Разработка теории диссипативных структур
И. Пригожин и Г. Никописом отмечали, что неравновесные состояния связаны с неисчезающими потоками между внешней средой и системой. Каждая точка в такой неравновесной среде – это потребитель энергии и источник ее для других точек. Это означает, что система осуществляет непрерывный направленный обмен энергией с внешней средой.
Самоорганизации характерна локальная упорядоченность – резкое снижение уровня энтропии в рамках системы, которое осуществляется за счет внешнего притока энергии и за счет рассеивания энергии сильнонеравновесными системами. В случае, когда возникновение упорядоченных структур происходит внутри большой замкнутой системы, суммарная ее энтропия увеличивается. Таким образом, в открытых неравновесных системах не происходит нарушения второго начала термодинамики. Кроме того, в расширенной система, которая включает процессы самоорганизации, скорость возрастания энтропии за счет более интенсивного развития энтропии в очагах структуры выше.
Упорядоченные структуры, которые возникают в ходе самоорганизации в открытых системах, отдаленных от точки равновесия, называют диссипативными. Существование диссипативной структуры возможно только в потоке энергии, энтропия потока энергии на входе в систему должна быть меньшее энтропии потока выхода.
Например, в процессе получения световой энергии Солнца, Земля в космическое пространство излучает тепловую энергию, которая менее качественная, чем световая. Это сопровождается увеличением энтропии окружающего пространства. Этот градиент обусловливает возможность существования биосферы, которая является высокоупорядоченной диссипативной структурой.
И. Пригожину в 1977 году была присуждена Нобелевская премия за разработку теории диссипативных структур и значительные заслуги в развитии неравновесной термодинамики. Совместимость второго начала термодинамики со способностью к самоорганизации является одним из важнейших достижений современной термодинамики.
Пороговый характер самоорганизации
Внутренняя неустойчивость системы является еще одним важным условием самоорганизации. Неустойчивость системы появляется при сильной неравновесности.
Потеря устойчивости неравновесной системой является критическим моментом в ее необратимом развитии, которое приобретает нелинейный пороговый характер. Именно вследствие скачкообразного выхода из критического неустойчивого состояния возможно образование состояния, качественного нового и с более высоким уровнем упорядоченности.
Если уравнения, которые описывают зависимость одного параметра системы от другого в случае линейного процесса имеют одно решение, а развитие системы является предсказуемым, то уравнения в случае нелинейного процесса имеют несколько решений, и изменение одного параметра приводит к резкому изменению другого параметра в одном из возможных направлений. Поэтому однозначное предсказание развития системы невозможно.
Примером формирования диссипативной структуры через неустойчивость является переход ламинарного течения воды в турбулентное. Вода при термодинамическом равновесии находится в покое. При нарушении равновесия до критической точки скорости течение воды будет ламинарным – перемещение воды будет осуществляться параллельными направлению течения слоями. Потоки воды и термодинамические в данном случае будут связаны линейными соотношениями. Когда градиент возрастет, скорость воды превысит критическое значение, то движение воды приобретет турбулентный характер. Появятся водовороты, которые представляют собой диссипативные структуры. Точное предсказание характеристик таких завихрений невозможно. Это связано с тем, что при слабом неравновесии реализуется только одно стационарное состояние, а при сильном неравновесии системой будет достигнут порог устойчивости. За этим порогом устойчивости открывается несколько допустимых ветвей развития для системы, которые ведут к нескольким стационарным состояниям.
Бифуркационная теория
Критическая точка, в которой переход системы в одно из нескольких возможных новых состояний наиболее вероятен, называется точкой бифуркации.
Теория бифуркации является основанием синергетической парадигмы. Бифуркационный механизм обеспечивает нелинейность развития диссипативных структур. При переходе через точку бифуркации система выбирает какой-либо из возможных вариантов развития. Каждый из этих вариантов предполагает коренную перестройку характера развития системы, которая сопровождается сменой пространственно-временной организации.
Возможны и ситуации более сложные, где происходит реализация «каскадов бифуркаций», которые раскрывают целый веер путей эволюции системы. Прямая зависимость разветвлений бифуркации от степени сложности системы, реализующей этот процесс, является общей закономерностью. Чем сложнее система, тем больше будет разветвлений бифуркационных.
Возникает вопрос, почему невозможно предсказание выбора пути развития в точке бифуркации. Это связано с тем, что в неустойчивом состоянии сильно неравновесная система является очень чувствительной даже к малейшим флуктуациям какого-либо параметра самой системы и окружающей среды.
В состояниях равновесия флуктуации нейтрализуются действием второго начала термодинамики, которое заставляет систему возвращаться к изначальному максимально хаотичному состоянию. Но когда система вплотную подходит к точке бифуркации происходит радикальное изменение ситуации. Флуктуации становятся очень сильными, их амплитуды имеют порядок величины, равный средним макроскопическим значениям. Соответственно, стираются и различия между флуктуациями и средними значениями. Данный феномен в отечественной школе синергетических исследований назвали разрастанием малого. Флуктуации – это «зародыши порядка», разрастание флуктуаций является основой пространственно-временной организации диссипативных структур.
