Klassikaline termodünaamika (suletud süsteemid) väidab, et entroopia suurenemine tähendab termodünaamilise protsessi pöördumatust. Seega, kui pidada universumit suletud süsteemiks, siis termodünaamika teise seaduse seisukohalt temperatuurid selles järk-järgult ühtlustuvad ja tekib täielik tasakaal, mis vastab universumi “soojusurmale”. . Entroopia suureneb ja koos sellega suureneb kaose aste.
Need väited ei ole kooskõlas Universumi tekke hüpoteesiga ega kogu globaalse evolutsiooniprotsessi edasise käiguga. Järeldus häirete kasvu kohta maailmas on vastuolus nii süsteemide keemilise ja bioloogilise arenguga kui ka kogu süsteemide iseorganiseerumise protsessiga universumis. Entroopia suurenemine aga toob termodünaamika teise seaduse kohaselt esile termodünaamiliste protsesside suuna, mis tähendab aja ühedimensioonilisust ehk nn “aja noolt”.
Mitteklassikaline termodünaamika uurib avatud süsteemide reaalset maailma, mis avaldub elutus ja eluslooduses, sünergia seisukohast. See nõudis uusi ideid, kujundite kontseptsioone ja ka vanade ülevaatamist. Suuremal määral on see seotud ideedega korra ja kaose kohta. Sünergias on kaos see, mis erineb teatud struktuuri järjestusest. See ei ole struktuuri täielik puudumine, vaid ka struktuur, vaid teatud tüüpi (justkui purunenud struktuur). Alamstruktuuri all mõistetakse objekti (teiste objektidega) stabiilsete ühenduste kogumit, mis tagab selle terviklikkuse. Teisisõnu, struktuur on millegi komponentide suhteline asend ja seos, see tähendab objekti teatud korraldus. Seda iseloomustab stabiilsus, sisemiste seoste selgus ja võime seista vastu välistele teguritele ja muutustele. Struktuur on sünergia (iseorganiseerumine) võtmemõiste. Avatud süsteemid, nagu juba märgitud, vahetavad pidevalt energiat ja ainet keskkonnaga, olles suhteliselt stabiilses termodünaamilises tasakaalutuses. Bioloogilise süsteemi (elusorganismi) jaoks iseloomustab stabiilset dünaamilist seisundit minimaalne entroopia tootmine ja ebastabiilset statsionaarset seisundit maksimaalne elutu olek. Kõige tõenäolisemalt toimub elusolendite areng läbi ebastabiilsuste, kuigi üldiselt kipub see mikroskoopilisel tasemel stabiilsesse olekusse salvestunud vaba energia tõttu. Stabiilse oleku poole püüdledes “viskab” organism keskkonda tarbetut üleliigset entroopiat, säilitades seeläbi pidevalt mittetasakaalu termodünaamilise oleku.
Dissipatiivsed struktuurid
Dissipatiivne struktuur on I. Prigogine’i struktuuriteooria üks põhimõisteid. Süsteem tervikuna võib olla mittetasakaaluline, kuid juba teatud viisil korrastatud ja organiseeritud. I. Prigogine nimetas selliseid süsteeme dissipatiivseteks struktuurideks (lat. hajumine– kiirendada, hajutada vaba energiat), milles tekivad järjestatud olekud oluliste kõrvalekalletega tasakaalust. Nende struktuuride moodustumisel suureneb entroopia ja muutuvad ka süsteemi muud termodünaamilised funktsioonid. See näitab, et selle üldine kaootiline olemus jääb puutumatuks. Hajumisel kui energia hajumise protsessil on avatud süsteemides struktuuride kujunemisel oluline roll. Enamasti realiseerub hajumine liigse energia muundamisena soojuseks. Uut tüüpi struktuuride moodustumine viitab üleminekule kaosest ja korratusest organisatsioonile ja korrale. Need dissipatiivsed dünaamilised mikrostruktuurid on süsteemi tulevaste olekute prototüübid, nn fraktaalid (alates lat. fractus– murdosa, tükeldatud). Enamik fraktaale kas hävib, ilma et nad oleksid täielikult moodustunud (kui need osutuvad loodusseaduste seisukohalt kahjutuks) või jäävad mõnikord omaette arhailisteks minevikujäänusteks (näiteks rahvaste muistsed kombed, muistsed kombed sõnad jne). Bifurkatsioonipunktis (hargnemispunktis) toimub omamoodi fraktaalsete moodustiste looduslik valik. Haridus, mis osutub keskkonnatingimustega kõige paremini kohanenud, "jääb ellu".
Soodsates tingimustes "kasvab" uus struktuur (fraktal) ja muudetakse järk-järgult uueks makrostruktuuriks – atraktoriks. Sel juhul liigub süsteem uude kvalitatiivsesse olekusse. Selles uues olekus jätkab süsteem oma ründavat liikumist kuni järgmise bifurkatsioonipunktini, st kuni järgmise mittetasakaalufaasi üleminekuni.
Üldiselt mängib hajumine kui energia hajumise, liikumise ja teabe sumbumise protsess väga konstruktiivset rolli avatud süsteemides uute struktuuride kujunemisel. Dissipatiivse süsteemi jaoks on võimatu ennustada konkreetset arenguteed, kuna selle oleku esialgseid tegelikke tingimusi on raske ennustada.
Bifurkatsiooni teooria
Avatud mittelineaarne iseorganiseeruv süsteem on alati allutatud võnkudele. Just võnkumistes areneb süsteem ja liigub suhteliselt stabiilsete struktuuride poole. Seda soodustab pidev energia- ja ainevahetus süsteemi ja keskkonna vahel.
Anomaalsed muutused keskkonnas võivad viia süsteemi dünaamilise tasakaalu seisundist välja ja see muutub tasakaalutuks. Näiteks süsteemi kasvav energiavool põhjustab kõikumisi ja muudab selle tasakaalustamata ja reguleerimata. Süsteemi korraldus muutub järjest ebastabiilsemaks, süsteemi omadused muutuvad.
Kui süsteemi parameetrid saavutavad teatud kriitilised väärtused, läheb süsteem kaoseseisundisse.
Mittetasakaalulise protsessi maksimaalse kaose olekut nimetatakse bifurkatsioonipunktiks. Bifurkatsioonipunktid on süsteemi edasise arengutee nii stabiilsete kui ka ebastabiilsete “valikupunktide” tasakaalupunktid.
Ebastabiilsed olekud on sünergia jaoks olulised. Ebastabiilsete olekute ilmnemine loob süsteemile potentsiaalse võimaluse liikuda uude kvalitatiivsesse olekusse. Seda iseloomustavad süsteemi uued parameetrid ja uus töörežiim.
Teevaliku seisundites, st bifurkatsioonipunktides, on juhuslikud kõikumised (võnkumised) suure tähtsusega. Neist sõltub, millise paljudest võimalikest teedest süsteem ebastabiilsusest väljumiseks valib. Paljud kõikumised hajuvad, mõned ei mõjuta süsteemi edasist arengut, kuna on väga nõrgad. Kuid teatud lävitingimustel võivad juhuslike välismõjude tõttu need kõikumised intensiivistuda ja toimida resonantsi, sundides süsteemi valima teatud arenguteed (teatud trajektoori).
Bifurkatsioonipunktides moodustab iseorganiseeruv süsteem, mis seisab silmitsi arenguteede valikuga, hulga hajutavaid dünaamilisi mikrostruktuure, justkui süsteemi tulevaste olekute “embrüod” – fraktale. Selliste olekute kogum bifurkatsioonipunktides enne edasise tee valimist moodustab deterministliku või dünaamilise kaose. Enamik neist süsteemi tulevastest prototüüpidest – fraktaalimoodustised – sureb aga konkurentsis. Selle tulemusena jääb ellu see mikrostruktuur, mis on välistingimustega kõige paremini kohanenud. Kogu see protsess on juhuslik ja ebakindel. Tekkivat makrostruktuuri, mis jäi ellu fraktaalmoodustiste konkurentsis, nimetati atraktoriks (vt eespool). Selle tulemusena liigub süsteem uude kvalitatiivselt kõrgemasse organisatsiooni olekusse. Selle atraktori liikumissuund hakkab alluma vajadusele. Süsteem käitub nüüd nii, nagu oleks see rangelt deterministlik.
Seega kujutab atraktor evolutsiooni tee lõiku bifurkatsioonipunktist teatud lõpuni (see võib olla teine hargnemispunkt). Tavalisi atraktoreid iseloomustab dünaamilise süsteemi stabiilsus. Atraktor tõmbab justkui magnetina enda poole palju erinevaid süsteemi trajektoore, mille määravad parameetrite erinevad algväärtused. Siin on väga oluline roll koostööl, ühistel protsessidel, mis põhinevad tekkiva stabiilse struktuuri kõigi elementide sidusal, st koordineeritud koostoimel.
Atraktorit võib võrrelda koonuse või lehtriga, mis oma laia osaga on suunatud hargnemisala ehk hargnemispunkti poole ja kitsas lõpptulemuse ehk järjestatud struktuuri poole. Kui süsteem satub teatud atraktori toimesfääri, siis see areneb selle suunas. Evolutsioon jõuab samade atraktoriteni erineval viisil. Selle tulemusena moodustuvad järjestusparameetrid, see tähendab stabiilne dünaamiline olek. Süsteem võib jääda sellesse olekusse seni, kuni teatud põhjustel, aga ka juhuslike kõikumiste tõttu jõuab see uuesti ebastabiilsesse asendisse. Need põhjused on seotud disharmooniaga, avatud süsteemi sisemise oleku ja selle keskkonna välistingimuste vahelise vastuoluga. Selle tulemusena kaotab süsteem oma stabiilsuse, pöördudes tagasi kaootilisse olekusse ja sellel on taas palju uusi arenguteid. Selguse huvides võib süsteemi evolutsiooni bifurkatsiooniprotsessi kujutada bifurkatsioonipuuna (joonis 8.1).
Sarnast printsiipi kasutades saab bioloogiliste liikide arengut ehk antropogeneesi kujutada evolutsioonipuu kujul.
Bifurkatsioonipunktides võib isegi väike juhuslik muutus põhjustada süsteemi tõsiseid häireid. Seetõttu ei saa iseorganiseeruvaid süsteeme jämedalt teatud arenguteedele peale suruda. Siin on vaja uurida ja leida võimalusi looduse ja inimese kooseluks, püüda sügavuti mõista nende ühise evolutsiooni, koevolutsiooni olemust.
Bifurkatsioonide teooria alused pandi paika 20. sajandi alguses. Prantsuse matemaatik A. Poincaré ja vene matemaatik A. Ljapunov. See teooria töötati hiljem välja vene füüsiku A. Andronovi koolis. Bifurkatsioonide teooriat kasutatakse praegu laialdaselt interdistsiplinaarsetes teadustes, samuti füüsikas, keemias ja bioloogias.
Kahekümnenda sajandi keskpaigaks. tasakaalutermodünaamika võttis füüsikas juhtiva positsiooni kui kõige arenenum teooria, mis näitas oma tõhusust erinevat laadi objektide kirjeldamisel. See kirjeldus piirdus aga ainult tasakaaluseisundiga, mis kitsendas oluliselt rangelt teoreetilise süsteemipõhise lähenemise võimalike rakenduste ulatust. Tasakaalulise termodünaamika raames ei saanud esindada suurt hulka mittetasakaalulisi nähtusi – kliimat, ilmastikku, päikese-maa seoseid, kõiki elusorganisme ja biosfääri, inimühiskonda tervikuna ja palju muud.
Termodünaamiline süsteem mittetasakaalutingimustes. Välise mõju informatiivne tähendus
Veel kahekümnenda sajandi esimesel poolel. näidati kontrolliva välismõju antientroopilist rolli (joonis 14.1).
Kui mittetasakaalutingimustes olevat süsteemi mõjutab väljastpoolt tuleva energiavoog, võib entroopia kogumuutuse dS Y esitada kahe erineva märgiga komponendi summana:
dS У = dS i + dS e, (14.1)
kus dS i > 0 on entroopia muutus süsteemi sees vastavalt termodünaamika teisele seadusele; dS e< 0 - уменьшение энтропии за счет управляющего внешнего воздействия.
Riis. 14.1.
Kuna olenevalt konkreetsetest tingimustest võib võrrandi (14.1) panus dS e suurusjärgus ületada dS i, on entroopia kogumuutus süsteemis negatiivne, mis annab võimaluse mõista ja rangelt teoreetiliselt kirjeldada paljusid nähtusi. tasakaalutu loodus, näiteks elu. Elusolendite olemasolu vältimatu tingimus on nõue dS Y = 0. Järelikult peab kõigil elusorganismidel olema mehhanism kasvava entroopia täielikuks ja tõhusaks kompenseerimiseks. Elu toetavate mehhanismide spetsiifilised tüübid võivad erineda, kuid üldiselt peaksid need olema entroopilised mehhanismid. Elu erineb mitteelust selle poolest, et elusolendid sisaldavad tingimata protsesse dS e-ga< 0, которые полностью компенсируют естественное возрастание энтропии. Как только они прекращаются, наблюдается прогрессирующая старость и наступает смерть. Такого рода механизмы удобно характеризовать не энтропией, а информацией и рассматривать как упорядочивающие информационные воздействия.
Piirangud termodünaamika kui süsteemiteooria rakendamisel sellistele nähtustele olid aga seotud ennekõike sellega, et klassikalises termodünaamikas välja töötatud väga produktiivset olekufunktsioonide aparaati sai kasutada ainult tasakaaluoleku kirjeldamiseks. Olekufunktsioonide kasutamine termodünaamilise süsteemi mittetasakaaluliste protsesside järjekindlaks kirjeldamiseks sai võimalikuks pärast lokaalse tasakaalu kontseptsiooni kasutuselevõttu termodünaamikasse. Selle kontseptsiooni raames on mittetasakaalulises termodünaamikas aktsepteeritud, et kuigi süsteemi kui terviku olek on mittetasakaalu, on alati võimalik tuvastada eraldiseisvad füüsiliselt väikesed osad, mille termodünaamilised parameetrid muutuvad punktist punkti nii ebaoluliselt, et need muutused võib tähelepanuta jätta. Selliseid süsteemi kvaasitasakaalu piirkondi on tavaks pidada lokaalselt tasakaalus olevateks ja rakendada nende suhtes kogu tasakaalutermodünaamika teoreetilist aparaati.
Selle lähenemisviisi kohaselt määravad mittetasakaalusüsteemi omadused lokaalsed termodünaamilised funktsioonid, mida erinevalt globaalsetest termodünaamilistest funktsioonidest tähistatakse pigem väiketähtedega kui suurtähtedega, mis on seotud massi- või ruumalaühikuga ning sõltuvad lokaalsest koordinaadist ja aeg f. Seega lokaalne entroopia s ruumalaühiku сs puhul sõltub termodünaamilistest parameetritest a i (, φ) ja pöördumatus protsessis adiabaatilises süsteemis määratakse selle suurenemise kiirus (entroopia tootmine) valemiga.
Klassikaline termodünaamika käsitles isoleeritud süsteeme, mis kalduvad tasakaaluolekusse, või osaliselt avatud süsteeme, mis asuvad termodünaamilise tasakaalupunkti lähedal. Seetõttu ei olnud võimalik iseorganiseerumisprotsesside kirjeldamiseks kasutada klassikalise termodünaamika mõisteid. Vaja oli juurutada uusi mõisteid ja põhimõtteid, mis adekvaatselt kirjeldaksid looduses toimuvaid reaalseid iseorganiseerumisprotsesse.
Kõige põhilisem neist on avatud süsteemi kontseptsioon, mis on võimeline keskkonnaga ainet, energiat või teavet vahetama. Kuna aine ja energia vahel on seos, siis võime öelda, et süsteem tekitab oma evolutsiooni käigus entroopiat, mis aga ei akumuleeru sellesse, vaid hajub keskkonda. Värsket energiat tuleb hoopis keskkonnast ja just selle pideva vahetuse tulemusena ei pruugi süsteemi entroopia mitte kasvada, vaid jääda muutumatuks või isegi väheneda. Sellest järeldub, et avatud süsteem ei saa olla tasakaalus, selle toimimine eeldab pidevat energia ja ainega varustamist väliskeskkonnast, mille tulemusena tasakaalutus süsteemis suureneb. Selle tulemusena hävib senine suhe süsteemi elementide vahel (eelmine struktuur). Süsteemi elementide vahel tekivad uued sidusad (koordineeritud) suhted, mis toovad kaasa koostööprotsessid ja selle elementide kollektiivse käitumise.
Materiaalseid struktuure, mis on võimelised energiat hajutama, nimetatakse dissipatiivseteks. Näiteks võib tuua keemilistes reaktsioonides tekkiva iseorganiseerumise. See on seotud uute reaktiivide sisenemisega väljastpoolt, see tähendab ainete, mis tagavad reaktsiooni jätkumise ja reaktsiooniproduktide keskkonda sattumise. Väliselt väljendub iseorganiseerumine siin kontsentriliste lainete ilmnemises vedelas keskkonnas või lahuse värvi perioodilises muutumises, näiteks sinisest punaseks ja tagasi ("keemiline kell"). Neid reaktsioone uurisid esmakordselt kodumaised teadlased V. Belousov ja A. Zhabotinsky. Belgia teadlaste rühm I. Prigogine'i juhitud eksperimentaalsel alusel ehitas teoreetilise mudeli nimega Brusselator (Brüsseli linna nimest). See mudel oli aluseks uue termodünaamika uurimisele, mida nimetati mittetasakaaluliseks või mittelineaarseks. Avatud süsteeme ja iseorganiseerumisprotsesse kirjeldavate mudelite eripäraks on see, et nad kasutavad mittelineaarseid matemaatilisi võrrandeid.
Saksa füüsik Hermann Haken nimetas laseris toimuvaid iseorganiseerumisprotsesse uurides uueks uurimissuunaks sünergiat, mis vanakreeka keelest tõlkes tähendab ühist, koordineeritud tegevust. Synergetics selgitab iseorganiseerumise protsessi järgmiselt:
1. Avatud süsteem peab olema termodünaamilise tasakaalu punktist piisavalt kaugel. Kui süsteem on tasakaalupunktis, siis on sellel maksimaalne entroopia ja seepärast ei saa see organiseerida. Selles olekus saavutab ta maksimaalse desorganiseerumise. Kui süsteem on tasakaalupunkti lähedal, läheneb see aja jooksul sellele ja jõuab lõpuks täieliku desorganiseerimata olekusse.
2. Kui suletud süsteemide järjestusprintsiibiks on evolutsioon nende entroopia suurendamise suunas, s.o. korralagedus, siis iseorganiseerumise alusprintsiibiks on korra tekkimine ja tugevnemine läbi kõikumiste. Sellised kõikumised (süsteemi juhuslikud kõrvalekalded mõnest keskmisest positsioonist) süsteemi töö alguses summutatakse ja kõrvaldatakse. Kuid avatud süsteemides suurenevad need kõrvalekalded aja jooksul suureneva tasakaalustamatuse tõttu ja viivad lõppkokkuvõttes eelmise korra “kokkuvarisemiseni” ja uue korra tekkimiseni. Seda põhimõtet nimetatakse tavaliselt kõikumiste kaudu korra kujunemise põhimõtteks. Kuna kõikumised on oma olemuselt juhuslikud ja just nendest saab alguse uue korra ja struktuuri tekkimine, siis millegi uue tekkimist maailmas seostatakse alati juhuslike tegurite toimega.
4. Erinevalt negatiivse tagasiside põhimõttest, millel põhineb süsteemide dünaamilise tasakaalu juhtimine ja säilitamine, põhineb iseorganiseerumine positiivse tagasiside põhimõttel. Selle põhimõtte kohaselt süsteemis ilmnevad muutused ei elimineeru, vaid kuhjuvad ja intensiivistuvad, mille tulemusena tekib uus kord ja struktuur.
5. Iseorganiseerumisprotsessidega kaasneb suletud tasakaalusüsteemidele omane sümmeetria rikkumine. Avatud süsteeme iseloomustab asümmeetria.
6. Iseorganiseerumine on võimalik ainult süsteemides, millel on piisav arv interakteeruvaid elemente. Vastasel juhul ei piisa sünergilisest interaktsioonist süsteemi elementide kooperatiivse (kollektiivse, koordineeritud) käitumise tekkeks ja iseorganiseerumisprotsessi tekkeks.
Need on vajalikud, kuid mitte piisavad tingimused iseorganiseerumise tekkeks süsteemis. Mida kõrgem on süsteemi organiseerituse tase, seda kõrgemal on see evolutsiooniredelil, seda keerukamad ja arvukamad on tegurid, mis viivad iseorganiseerumiseni.
Uus arusaam kaosest leidis väljenduse kuulsas "liblikaefektis", mille sõnastas meteoroloogiateadlane Edward Lorenz. Liblikaefekt väidab: liblika tiiva liikumine Peruus mitmete ettearvamatute ja omavahel seotud sündmuste kaudu võib õhu liikumist suurendada ja lõpuks viia Texases orkaanini.
Sellest rääkis 20. sajandi alguses kuulus matemaatik Henri Poincaré. Ta jõudis järeldusele, et täiesti ebaoluline kogus, mis seetõttu meie tähelepanu alt väljub, põhjustab olulise mõju, mida me ei osanud isegi ette näha.
Näib, et kõik räägib juhuse võidukäigust ettemääratuse üle. Kuid see, mida me nimetame "juhuslikkuseks", on teatud järjekord, mis kujutab endast juhuslikkust, järjekorda, mille seaduspärasusi teadus veel seletada ei suuda. Ilmunud on uus termin - atraktor, mis aitab mõista toimuvaid protsesse.
Nobeli preemia laureaat I. Prigogine kirjutab raamatus “Time, Chaos, Quantum”: “Uurides, kuidas lihtne suhestub kompleksiga, valime juhtlõngaks “atraktori” kontseptsiooni, st lõpliku. dissipatiivse süsteemi olek või evolutsiooni kulg ... Atraktori mõiste on seotud mitmesuguste dissipatiivsete süsteemidega... Ideaalsel pendlil (ilma hõõrdumiseta) pole atraktorit ja see võngub lõputult. Teisest küljest peatub reaalse pendli – dissipatiivse süsteemi, mille liikumine hõlmab hõõrdumist – liikumine järk-järgult tasakaaluseisundis. See asend on atraktor... Hõõrdumise puudumisel atraktorit ei eksisteeri, kuid ka kõige nõrgem hõõrdumine muudab radikaalselt pendli liikumist ja toob sisse atraktori.“ Suurema selguse huvides paneb Prigogine idee geomeetrilisse vormi. Seejärel tähistab pendli liikumise lõpppunkt – atraktor – mis tahes trajektoori lõppseisu ruumis.
Kuid mitte kõik hajutavad süsteemid ei arene üheks lõpp-punktiks, nagu see on tõelise pendli puhul. On süsteeme, mis arenevad mitte mingisse olekusse, vaid stabiilse perioodilise režiimini. Sel juhul ei ole atraktor mitte punkt, vaid joon, mis kirjeldab perioodilisi muutusi süsteemis ajas. Konstrueeriti atraktorite kujutised, mis kujutavad mitte punkti ega joont, vaid pinda või ruumala. Nn kummaliste atraktorite avastamine oli täielik üllatus. Erinevalt joonest või pinnast iseloomustavad kummalisi atraktoreid mitte tervik, vaid murdosa mõõtmed.
Kõige selgema atraktorite klassifikatsiooni andis Ameerika teadlane Bill M. Williams, kes tegeles umbes nelikümmend aastat kaootiliste turuprotsesside uurimisega. Tema teadustöö ühendas füüsika, matemaatika ja psühholoogia saavutused. Ta väidab, et kõiki väliseid nähtusi juhivad neli jõudu, mis eraldavad korratusest korra ja mida nimetatakse atraktoriteks:
· Punkttraktor;
· Tsükliline (ringikujuline) atraktor;
atraktor Toras;
· Kummaline ligitõmbaja.
Punkttraktor – esimese dimensiooni atraktor – on lihtsaim viis kaosesse korda tuua. Ta elab joone esimeses dimensioonis, mis koosneb lõpmatust arvust punktidest. Seda iseloomustatakse kui teatud püüdlust. Seega inimkäitumises loob Punktitõmbaja psühholoogilise fikseeringu ühele soovile (või vastumeelsusele) ja kõik muu lükatakse edasi, kuni see soov on rahuldatud (hävitatud).
Tsükliline atraktor elab tasandi teises dimensioonis, mis koosneb lõpmatust arvust joontest. See iseloomustab koridori suletud turgu, kus hind liigub teatud ajavahemiku jooksul teatud vahemikus üles-alla. See atraktor on keerulisem ja annab struktuuri keerukama käitumise jaoks.
Torase atraktor on veelgi keerulisem atraktor. See alustab keerulist vereringet, mis kordub edasi liikudes. Võrreldes kahe eelmisega, toob Torase atraktor suurema häiretaseme ja selle mudelid on keerukamad. Graafiliselt näeb see välja nagu rõngas või bagel, see moodustab spiraalseid ringe mitmel erineval tasapinnal ja naaseb mõnikord täieliku pöörde sooritamiseks iseenda juurde. Selle peamine omadus on korduv tegevus.
Veider atraktor neljandast dimensioonist. Sellel, mida pealiskaudne silm tajub absoluutse kaosena, milles mingit korda pole märgata, on oma kindel kord, mis põhineb Kummalisel ligitõmbajal. Seda saab näha ainult siis, kui vaadeldakse neljandast dimensioonist. Seda võib mõelda sama paljudele kolmemõõtmelises ruumis pulseerivatele joontele, mis on sarnased vibreerivate keelpillidega. Strange Attractori neljamõõtmelisus saadakse pulsatsioonide (vibratsioonide) lisamisel. Kummalise atraktori kõige olulisem omadus on selle tundlikkus algtingimuste suhtes (“liblika efekt”). Väikseimgi kõrvalekalle algtingimustest võib tulemuses tuua kaasa tohutuid erinevusi.
Williams väidab, et kui oleme kolme esimese atraktori mõju all, siis meid manipuleeritakse ja me muutume etteaimatavaks. Ainult kummalise ligitõmbaja dünaamikas saame olla tõeliselt vabad. Kummaline ligitõmbaja korraldab imelise spontaansuse ja vabaduse maailma.
Keeruliste süsteemide kirjeldamiseks loodi uus geomeetria. 1975. aastal võttis Benoit Mandelbrot kasutusele fraktali mõiste (ladina keelest - split), et tähistada ebakorrapäraseid, kuid sarnaseid struktuure. Fraktaalgeomeetria tekkimist seostatakse Mandelbroti raamatu "Fractal Geometry of Nature" ilmumisega 1977. aastal. Ta kirjutas: "Fraktal on struktuur, mis koosneb osadest, mis on mingil moel sarnased tervikuga."
Fraktaalgeomeetria "nägi" paradokse, mis hämmastasid paljusid 20. sajandi matemaatikuid. See on "ranniku" paradoks, "lumehelbe" paradoks jne.
Mis on see erakordne "lumehelves"? Kujutagem ette võrdkülgset kolmnurka. Jagage mõlemad pooled vaimselt kolmeks võrdseks osaks. Eemaldame mõlemalt küljelt keskosa ja asendame selle võrdkülgse kolmnurgaga, mille külje pikkus on üks kolmandik algkujundi pikkusest. Saame kuueharulise tähe. Seda ei moodusta enam kolm kindla pikkusega segmenti, vaid kaksteist segmenti, mis on kolm korda lühemad algsest pikkusest. Ja sellel pole enam mitte kolm, vaid kuus tippu. Kordame seda toimingut ikka ja jälle, moodustatud kontuuri osade arv kasvab ja kasvab. Pilt omandab lumehelbe välimuse. Ühendatud joonel, mis koosneb sirgetest (või kõveratest) lõikudest ja mida nimetatakse Kochi kõveraks, on mitmeid funktsioone. Esiteks on see pidev silmus, mis ei ristu kunagi ennast, kuna uued kolmnurgad kummalgi küljel on piisavalt väikesed, et nad ei põrkaks üksteisega kokku. Iga teisendus lisab kõverale veidi ruumi, kuid selle kogupindala jääb piiratuks ja on tegelikult vaid veidi suurem kui algse kolmnurga pindala. Ja lisaks sellele ei ületa kõver kunagi selle ümber kirjeldatud ringi. Lõpmatu pikkusega Kochi kõver on surutud piiratud ruumi! Pealegi on see juba midagi enamat kui lihtsalt joon, kuid siiski pole see tasapind.
Niisiis on fraktaalid geomeetrilised kujundid, millel on hulk väga huvitavaid tunnuseid: killustumine osadeks, mis on sarnased tervikuga, või sama teisendus, mida korratakse kahanevas skaalas. Neid iseloomustab katkendlikkus ja enesesarnasus. Fraktaalsus on ebakorrapärasuse mõõt. Näiteks mida rohkem on jõel käänakuid ja pöördeid, seda suurem on selle fraktaalide arv. Fraktaalid võivad olla lineaarsed ja mittelineaarsed. Lineaarsed fraktaalid on määratletud lineaarsete funktsioonidega, st. esimest järku võrrandid. Nad näitavad enesesarnasust kõige lihtsamal kujul: iga osa on terviku väiksem koopia. Mittelineaarsete fraktaalide enesesarnasus on mitmekesisem: neis ei ole osa mitte täpne, vaid deformeerunud koopia tervikust. Fraktalid kirjeldavad kogu reaalset maailma.
Mõõtmeidee põhjal jõudis Mandelbrot järeldusele, et vastus küsimusele: kui palju mõõtmeid on objektil, sõltub tajumise tasemest. Näiteks kui palju mõõtmeid on nöörikeral? Suure vahemaa tagant paistab see nullmõõtmega punktina. Läheneme pallile ja leiame, et see on kera ja sellel on kolm mõõdet. Veelgi lähemalt vaadates muutub string ise nähtavaks ja objekt saab ühe mõõtme, kuid väänatakse nii, et kaasatud on kolmemõõtmeline ruum. Mikroskoobi all leiame, et nöör koosneb keerdunud pikendatud kolmemõõtmelistest objektidest ja need omakorda ühemõõtmelistest kiududest, mille aine laguneb nullmõõtmega osakesteks. See tähendab, et olenevalt meie tajust muutus mõõde järgmiselt: null - kolmemõõtmeline - ühemõõtmeline - kolmemõõtmeline - ühemõõtmeline - null.
Fraktaalstruktuuriga füüsikalistel süsteemidel on ainulaadsed omadused. Fraktalid hajutavad elektromagnetkiirgust erinevalt, vibreerivad ja kõlavad erinevalt, juhivad erinevalt elektrit jne.
Paradoksaalsel kombel ei tuvastanud fraktaalikomplektide avastamine mitte ainult ettearvamatute protsesside olemasolu, vaid õpetas inimestele ka neid juhtima, kuna kaootiliste süsteemide ebastabiilsus muudab nad välismõjude suhtes äärmiselt tundlikuks. Samal ajal näitavad kaosega süsteemid hämmastavat plastilisust. Puu kasvab ja hargneb ülespoole, kuid keegi ei oska öelda, kuidas selle oksad täpselt painduvad. Seetõttu öeldakse, et maailm on loodud kaosest.
Teema põhimõisted:
Iseorganiseerumine on algsest keerukama struktuuri spontaanse moodustumise protsess.
Kaos on seisund, kus korraldavaks põhimõtteks saavad juhuslikkus ja korratus.
Kord on süsteemi korraldus.
Tasakaalutermodünaamika uurib suletud süsteeme, milles toimuvad protsessid entroopia suurenemise suunas, s.t. häire teket.
Mittetasakaaluline termodünaamika uurib avatud, kompleksselt organiseeritud süsteeme, milles toimub iseorganiseerumine.
Atraktor on dissipatiivse süsteemi evolutsiooni lõppseisund või finaal.
Dissipatiivsed süsteemid on süsteemid, mille koguenergia liikumise ajal väheneb, muutudes teist tüüpi liikumiseks, näiteks soojuseks.
Termodünaamiline tasakaalupunkt on maksimaalse entroopiaga olek.
Fluktuatsioonid on süsteemi juhuslikud kõrvalekalded mingist keskmisest positsioonist.
Avatud süsteem on süsteem, mis vahetab ainet, energiat või informatsiooni oma keskkonnaga.
Eelnevalt käsitletud termodünaamika kirjeldas tasakaaluolekute omadusi. Termodünaamiline tasakaal tähendab seisundit, milleni süsteem teatud välistingimustes aja jooksul jõuab. Tasakaaluseisundite puhul on aja mõiste ebaoluline, seetõttu ei sisaldu aeg termodünaamika ja termodünaamiliste potentsiaalide kolmes seaduses. Tasakaalu termodünaamika õigem nimetus oleks termostaadid.
Termodünaamiliste suuruste voogude ja gradientide ilmnemine, ülekandeprotsessid viivad mittetasakaaluliste süsteemideni, mis aja jooksul muudavad oma parameetreid. Mittetasakaaluliste protsesside termodünaamika on mittetasakaaluliste süsteemide makroskoopilise kirjeldamise üldteooria. Nende süsteemide matemaatilises kirjeldamises, milles toimuvad mittetasakaalulised protsessid, käsitletakse süsteeme pidevate keskkondadena ning nende olekuparameetreid koordinaatide ja aja pidevate funktsioonidena. Süsteem on kujutatud elementide kogumina. Iga isoleeritud elemendi olekut iseloomustavad temperatuur, tihedus, keemiline potentsiaal ja muud termodünaamilised parameetrid.
Mittetasakaaluliste süsteemide kirjeldus taandub massi-, energia- ja impulsi jäävuse seadustele põhinevate elementaarmahtude tasakaaluvõrrandite koostamisele. Sellele süsteemile on lisatud energiabilansi võrrand, samuti massi-, impulsi- ja energiavoogude fenomenoloogilised võrrandid, mis on väljendatud termodünaamiliste parameetrite gradiendi kaudu.
Säilitusseadused hõlmavad k-nda komponendi massi jäävuse seadust:
kus k = 1,2,..., yy, p K v K - mahuelement; r k - tihedus, v K- k-nda komponendi osakeste massivoolukiirus (keskmine massiülekande kiirus).
Kogutiheduse jaoks on säilitusseadusel vorm
massil on vorm
Kus I= p (u - v) - difusioonivool; - = - + (t'grad) - esimene pro-
aja põhjal.
Impulsi jäävuse seadus, mida rakendatakse elementaarmahule, võimaldab saada hüdrodünaamika põhivõrrandid (Navier-Stokesi võrrandid):
Kus v 3- Descartes'i kiiruse komponendid Ja;r 1f = lk 8, f+ p (f- pingetensor; R- surve; 8 gar - Kroneckeri sümbol; lk 1f- viskoosne pingetensor. Navier-Stokesi võrrandeid kasutatakse tõeliste vedelike ja gaaside voolu uurimiseks. Need võrrandid on mittelineaarsed ja täpseid lahendusi leitakse ainult erijuhtudel.
Elementaarmahtude energia jäävuse seadus esindab termodünaamika esimest seadust.
Energiatasakaalu võrrandil on vorm
Kus Jk- soojuse noot; YjP t, f,^~- sisemiste pingete töö; Hj, Flt -
ar oh p k-1
väliste jõudude töö. Seega sisemine energia ri ei säästa, vaid säilib ainult koguenergia. Entroopia tasakaalu võrrandi saab kirjutada järgmiselt
kus a on kohalikku entroopiaproduktsiooni iseloomustav suurus
ja defineeritud kui st = X/D,; J t- ojad; X: - tugevus; d/- element peal - 1 = 1
süsteemi olemus. Meie puhul o> 0. Väärtused J K F k võivad olla vektorid (soojusjuhtivus, difusioon), skalaarid (koguviskoossus, keemiliste reaktsioonide kiirus). Termodünaamiline potentsiaal TdS = dU + pdV - Y^x k dc k sest massielement piki oma massikeskme trajektoori võtab kuju
kus kõik tuletised aja suhtes on täielikud. Lokaalset entroopia teket põhjustavad soojusjuhtivuse, difusiooni ja viskoossuse pöördumatud protsessid.
Mittetasakaaluliste süsteemide kirjeldamiseks tegi I. Prigogine ettepaneku võtta kasutusele lokaalse termodünaamilise tasakaalu kontseptsioon. Kui väikeses mahus tasakaalu rikkuvad protsessid on vähem intensiivsed kui tasakaalu moodustavad protsessid, siis räägime lokaalne tasakaal.
Lokaalse tasakaalu põhimõte on postulaat.
Fenomenoloogiline võrrand kirjeldab süsteemi väikseid kõrvalekaldeid termodünaamilisest tasakaalust. Saadud voolud sõltuvad lineaarselt termodünaamilistest jõududest ja neid kirjeldatakse fenomenoloogiliste võrranditega nagu
Kus meeldib-ülekandekoefitsiendid; termodünaamiline jõud X k kutsub lõime Jk. Näiteks temperatuurigradient põhjustab soojusvoo (soojusjuhtivus), kontsentratsioonigradient aine voolu, kiirusgradient impulsi voolu, elektrivälja gradient elektrivoolu jne.
Võrrandit (3.36) nimetatakse ka termodünaamiliseks liikumisvõrrandiks. Voogude ja termodünaamiliste jõudude vahelise lineaarse seose hüpotees on pöördumatute protsesside termodünaamika aluseks.
Termodünaamiline jõud võib põhjustada voolu Jik, Kus i ^ To. Näiteks võib temperatuurigradient põhjustada aine voolu mitmekomponentsetes süsteemides. Selliseid protsesse nimetatakse rist, neid iseloomustab koefitsient Ljk juures i # k. Sel juhul on entroopiaproduktsioonil vorm
Vastavalt Prigogine'i teoreemile on statsionaarses olekus a väärtus minimaalne antud välistingimustes, mis takistavad tasakaalu saavutamist. Termodünaamilises tasakaalus a = 0.
Mittetasakaaluliste protsesside termodünaamilisi seoseid kasutatakse paljude mittetasakaaluliste nähtuste, näiteks termodünaamiliste, galvanomagnetiliste, termogalvanomagnetiliste, selgitamiseks. Luuakse avatud süsteemide uurimise teoreetilised alused.
Pöördumatute protsesside lineaarsuse piirkonnas on fenomenoloogiliste koefitsientide maatriks sümmeetriline:
See on Onsageri vastastikkuse suhe või sümmeetria suhe. Teisisõnu, voolu suurenemine Jk, põhjustatud ühikulise jõu suurendamisest X see võrdne voolu suurenemisega J jy põhjustatud suurenemisest jõuühiku kohta X k . Pöördumatute protsesside termodünaamika kujunemisel mängis suurt rolli vastastikkuse seos.
Makroskoopiliste objektide maailm võib jagada kahte klassi: isoleeritud süsteemid ja avatud süsteemid. Isoleeritud süsteemides valitseb termodünaamika. Eraldatud süsteemid jõuavad varem või hiljem termodünaamilise tasakaalu olekusse. Termodünaamilise tasakaalu seisundis unustab süsteem oma mineviku ajaloo. See eksisteerib ainult jäävusseaduste märgi all: koguenergia on võrdne konstandiga, impulss ja mass säilitavad oma väärtuse.
Tasakaalusüsteemide termodünaamika ei tunne aja mõistet. Termodünaamika seaduste kohaselt eksisteerivad ainult elutud süsteemid. Termodünaamika põhiseadusi käsitleti eespool.
Märgime kahte asjaolu:
- 1) klassikalise tasakaalutermodünaamika järeldused mittetasakaaluliste olekute kohta ei sisalda ajategurit;
- 2) mittetasakaalulise süsteemi termodünaamiline kirjeldus põhineb lokaalse tasakaalu põhimõttel.
Kooskõlas lokaalse tasakaalu põhimõte tasakaalu häirivad protsessid on vähem intensiivsed kui tasakaalu loovad protsessid. Sel juhul saame teatud täpsusega rääkida lokaalsest tasakaalust ehk teisisõnu termodünaamilisest tasakaalust lõpmata väikeses mahus. Pöördumatute protsesside termodünaamikas võeti kasutusele olekufunktsioonid, mis sõltuvad samadest muutujatest, millest nad sõltuvad, kui süsteem on termodünaamilises tasakaaluseisundis. Termodünaamilised funktsioonid muutusid aga koordinaatide ja aja funktsioonideks. Kuigi lokaalse tasakaalu põhimõtet ei saa tuletada termodünaamika seadustest ja seetõttu on see postuleeritud, on selle hüpoteesi paikapidavus õigustatud teooria ja katse kokkulangemisega.
Paljude erinevates katsetingimustes esinevate pöördumatute nähtuste laia klassi puhul leiti, et voolud (soojusvool, massivool) on termodünaamiliste jõudude lineaarsed funktsioonid (temperatuuri gradient, kontsentratsioonigradient jne), näiteks Fourier' seadus ( vastavalt sellele on soojusvoo seadus võrdeline temperatuurigradiendiga) või Ficki seadus (mille järgi on difusioonivool võrdeline kontsentratsioonigradiendiga).
Seost (3.37) kasutades on ühe protsessi teadaolevate tunnuste põhjal võimalik ennustada pöördprotsessi tunnuseid. Meenutagem ka võrrandite (3.14)-(3.17) analüüsi.
Pöördumatute protsesside termodünaamikas on üldiselt aktsepteeritud, et entroopia juurdekasvu kiirust või, mis on sama, entroopia teket saab esitada kujul
Pöördumatute protsesside termodünaamikas on kõige olulisem tõsiasi iseorganiseerumine avatud süsteemides. Iseorganiseerumisprotsess on avatud süsteemide üldine omadus. Nii paradoksaalselt kui see ka ei kõla, on avatud süsteemide korra allikaks süsteemi tasakaalutus. Iseorganiseeruvate struktuuride moodustumine toimub tasakaalust kaugel.
Looduses on teada palju iseorganiseeruvaid süsteeme. Loomamaailmast võib tuua näiteks sebra triibulise naha, mesilaste kuusnurksete kärgede täpse ehituse, inimese sõrmede naha individuaalse ja ainulaadse mustri ning lumehelveste tüübid. Võib esineda ajalisi struktuure, näiteks ajaline korrelatsioon jäneste arvukuse ja neist toituvate ilveste vahel. Kuigi see protsess ajas kõigub, on mõlema populatsiooni arvukuse kasvu tipud ajas rangelt korrelatsioonis. Seda kuulsat näidet nimetatakse bioloogias "kiskja-saagiks".
Näite võib tuua elutust loodusest – tuntud Bénardi rakud vedelikus, mis tekivad teatud temperatuurigradienti juures. Sel juhul tekivad vedelikus konvektiivsed voolud, millel on iseloomulik struktuur kuusnurksete prismarakkude kujul. Prisma keskosas tõuseb vedelik üles, vertikaalsete servade lähedal aga alla (joonis 3.13).
Riis. 3.13.
A- struktuuri üldvaade; b- vooskeem üksikutes lahtrites
Pinnakihis levib vedelik keskelt servadesse ja alumises kihis piiridest keskele. Konvektiivrakud on kõrgelt realiseeritud struktuur, milles entroopia kantakse üle. Benardi struktuuride teke on seletatav asjaoluga, et madalatel temperatuurigradientidel tekib konvektiivvool ja suureneb vedelikukihi soojusülekandevõime. Ilmuvad konvektiivse liikumise kõikumised, mis intensiivistuvad ja jõuavad makroskoopilistesse mõõtkavadesse. Tekib stabiilne Benardi struktuur, milles on tagatud maksimaalne soojusvoo kiirus.
Avatud süsteemis tekib uus molekulaarne kord, mida stabiliseerib energiavahetus väliskeskkonnaga. Oluline on märkida, et see ei riku termodünaamika teist seadust. Statsionaarne dissipatiivse struktuuriga mittetasakaalu süsteem tarbib negatiivset entroopiat. Dissipatiivsete struktuuride tekkimine on lävendiga. Iseorganiseerunud struktuur tekib fluktuatsioonidest ja iseorganiseerumise lävilaad on seotud ühe stabiilse seisundi üleminekuga teise.
Avatud süsteemides tekivad dissipatiivsed struktuurid, mida iseloomustab aine ja energia vahetus väliskeskkonnaga. Dissipatiivse struktuuriga statsionaarne mittetasakaalu süsteem peab tarbima negatiivset entroopiat. Sel juhul ei rikuta entroopia suurenemise seadust. Lisaks tekitavad energia- ja ainevood avatud süsteemides fluktuatsiooni ja struktuurset korda. Dissipatiivsete struktuuride tekkimine on lävendiga. Uus struktuur on ebastabiilsuse tagajärg ja tuleneb kõikumisest. Alakriitilises režiimis kõikumised tavaliselt hääbuvad. Künnise ületamisel ja ülekriitilise režiimi saavutamisel kõikumised tugevnevad, jõuavad makroskoopilisele tasemele ja moodustavad uue stabiilse režiimi. Seega on iseorganiseerumise läve iseloom seotud ühe stabiilse statsionaarse oleku üleminekuga teise. Iseorganiseerumine süsteemis on seotud algsest keerukama struktuuri kujunemisega.
Erinevat laadi süsteemides iseorganiseerumisprotsesside üldiste mustrite uurimisega tegeleb sünergia(kreeka keelest sinergeetilisedxs- "ühine, koordineeritud tegevus" - teaduse suund, mis on seotud eri tüüpi süsteemides ruumilis-ajalise järjestuse mustrite uurimisega, samuti uuritud mustrite kasutamisega erinevates teaduse ja tehnoloogia valdkondades.
Sünergeetika oma arengus põhineb üsna paljudel süsteemide iseorganiseerumise nähtustel. Sünergeetika peamised teaduslikud kategooriad on: dissipatiivne struktuur, lülituslaine või faasisiirde eesmine, lokaliseeritud impulsside iseostsillaator, kaja, autolained jne. Sünergiat iseloomustab teatud objektide uurimistulemuste kasutamine faasisiirde analüüsimisel. teised. Sünergetika ei hõlma mitte ainult füüsikat, keemiat, bioloogiat, vaid ka sotsioloogiat, keeleteadust ja sotsiaalteadusi.
Sellel kontseptsioonil on veidi erinev aspekt. Selle asutaja I. Prigogine märkis, et teoreetilises keemias ja füüsikas, mis on oma arengu alguses, on tekkinud uus suund, kus termodünaamilised kontseptsioonid hakkavad mängima suurt rolli. Uue teaduse ülesanne on tõestada, et tasakaalutus võib olla korra põhjuseks.
Kuni lähiminevikuni leppis füüsikateadus tasakaalu termodünaamikaga. Selle distsipliini teemaks on suletud süsteemides toimuvad energia muundamise protsessid, mille olek on lähedane termodünaamilisele tasakaalule. Kuid sellistes süsteemides pole kohta iseorganiseerumisel. Seetõttu on vaja luua uus termodünaamika, mis on võimeline peegeldama katkendlikke protsesse.
Selleks, et süsteem mitte ainult ei hoiaks, vaid looks kaosest korda, peab see kindlasti olema avatud ning sellel peab olema väljastpoolt tuleva energia ja aine sissevool. Need on süsteemid, millele Prigogine nimetas hajutav. Kogu meie teadmistele ligipääsetav maailm koosnebki just sellistest süsteemidest ning selles maailma evolutsioonis on vormide mitmekesisus ja ebastabiilsus kõikjal.
Arengu evolutsioonifaasis jõuab hajutav süsteem arengu olemuse tõttu tugeva tasakaalutuse olekusse ja kaotab stabiilsuse. See juhtub juhtimisparameetrite kriitiliste väärtuste juures ja käimasolevate protsesside edasine sõltuvus mõjuvatest jõududest muutub äärmiselt mittelineaarseks.
Tekkinud kriisiolukorra lahenduseks on dissipatiivse süsteemi kiire üleminek ühte võimalikest stabiilsetest olekutest, mis on algsest kvalitatiivselt erinev. Prigogine tõlgendab sellist üleminekut dissipatiivse süsteemi kohanemisena välistingimustega, mis tagab selle püsimajäämise. See on süsteemi iseorganiseerumine.
Iseorganiseerumine avaldub hiiglasliku kollektiivse kõikumisena, millel pole füüsika statistiliste seadustega mingit pistmist. Üleminekuseisundis käituvad süsteemi elemendid korrelatsioonis, kuigi enne seda olid nad kaootilises liikumises.
Näitena võime võtta üleminekuetapi homogeensest universumist struktuursesse universumisse. Selle ülemineku alguses oli Universum segu kolmest ainest, mis omavahel peaaegu ei interakteerusid: leptonitest, footonitest ja barüoonsest ainest. Aine temperatuur (3000 K) ja tihedus olid selleks ajaks juba üsna madalad ning nendes tingimustes ei suutnud ükski neljast fundamentaalsest interaktsioonist pakkuda protsesse aine keerukuse ja järjestuse suurendamiseks. Väljavaade oli "leptoni kõrbe" moodustumine, mis on "soojusurma" analoog. Kuid seda ei juhtunud, süsteemis toimus hüpe kvalitatiivselt uude olekusse: universumisse ilmusid erineva ulatusega struktuurid, mis olid puhtalt mittetasakaalusates olekutes. Selle protsessi selgitamiseks kasutatakse mateeria iseorganiseerumise ideid. Formaalsest vaatenurgast võib Universumit pidada hajutavaks süsteemiks, kuna see on avatud (kui vaakumit vaadelda kui universumi keskkonda); mittetasakaal (selles on häiritud aine ja antiaine tasakaaluline koostis, see koosneb kolmest osast, mis peaaegu ei suhtle üksteisega ja millest igaühel on oma temperatuur); aine temperatuur ja tihedus selles etapis on kriitilised, kuna ükski füüsikaline vastastikmõju ei taga Universumi edasist arengut. Kõik see tõi kaasa hüppe, struktuurse universumi tekke.
Dissipatiivse süsteemi üleminek kriitilisest olekust stabiilsesse olekusse on mitmetähenduslik. Komplekssetel mittetasakaalusüsteemidel on võime minna üle ebastabiilsest ühele mitmest diskreetsest stabiilsest olekust. Kumb neist üleminek toimub, on juhuse küsimus. Kriitilises seisundis süsteemis tekivad tugevad kõikumised, millest ühe mõjul toimub hüpe kindlasse stabiilsesse olekusse. Kuna kõikumised on juhuslikud, osutub lõppseisundi “valik” juhuslikuks. Kuid kui üleminek on lõppenud, pole enam tagasitulekut. Hüpe on ühekordne ja pöördumatu. Nimetatakse süsteemi parameetrite kriitilist väärtust, mille juures on võimalik mitmetähenduslik üleminek uude olekusse bifurkatsioonipunkt.
Bifurkatsiooni nähtuse avastamine tõi Prigogine'i sõnul füüsikasse ajaloolise lähenemise elemendi. Igasugune bifurkatsiooni läbinud süsteemi kirjeldus nõuab nii tõenäosusmõistete kui ka klassikalise determinismi kaasamist. Olles kahe bifurkatsioonipunkti vahel, areneb süsteem loomulikult, bifurkatsioonipunktide läheduses mängivad aga olulist rolli kõikumised, mis määravad, milline edasise arengu tee valitakse.
Seega sunnib iseorganiseerumine heitma uue pilgu juhusliku ja loomuliku suhetele süsteemide arengus, looduses tervikuna. Arengus eristatakse kahte faasi: sujuv evolutsioon, mille kulg on üsna loomulik ja rangelt määratud, ning hüpped bifurkatsioonipunktides, mis tekivad juhuslikult ja määravad seetõttu juhuslikult järgneva loomuliku evolutsioonifaasi kuni järgmise hüppeni uues kriitilises punktis.
Iga inimene võib veenduda, et bifurkatsioonipunktid ei ole abstraktsioon. Iga inimene on seisnud silmitsi olukordadega, kus ta oli oma tulevase elutee valiku ees ja asjaolude juhuslik kombinatsioon määras selle tee. Näiteks plaanis inimene teise linna õppima minna, kuid murdis jalaluu ja pidi koju jääma. Seega määras juhtum edasise eluetapi. Sarnaseid näiteid võib jätkata, igaüks võib tuua need oma elust.
Oluline punkt mittetasakaalulise termodünaamika probleemide väljatöötamisel on selle seos aja pöördumatuse probleemiga. Iseorganiseerumine ei allu statistikaseadustele, kuid kui see ilmneb, ilmneb selgelt "aja nool" - hüppeprotsessi ei saa tagasi pöörata. Dünaamilistel seadustel põhinev klassikaline mehaanika ei välista aja ümberpööramise võimalust. Seega, muutes keha liikumist kirjeldavates võrrandites plussmärki aja ja kiiruse ees, saame kirjelduse selle keha liikumisest mööda läbitud rada vastupidises suunas. Ja kuigi kogu meie kogemus veenab meid aega tagasi keeramise võimatuses, ei olnud selline võimalus teoreetiliselt välistatud. Teine asi on statistilised seadused, sealhulgas termodünaamika seadused. Väga suurest hulgast osakestest koosnevate süsteemide puhul järgneb paratamatult looduslike protsesside ühesuunalisus.
Katastroofiteooria käsitleb ka iseorganiseerumise probleeme. Katastroofid nimetatakse järskudeks muutusteks, mis tekivad süsteemi äkilise reaktsioonina välistingimuste sujuvale muutumisele. See teooria pakub universaalset meetodit kõigi järskude üleminekute, katkestuste ja äkiliste kvalitatiivsete muutuste uurimiseks.
Tänapäeval näeb maailmapilt välja selline. Maailm, milles me elame, koosneb mitmemõõtmelistest avatud süsteemidest, mille arendamine toimub ühe algoritmi järgi. See algoritm põhineb ainele omasel iseorganiseerumisvõimel, mis avaldub süsteemi kriitilistes punktides. Suurim inimesele teadaolev süsteem on arenev universum.
Seminari tunniplaan (2 tundi)
1. Loodusteaduse klassikalised ja kaasaegsed arengukäsitused.
2. Aine iseorganiseerumise idee olemus.
3. Sünergia ja mittetasakaalulise termodünaamika alused.
Aruannete ja referaatide teemad
1. I. Prigogine’i ja I. Stengersi raamatu “Korraldus kaosest” tähendus tänapäeva teadusele.
2. Katastroofide teooria alused.
KIRJANDUS
1. Arnold A.I. Katastroofi teooria. M., 1990.
2. Prigožõ I., Stengers I. Korraldage kaosest. M., 1986.
3. Rovinsky R.E. Arenev universum. M., 1996.
4. Haken G. Sünergia. M., 1985.