Открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом, импульсом и информацией. Все реальные системы являются открытыми. К наиболее важному типу открытых систем относятся химические системы, в которых непрерывно протекают химические реакции (реагенты поступают извне, а продукты взаимодействия отводятся). Биологические системы, живые организмы, можно также рассматривать как открытые химические системы. Такой подход к живым организмам позволяет исследовать процессы их развития и жизнедеятельности на основе законов термодинамики неравновесных процессов, физической и химической кинетики. В неорганической природе открытые системы обмениваются с внешней средой, которая также состоит из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется еще обмен информацией. Информационный обмен наблюдается также в биологических системах, например, при передаче генетической информации. Свойства открытых систем наиболее просто описываются вблизи состояния термодинамического равновесия. В этом случае неравновесное состояние можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: температурой, химическими потенциалами компонентов системы и др., но не с постоянными для всей системы значениями, а с зависящими от координат и времени. В открытых системах также изменяется энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия не накапливается, как в закрытых системах, а выводится в окружающую среду.
Энтропия открытых систем в неравновесном состоянии (локально-неравновесном состоянии) определяется как сумма значений энтропий отдельных малых элементов системы, находящихся в локальном равновесии (вследствие аддитивности энтропии). Отклонение термодинамичесаких параметров от их равновесных значений вызывают в системе потоки энергии и вещества. Процессы переноса приводят к росту энтропии системы (производству энтропии) В замкнутых системах энтропия возрастает и стремится к своему равновесному максимальному значению (производство энтропии стремится к нулю). В открытой системе возможны стационарные состояния с постоянной энтропией при постоянном производстве энтропии, которая должна при этом отводиться от системы. Стационарное состояние играет в термодинамике открытых систем такую же роль, что играет термодинамическое равновесие для изолированных систем в термодинамике равновесных процессов. Энтропия открытых систем в этом состоянии хотя и остается постоянной (производство энтропии компенсируется ее отводом), но это стационарное состояние не соответствует ее максимуму.
Наиболее интересные свойства открытых систем выявляются при нелинейных процессах, когда в них возможно появление термодинамически устойчивых неравновесных состояний, далеких от состояния термодинамического равновесия и характеризующихся определенной пространственной или временной упорядоченностью (диссипативной структурой). Существование такой структуры требует непрерывного обмена веществом и энергией с окружающей средой.
Таким образом, в новой термодинамике место закрытой, изолированной системы заняло понятие открытой системы, способной обмениваться с окружением энергией, веществом и информацией.
Одним из первых определений открытой системы дал Э. Шредингер, выдающийся австрийский физик (1887-1961 гг.). В своей книге «Что такое жизнь? С точки зрения физика» он показал, что законы физики лежат в основе образования биологических структур. Шредингер подчеркивал, что характерная особенность биологических систем состоит в обмене энергией и веществом с окружающей средой. Средство, при помощи которого организм поддерживает себя на достаточно высоком уровне упорядоченности (на достаточно низком уровне энтропии), состоит в непрерывном извлечении упорядоченности из окружающей его среды. Взаимодействующая со средой система не может оставаться замкнутой, так как она вынуждена получать извне новые вещества или энергию и одновременно выводить в окружающее пространство использованное вещество и отработанную энергию. Так как между массой (веществом) и энергией существует взаимосвязь, выражаемая уравнением Эйнштейна Е = mc2, то можно сказать, что в ходе своей эволюции система постоянно обменивается энергией с окружающей средой, а, следовательно, увеличивает энтропию. Но в отличие от закрытых систем эта энтропия не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Такого рода материальные структуры, способные рассеивать энергию, как уже указывали выше, называются диссипативными.
С поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. В конечном итоге, прежняя связь между элементами системы, которая определяет ее структуру, разрушается. Между элементами возникают новые связи, которые приводят к кооперативным процессам, т.е. к коллективному поведению ее элементов. Так схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых системах. Наглядной иллюстрацией процессов самоорганизации может служить работа лазера. Достаточно хаотические колебательные движения частиц кристалла благодаря поступлению энергии извне приводятся в согласованное движение. Это приводит к увеличению мощности лазерного излучения. Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Г. Хакен назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает «совместное действие», или взаимодействие.
Другим примером может служить самоорганизация, возникающая в химических реакциях. В химических реакциях она связана с поступлением извне новых реагентов, веществ, обеспечивающих продолжение реакции, с одной стороны, и выведением в окружающую среду продуктов реакции, с другой стороны. Нелинейные процессы в открытых системах исследуют на основе уравнений химической кинетики: баланса скоростей химических реакций в системе со скоростью подачи реагентов и отвода продуктов реакции. Накопление в открытых системах активных продуктов реакции или теплоты может привести к автоколебательному (самоподдерживающемуся) режиму реакций. Для этого необходимо, чтобы в системе реализовывалась обратная связь: ускорение реакции под воздействием либо продукта (автокатализ), либо теплоты, выделяющейся при реакции. В химической открытой системе с положительной обратной связью возникают незатухающие саморегулирующиеся химические реакции. Внешне самоорганизация проявляется с появлением в жидкой среде концентрических волн или в периодическом изменении цвета. Особенно хорошо это видно в автоколебательных или периодических реакциях, открытых Б. Белоусовым и исследованных А. Жаботинским. На экспериментальной основе периодических реакций И.Р. Пригожин построил теоретическую модель, названную брюсселятором. Эта модель легла в основу новой термодинамики - неравновесной, или нелинейной термодинамики. Под нелинейностью в термодинамике и в теории самоорганизации понимается то, что в них используются нелинейные математические уравнения, содержащие переменные во второй или выше степени. Линейные уравнения в условиях открытых систем или в условиях интенсивных воздействий на системы оказываются неадекватными.
Открытие самоорганизации в простейших системах неорганической природы, прежде всего в физике и химии, имеет огромное значение, как научное, так и мировоззренческое. Оно показывает, что такие процессы могут происходить в основе материи, и тем самым проливает свет на взаимосвязь неорганической и органической природы. Отсюда и возникновение жизни на Земле не кажется теперь редким и случайным явлением. С позиций самоорганизации становится ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, служащих основанием любой эволюции.
Современная наука и синергетика объясняют процесс самоорганизации систем следующим образом.
1. Система должна быть открытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией.
2. Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точке равновесия система обладает максимальной энтропией и поэтому не способна к какой-либо организации: в этом состоянии достигается максимум ее самодезорганизации. В состоянии, близком к равновесию, система со временем приблизится к нему и придет в состояние полной дезорганизации.
3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения, системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Но в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Так как флуктуации носят случайный характер, то становится ясно, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. Об этом говорили античные философы Эпикур (341270 до н.э.) и Лукреций Кар (99-45 до н.э.)
4. Возникновение самоорганизации опирается на положительную обратную связь. Функционирование различных автоматических устройств основывается на принципе отрицательной обратной связи, т.е. на получение обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. В самоорганизующейся системе изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.
5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Так, мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.
6. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления коллективного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.
Мы перечислили необходимые, но далеко не достаточные условия для возникновения самоорганизации в различных системах природы. Даже в химических самоорганизующихся системах, кроме вышеперечисленных, участвуют и другие факторы, например, процессы катализа. В биологических системах таких факторов еще больше. Поэтому можно сделать вывод, что чем выше по эволюционной лестнице система, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, играющие роль в самоорганизации.
Три закона термодинамики вместе с молекулярно-кинетической теорией составили основу термодинамики, сформировавшейся ныне в универсальную строго логическую научную дисциплину.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему