линейном приближении, которое часто не оправдано, если речь идет о достаточно сложных системах, например при планировании социальных и экономических процессов в обществе. А в результате – «хотели, как лучше, а получилось, как всегда».Самоорганизация всегда связана с самопроизвольным понижением симметрии. Красивая симметричная снежинка имеет, тем не менее, более низкую симметрию, чем бесструктурный водяной пар. Идеи такого понижения симметрии получили большое развитие в современной теории микромира, а также при описании фазовых переходов в физике (например, переход из жидкого состояния в кристаллическое). Вообще процессы самоорганизации во многом похожи на фазовые переходы, поэтому часто их называют кинетическими фазовыми переходами. Отличие заключается в том, что при фазовых переходах происходит возникновение микроструктур (например, кристаллической решетки), в то время как в макроскопическом объеме система остается однородной. Как уже отмечалось в предыдущих разделах, идеи, связанные с симметрией, играют в современном естествознании существенную, а в современной физике микромира даже доминирующую роль.Современные представления о самоорганизации сложных систем складывались в рамках различных школ. К основополагающим работам можно отнести кибернетику Н. Винера, теорию автоматов А. Тьюринга, общую теорию систем Л. Берталанфи, термодинамику неравновесных процессов И. Пригожина, синергетику Г. Хакена, работы А. Ляпунова, А.Андронова, работы школы Самарского-Курдюмова, концепцию «странного аттрактора» Э. Лоренца, теорию катастроф Р. Тома, фрактальную геометрию Б. Мандельброта, работы А. Колмогорова, В. Арнольда, Ю. Климонтовича и других ученых. В области физиологии - это работы И.М.Сеченова, А.А. Ухтомского, П.К.Анохина, Э.Хакена, А. Баблоянца и др.