Открытые и закрытые системы. Активная и пассивная среда

Открытые и закрытые системы . Активная и пассивная ср еда Открытая система - это сист ема обменивающаяся веществом и энергией с о кружающей средой . Сущес твует свойства открытых систем , находящихся в дали от равновесного состояния : они оказывают ся неустойчивыми и возврат к начальному с остоянию является необязательным . В некоторой точке , называемой бифуркацией (разветвлением ), пове дени е системы становится неоднозначным . При наличии неустойчивости из меняется роль внешних воздействий . В определе нных условиях ничтожно малое воздействие на открытую систему может привести к значит ельным непредсказуемым последствиям (раскрытие не устойчивости ) . В открытых системах , далеких от равнов есия , возникают эффекты согласования , когда эл ементы системы коррелируют свое поведение на макроскопических расстояниях через макроскопиче ские интервалы времени . Такое кооперативное , с огласованное поведение характер но для сис тем различных типов : молекул , клеток , нейронов , отдельных особей и т.д . В результате согласованного взаимодействия происходят процессы упорядочения , возникновения из хаоса определенных структур , их преобраз ования и усложнения . Чем больше отклоне ние от равновесия , тем больший охват корреляциями и взаимосвязями , тем выше со гласованность процессов , даже протекающих в о тдаленных областях и , казалось бы , не связ анных друг с другом . Сами процессы характе ризует нелинейность , наличие обратных связей и с в язанные с этим возможности управляющего воздействия на систему . Теория состояний , далеких от равновесия , возникла в результате синтеза трех направл ений исследований : 1. Разработка методов описания существенно неравновесных процессов на основе статистичес кой физики . В рамках этого направления создаются кинетические модели , о пределяются параметры , необходимые для описания , выявляются корреляции , крупномасштабные флуктуации , устанавливаются закономерности перехода в с остояние равновесия . 2. Разработка термо динамики открытых систем , изучение стационарных состояний , сохраняющих устойчивость в определен ном диапазоне внешних условий , поиск условий самоорганизации , т . е . возникновения упорядоче нных структур из неупорядоченных . Было показа но , что процессы диссипа ц ии энерги и являются необходимым условием самоорганизации , поэтому возникающие структуры получили назв ание диссипативных . Г.Хакен предложил называть эту область исследований синергетикой (от г реческого “синергетикос” - совместный , согласованно действующий ). 3. Определение качественны х изменений решений нелинейных дифференциальных уравнений , определяющих состояния далекие от равновесия , в зависимости от входящих пар аметров . Этот раздел математики получил назва ние теории катастроф . С ее помощью описыва ются ка чественные перестройки общей струк туры решений - катастрофы , определяются границы устойчивости и изменения структуры состояний . Синтез эт их трех направлений дал новую область зна ний занимающуюся описанием состояний , далеких от равновесия . С ее помощью уда лось сформулировать общий подход к целой совоку пности явлений природы и общества . Ее назы вают по - разному : синергетика , теория открытых систем , теория диссипативных структур , термод инамика необратимых процессов . Есть названия , связанные со свойствами неус т ойчивост и , нелинейности . Исходным пунктом для данной области исследований явилась классическая кинети ка процессов в газах , начатая работами Дж. Максвелла и Л.Больцмана . Затем произошло расши рение области исследования на слабонеравновесные системы в различ ных средах и усл овиях . С 1950 года началось широкое изучение систем , находящихся далеко от состояния равно весия из-за действия сильных полей и жестк их излучений различной природы . На сцену в ышел качественно новый фактор - квантованность энергетических сос т ояний молекул . Р анее , по существу , рассматривалось только пост упательное движение бесструктурных частиц . При сильном отклонении от равновесного состояния возбуждение охватывает различные степени свобо ды молекул - вращательные , колебательные , электронн ые . В озникает необходимость детального учета квантовой структуры вещества . В эти х условиях частицы уже нельзя считать бес структурными , а нужно рассматривать их эволюц ию в фазовом пространстве многих степеней свободы . Свойства атомов и молекул в различных энерг етических состояниях ра зличны . За счет неравновесных процессов проис ходит быстрое перераспределение заселенностей по большому числу термов и неизвестно какой из них окажется в данной конкретной системе наиболее реакционноспособным . Поэтому реа кция существ е нно неравновесной систем ы на внешнее воздействие может быть неожи данной . Примером может служить диссоциация мн огоатомных молекул (ангармонических осцилляторов ) при охлаждении газа в условиях накачки эн ергии . Этот эффект использовался для получени я свободн ы х атомов при низких температурах , что сыграло существенную роль в разработке химических лазеров . Другим при мером нетривиального поведения существенно нерав новесной системы является кратковременное охлажд ение углекислого газа при резонансном поглоще нии изл у чения молекулой CО 2 . В данном случае принципиально то , что при рассмотрении открытых систем , внешние параметры играют роль регуляторов , с помощь ю которых можно управлять процессами . Очень существенным моментом является то , что энер гетические затраты на уп равление с по мощью этих регуляторов намного меньше , чем требуется для достижения того же эффекта в равновесных условиях . Причем эффективность воздействия зависит от степени неравновесности системы . В ряде случаев элементы системы начин ают действовать в не равновесных условиях согласованно , обнаруживая свойства , не присущ ие отдельной частице . Эти общие свойства п олучили название когерентных или кооперативных свойств . При приближении системы к состояни ю равновесия сначала разрушаются когерентные связи , а зат е м уже связи , опред еляемые энергетическими заселенностями . Когерентность определяется возникновением корреляций (взаимосв язей и взаимозависимостей ) между частицами . Ма тематически это выражается необходимостью рассмо трения функции распределения не одной час т ицы , а нескольких взаимодействующих . Н.Н.Боголюбов разработал единый подход рассмо трения всей совокупности функций распределения - цепочек уравнений для последовательных функци й увеличивающегося числа взаимодействующих части ц . Этот метод назван цепочками Б БГКИ , по имени ученых , внесших основной вк лад в их разработку : Н.Н.Боголюбов , М.Борн , Х. Грин , И.Кирквуд , И . Ивон . Так функция n переме нных f n ( ,х 2 , ... х n-1 ,t) учитывает корр еляции n частиц . Если масштаб корреляции уменьш ается и взаимодействуют только n-1 частиц , то переходят к f n-1 (х 1 ,х 2 , ... х n-1 ,t) функции . При сглаживании неравновесн ости (переходе к состоянию равновесия ) корреля ции разрушаются , сокращается набор функций , не обходимых для описания поведения системы , а сами функции зависят от все мень ше го числа частиц . В пределе остаются лишь одночастичные функции распределения , уравнения которых составляют основу обычной кинетики . Метод цепочек ББГКИ имел исключительно большое значение в неравновесной статистическо й физике . Это был , по существу , новы й подход к проблеме необратимости . В замкнутой системе уравнения динамики (класси ческой или квантовой ) обратимы , т . е . замена t на -t их не меняет . При обрыве цепочки , когда нарушается корреляция высших порядков , возникает необратимость . В этом случае ч ет к о видна причина необратимости . Разрушение корреляции может быть вызвано внеш ним воздействием . Но чем больше и упорядоч енной система , тем выше масштаб корреляций . Это означает , что они действуют между б ольшим числом частиц , на больших расстояниях и в течен и е большого промежу тка времени . Следовательно , нужно меньшее возд ействие для нарушения такой сложной корреляци и . А так как абсолютно изолированных систе м нет , то необратимость нашего мира заложе на в природе вещей в силу всеобщей св язи . В случае изо л ированных (за крытых ) систем , в которых нет никаких обме нов с внешней средой , необратимость выражена знаменитым вторым законом термодинамики , в соответствии с которым существует функция переменных состояния системы , изменяющаяся моното нно в процессе прибли ж ения к состоянию термодинамического равновесия . Обычно в качестве такой функции состояния выбирается энтропия , и второе начало формулируется т ак : "производная энтропии по времени не от рицательна ". Традиционно это утверждение интерпрет ируется как "тенденци я к возрастанию разупорядоченности " или как “ производство энтропии ” . В случае не изолированных систем , которые обмениваются с внешней средой энергией или веществом , измене ние энтропии будет обусловлено процессами вну три системы (производство энтропии ) и обм енами с внешней средой (поток энтропии ). Если производство энтропии в соответствии со вторым законом термодинамики неотрицательно , то "поток энтропии " может быть как по ложительным , так и отрицательным . Если поток энтропии отрицательный , то определенные ст а дии эволюции могут происходить п ри общем понижении энтропии . Последнее , соглас но традиционной трактовке , означает , что "в ходе эволюции разупорядоченность будет уменьша ться за счет оттока энтропии ". Наука как открытая система Синергетика применима и к анал изу процесса самого научного познани я . Наука представляет собой совокупность знан ий , приведенных в систему , в которой факты и законы связаны между собой определенны ми соотношениями и взаимно обусловливают друг друга . Она является открытой информационной с и стемой , связанной с внешним миром потоками информации . В физических сис темах самоорганизация начинается если энтропия системы убывает. Энтропия же и информация с точностью до знака совпадают . Применение си нергетики в информационной формулировке в дан ном случае наиболее удобно . Система научных структур и понятий в своем единстве является парадигмой . С точ ки зрения синергетики , парадиг ма - это своего рода устойчивое состояние текущего рав новесия . В условиях нормального экстенсивного развития парадигма разрешает возникающие рассогл асования . По мере накопления информации , то есть ухода системы в сторону от равнов есия , структура научных з н аний дол жна пройти кинетический фазовый переход . Этот переход - переосмысление основ теории , изменен ие методологических предпосылок и стиля мышле ния - называется научной революцией . Коренная т рансформация и смена ведущих представлений да ют новую картину м и ра . В резул ьтате научной революции старая парадигма цели ком или частично замещается новой . Атрибутами фазового перехода являются : отклонения и флуктуации в установившихся понятиях , учащающееся появление “еретических” гипотез , крупномасштабные флукт уации в теоретических интерпретациях , появле ние согласований и корреляций типа одновремен ности и независимости одних и тех же открытий в разных местах . Примером последнего может являться появление концепции ноосферы в трудах Леруа , Тейяра де Шардена и Вернадского, а также понятия “пневматосферы” ( сферы духа ) в работе П.А.Флоренского . Развитие науки представляется пр оцессом самоорганизации , про ходящим через бифуркации , последовательность устойчивых , все бол ее усложняющихся состояний - парадигм . Нарушение открытости системы , прекращение притока новой информации приводит к диссипац ии знаний , схоластике . Замкнутость всего общес тва приводит к засто ю и деградации . Примером могут служить Спарта , средневековая Япония , изолированные племена . В настоящее время синергетика показала свою общенаучную значимость . Происходят качеств енные изменения основы наших знаний , вызванны е использованием идейного и поня тийного багажа синергетики различными науками . Синер гетика вводит новое видение мира и процес сов эволюции . Ситуацию можно рассматривать ка к преддверие перехода на новую парадигму вслед за теорией относительности и квантовой механикой . Вместе с тем , следуе т помнить Сократа : “Ос новная ошибка , которой следует остерегаться , - п олагать , что мы знаем больше , чем на са мом деле” . Л . де Бройль предупреждал о несостоятельности эйфории по поводу окончательности наших знаний : “...каждый успех нашего познания ставит бол ьше проблем , чем решает...” . Среды , в которых возникают различные процессы , т.е . системы далекие от состояния теплового равно весия , называют активными или возбуди мыми в отличие от невозбудимых (п ассивных ) сред . Активную сре ду можно представить как сеть , о бразованную отдельными активными элементами . Каждый элемент активной среды м ожет находиться в одном из трех состояний : покое , релаксации и во збуждении . Все элементы актив ной среды связаны одним свойством - переносом волновых процессов , которые проходят чер ез среду . Перенос осуществляется за сч ет “подкачки” энергии извне в элемент сре ды. Обратимся к одной из наиболее сложной из активных систем “ЧЕЛОВЕК” . На любом структурном уровне среды присутствует основной социальный элеме нт (человек со своей психологией, социаль ными , экономическими , политическими , жизненными взг лядами , устремлениями и т.д .). И человек не один . Это целое общество людей (студентов , педагогов , ученых , администраторов , политиков , инженеров , экономистов и т.д .). Каждая группа людей со своим м е нталитетом . Вс е они , вольно или невольно , по тем или иным причинам содействуют или препятствуют прохождению процесса информатизации в образо вательном учреждении. Среда может быть пассивной , когда указания “гореть” просто передаются сверху , то есть от орга н а государственного управления образованием до обучающегося в виде отработанных зара нее действий : постановлений , приказов , распоряжений , правил и т.д . Нужны громадные организацио нно-экономические усилия , чтобы провести по па ссивной среде энергию волны , и в с е же она быстро затухает. Но среда может быть и активной , когда каждая волна горения сверху подпитывается внутренне й энергией на каждом уровне , то есть н а каждом уровне среды есть свой генератор энергии (пейсмекер ). Волна свободно проходит через элементы к аждой структуры (ученых , администраторов , студентов и преподавателей и т.д .), отдающих свою энергию . Получив эту энергию , волна идет далее от элемента к элементу , распространяясь как пожар. “Горение” в социальной среде - это пра ктически творческий процесс работы энтузиас тов , которые работают на малых окладах , в плохих условиях и т.д ., но их удовлетв оряет сам процесс творческого горения , новизн а работы в данной сфере , творческий интере с в получении новых научных результатов , в озможность использования своего интеллект а и т.д. Волны горения (информатизация ) идут по разным каналам : официальным формальным структурам , путям , направлениям и неформальным - отдельным научным школам , временным творческим коллект ивам и т.п ., которые в инициативном порядке работают по н еожиданным , оригинальным и перспективным направлениям . Синергетика устанавливает оп ределенные режимы , параметры , характер процессов “горения ” , что является исключительно полезным для получения практически х результатов. Причем законы синергети ки гласят , чт о при превышении определенного уровня накачки энерги и в среду , она может самовозбудиться и перейдет в режим интенсивного горения (“лаз ерный режим” ), где очень легко можно будет управлять процессом прохождения волны , регул ируя их малыми уровнями добавляемо й энергии для того , чтобы направить в олну в нужном направлении обеспечения процесс а информатизации.