Термин «синергетика» был впервые использован в начале 70-х годов 20 века немецким физиком Германом Хакеном. Происходит это слово от греческого «synergeia» - совместное действие, сотрудничество. Сегодня под синергетикой понимают междисциплинарную науку о самоорганизации – спонтанном (естественном) возникновении порядка из хаоса. Основными источниками появления и развития синергетики были термодинамика и новый раздел математики, получивший название «теория катастроф», основоположником которого считается французский математик Ренэ Том. В развитии идей новых направлений термодинамики, получивших название «неравновесной термодинамики», большой вклад внесли такие ученые, как норвежский физико-химик Ларс Онсагер и бельгийский физик русского происхождения Илья Пригожин.
§ 2. Синергетика и термодинамика
Одним из основных «корней», из которых произрастает синергетика, является термодинамика – наука о тепловых процессах. В составе современной термодинамики выделяют более ранние и классические разделы, получившие название «равновесная термодинамика», и более поздние и неклассические ее разделы, называемые обычно «неравновесной термодинамикой». Рассмотрим вкратце основные идеи этих направлений термодинамики для лучшего понимания того, что представляет из себя синергетика.
В равновесной термодинамике основным является понятие термодинамического равновесия, т.е. такого состояния термодинамической системы, при котором она не обменивается материей и энергией с окружающей средой (такая система называется изолированной) и не меняется во времени (такая система называется стационарной). Равновесная термодинамика базируется на трех основных законах. 1-й закон – это закон сохранения энергии, 2-й закон – закон неубывания энтропии в изолированной системе, и 3-й закон – закон недостижимости абсолютного нуля температур.
В неравновесной термодинамике рассматриваются процессы, в той или иной мере отклоняющиеся от термодинамического равновесия. В линейной неравновесной термодинамике такое отклонение еще невелико, что выражается в так называемом принципе локального равновесия, при котором термодинамическое равновесие сохраняется в достаточно малых частях системы. В этом случае термодинамические процессы могут быть описаны в форме линейных зависимостей присутствующих в системе потоков вещества или энергии от различных термодинамических сил, вызывающих эти потоки. Например, поток тепла вызывается силой, определяемой перепадом температур, поток вещества – перепадом концентраций в системе, и т.д. В работах Онсагера и Пригожина была сформулирована идея некоторой величины, получившей название «производство энтропии», к минимизации которой стремится стационарная термодинамическая система в случае небольших отклонений от состояния равновесия. Производство энтропии – это величина скорости изменения энтропии, так что стационарная система стремится минимизировать скорость изменения энтропии, максимально приближаясь в этом к состоянию термодинамического равновесия, когда производство энтропии равно нулю. Более того, стационарное состояние с минимумом производства энтропии оказывается термодинамически устойчивым состоянием, т.е. происходит погашение малых отклонений (флуктуаций), удаляющих систему от этого состояния.
В нелинейной неравновесной термодинамике отклонение от состояния равновесия может быть достаточно значительным. Здесь уже нельзя пользоваться линейными соотношениями между потоками и силами, перестает выполняться принцип локального равновесия. Неравновесие присуще не только системе в целом, оно проникает и на уровень малых частей системы. Тем не менее, было обнаружено, что как раз в такого рода далеко отстоящих от равновесия состояниях спонтанно возникают различные упорядоченные структуры, которые способны поддерживать свое состояние только в высоконеравновесных условиях. Такие структуры были названы «диссипативными структурами»: это «структуры в открытых системах, в которых в ходе неравновесного процесса из пространственно-однородного состояния самопроизвольно (спонтанно) возникает пространственная или временная структура». В таких системах обычно локально энтропия уменьшается, хотя глобально считается, что она по-прежнему растет.
Синергетическая система
- есть открытая система, как правило находящаяся в состоянии, далеком от термодинамического равновесия
- обладает высокой степенью чувствительности к влияниям внешней среды, т.к. находится в состоянии неустойчивого фазового равновесия и способна выйти из этого состояния под действием малых отклонений (флуктуаций)
- из всех флуктуаций системой фиксируется наиболее оптимальная и невероятная (с точки зрения термодинамического равновесия) флуктуация, способная привести к новому режиму функционирования системы
- новый режим функционирования проявляет себя в виде новой диссипативной структуры, которая постепенно распространяется из некоторой локальной области («ядра»). Этот процесс носит название нуклеации
- нуклеация распространяется, части системы обнаруживают кооперативность, и наконец скачком (катастрофически) возникает новая упорядоченная структура
- новая структура выражает максимальную адаптацию системы к изменившимся условиям среды, представленным как управляющие параметры системы или характеристические параметры ее динамики (описывающих эту динамику дифференциальных уравнений)
Здесь мы видим следующие корреляции: по мере удаления от равновесия повышается чувствительность системы к внешней среде, возникает своего рода различимость системы по отношению к нужным флуктуациям, которые отбираются и усиливаются в форме разного рода когерентных (кооперативных) эффектов.
Такой образ синергетической системы уже во многом напоминает образ живого организма, также далекого от равновесия, чувствительного к среде, обладающего избирательной различимостью и способного к формированию системной активности.
В лице равновесной и неравновесной термодинамики (синергетики) современная наука выражает идею своего рода двух состояний материи. Материя может находиться в более инертном, равновесном состоянии, описываемой средствами равновесной термодинамики, и материя способна достигать некоторого «возбужденного», или «активированного», состояния, выражаемого средствами неравновесной нелинейной термодинамики и синергетики. Причем, в активированном состоянии материя начинает до некоторой степени напоминать состояние живого организма. Методология синергетики начинает во многом напоминать своего рода «обобщенный дарвинизм», оперирующий понятиями «изменчивости», «отбора» и «адаптации» на универсальном уровне синергетических обобщений, выходящих далеко за границы только биологического знания. Такого рода тенденцию изменения представлений о материи в современной физике можно было бы условно обозначить термином «витализация образа материи», от латинского vita – жизнь, т.е. как бы «оживление» представлений о материи, сближающее ее с образом живого организма.
Синергетику сопровождают сегодня и разного рода современные версии более идеалистических философских систем. Можно говорить об элементах платонизма, проявляющегося в утверждении некоторых первичных форм (элементарных катастроф), определяющих активность материальных процессов, о возрождении до некоторой степени идей дальнодействия, связанного с разного рода нелокальными, мгновенными взаимодействиями в процессе образования кооперативных структур. Образ витализированной материи в синергетике близок также философии стоиков, которая рассматривала мир как бесконечную иерархию самовозрастающих логосов-огней, укорененных в материи и прорастающих в ней в виде разного рода структур и активностей.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему