Реферати українською » Наука и техника » Преджизнь. Відкритість. Нелинейность. Аттракторы


Реферат Преджизнь. Відкритість. Нелинейность. Аттракторы

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Трохи історії

“У лазері велика кількість атомів занурені в активну середу, наприклад, у такому кристал, як рубін. Після накачування ззовні атоми порушуються і може випускати окремі цуги світлових хвиль. Отже, кожен атом випускає сигнал, тобто створює інформацію, стерпну світловим полем. У порожнини лазера випущені цуги хвиль можуть мати справу з іншим збудженою атомом, що сприятиме посиленню испускаемой їм хвилі... Оскільки окремі атоми можуть випускати світлові хвилі незалежно друг від одного й тому що ці хвилі можуть потім посилюватися іншими збудженими атомами, виникає суперпозиція некоррелированных, хоч і посилених цугов хвиль, і ми бачимо цілком нерегулярну картину. Але коли його амплітуда сигналу стає досить великий, починається зовсім нове процес. Атоми починають когерентно осциллировать, і саме полі стає когерентним, тобто її не перебуває понад із окремих некоррелированных цугов хвиль, а перетворюється на одну практично нескінченно довгу синусоїду.

Перед нами типовий приклад самоорганізації: тимчасова структура когерентної хвилі виникає до втручання державних ззовні. На зміну хаосу приходить порядок. Детальна математична теорія показує, що що виникає когерентная світлова хвиля служить свого роду параметром порядку, що змушує атоми осциллировать когерентно, чи, інакше кажучи, полонить атомы”[1]

У наведеному уривку ми виділимо спочатку одне поняття — самоорганізація. І воно є ключовим розуміння сутності синергетики. Синергетику визначають як науку про самоорганізації чи, більш розгорнуто, про мимовільному виникненні і самоподдержании упорядкованих тимчасових і просторових структури відкритих нелінійних системах різної природи. У описі процесу освіти когерентної світловий хвилі Хакен використовує чимало інших основних понять синергетики. Накачка енергії означає, що розглянута система є відкритої, тобто має інтенсивний приплив енергії ззовні, і навіть відтоки енергії. Квазінаціональне середовище тимчасова чи просторова структура формується в активної середовищі і становить виявлення однієї з потенційно властивих їй дискретних станів. Система реагує нелінійно, тобто перехід від неорганізованого поведінки атомів злитися їх випромінювання в когерентну світлову хвилю відбувається плавним шляхом, в лінійної пропорції до підвищення енергії, а стрибкоподібно — в останній момент, коли приплив енергії перевищить певний бар'єр. Разрозненное і неупорядковане поведінка окремих атомів відповідає хаотичного стану системи, макроскопическому хаосу, з яких шляхом фазового переходу народжується порядок. Для будь-якої системи можна визначити параметри порядку, дозволяють описати її складну поведінку досить простим чином, і навіть вибрати певні контролюючі параметри, за зміни яких істотно змінюється макроскопическое поведінка системи. Параметри порядку підпорядковують поведінка окремих елементів системи — у яких виражається запроваджений Хакеном принцип підпорядкування.

Хакену належить явний пріоритет у створенні нового терміна — “синергетика” — й у розробці системи понять і теоретичних моделей, що описують механізми самоорганізації, але з абсолютне першість у дослідженні самих явищ самоорганізації.

У фізиці ефекти освіти стійких структури умовах інтенсивного зовнішнього припливу енергії відомі дуже давно. Взяти класичний приклад — освіту про осередків Бенара, викликаних конвективными течіями в дедалі гострішої знизу в'язкому рідини. Цей досвід кожний відтворити себе вдома. Досить налити в сковорідку товстий шар рослинної й поставити його на сильний вогонь. Невдовзі можна буде потрапити спостерігати, як нижній, дуже гарячий шар оливи й верхній, менш гарячий, починають постійно міняти одне одного у вертикальному перебігу — але з безладному чи распространяющемся відразу протягом усього ємність, а структурованому у вигляді правильних шестигранних осередків, нагадують бджолині стільники. Просторові структури самоорганізації виникають тоді, коли температур нижнього і верхнього верств рідини сягає певного граничного значення. Потоки рідини спонтанно, тобто це без будь-якого організуючого впливу ззовні, переходить до упорядкований стан, відповідне щодо стійким і геометрично правильним формам. Варто применшити вогонь під пательнею, і осередки знову перетворяться на безладні завихрення олії (що ні завадить за підсумками досвіду присмажити у ньому ковбасу) . За більш інтенсивному нагріванні рідини у ній виникатимуть складніші просторово-часові структури, наприклад, осциляції вихорів. У Росії її протягом кількох десятиліть продуктивно розвивається оригінальне напрям синергетики, вивчаюче локалізовані структури горіння і тепла, що у надшвидких, лавинообразных еволюційних процесах, в про режимах з загостренням. Цей напрям своєї представлено наукової школою академіка РАН А. А. Самарського і члена-кореспондента РАН З. П. Курдюмова. Исследуются механізми формування локалізованих структур (самоорганізації) , їх трансформації, синтезу (коеволюції) і розпаду.

Спочатку вивчення локалізованих структур горіння і тепла було з практичної завданням утримання клубка плазми в заданих кордонах із з метою отримання температури, яка потрібна на початку керованої термоядерної реакції. Корінь технічної проблеми у тому, аби знизити контакт розпеченій плазми зі стінками реактори й зменшити енергетичні видатки утримують її магнітні поля.

Обчислювальні експерименти, проведені у 60-ті роки, показали несподіваний подарунок: існує такий режим сверхбыстрого стискування і розігріву плазми, у якому показник її температури на графіці злітає вгору майже вертикально, прагнучи нескінченності, тоді як просторовий обсяг клубка, тобто острівця тепла в навколишньому холодному світі, не розповзається, залишаючись в початкових межах. Виходить, що плазма створює кордону навколо себе з відерця самій себе. Цей нелінійний ефект дозволяє кілька десятків тисяч разів знизити енергію, яку вимагають для ініціювання реакції термоядерного синтезу. Незвичайність такої міри плазмової середовища у тому, що у будь-яких нормальних умов потенціал “тепло — холод” прагне вирівнюванню, аналогічно як порція холодного молока, улитого в гаряча кава, робить її теплим.

І це синергетика — чим вона й приваблива для допитливих умів, тяжіють до незвичному в навколишньому світі, — доводить можливість руху на протилежному напрямі: від розповзання до локалізації тепла, від рівноваги до дедалі вищого нерівновазі і творення структури станах, далекі від рівноваги.

Відому нам друге початок термодинаміки, говорящее про зростання безладдя (ентропії) в замкнутих системах, втрачає чинність для відкритих нелінійних систем, досліджуваних синергетикою. Локализованные, швидко що розвиваються структури існують з допомогою зростаючій хаотизации середовища, з урахуванням виробництва, у ній ентропії. Структури горіння хіба що інтенсивно “випалюють” середу навколо себе. І організація (порядок) , і дезорганізація (ентропія) збільшуються одночасно. На піку загострення процесу розігріву і “підбирання” кордонів тепла структура стає надзвичайно хисткій, чутливої до найменших флуктуаціям, випадковим змін ходу процесу. Вони можуть ініціювати розпад складної структури або ж вивести на інший, протилежний режим — режим спаду температури і розповзання тепла.

Преджизнь

Важливі результати, що стосуються спонтанного виникнення упорядкованих структур, отримано до початку 1970-х років й у хімії. Вони були пов'язані насамперед з дослідженнями, проведеними в Вільному університеті Брюсселя під керівництвом Іллі Пригожина — бельгійського вченого російського походження (1927 року в десятирічному віці він був повезли батьками із Росії) , який 1977 року за роботи у сфері нерівновагової термодинаміки Нобелівської премії.

“У різних експериментальних умовах, — пишуть Ілля Пригожин та її співавтор Ізабелла Стенгерс, — в однієї й тієї системи можуть спостерігатися різноманітні форми самоорганізації — хімічні годинник, стійка просторова диференціація або освіта хвиль хімічної активності на макроскопічних расстояниях”[2].

Хімічні годинник — мабуть, найяскравіший феномен самоорганізації хімічних процесів, відкритий початку 1950-х років російськими вченими Б. П. Бєлоусовим й О. М. Жаботинським. Структура, що тут утворюється, є не просторову, а тимчасову структуру — коливання з регулярної періодичністю.

Для теоретичного описи реакції Бєлоусова — Жаботинського Пригожин зі співробітниками розробив спеціальну модель, названу брюсселятором. Вона має так. Є речовини, котрі вступають між собою у хімічну реакцію. Концентрацию одного з них — “управляючого” речовини — плавно збільшують. Тільки-но переходить критичний поріг (за інших рівних параметрах) , старе стаціонарне стан хімічної системи стає хистким і концентрації двох інших реагують речовин починають коливатися з чітко вираженої періодичністю. Коливання відбуваються навколо деякого нестабільного фокусу виходять на граничний цикл, тобто встановлюється стійке періодичне рух.

Конечную область неминучого сходження фазових траєкторій руху складної системи називають в синергетики аттрактором. Як аттрактора може бути чи точка (стійкий фокус) , чи інше складніше освіту.

Існують дивні аттракторы, коли траєкторії системи роблять довільні і піддаються регулярному опису блукання всередині певній галузі. Дотримуючись Пригожину, дивний аттрактор може бути “що привертає хаосом” . Щоб краще уявити собі наочніше картину хімічних годин, та її незвичайність висловити більш вражаючим чином, Пригожин і Стенгерс пропонують умовно вважати, що у реакції беруть участь молекули двох сортів — “червоні” і “сині” . До переходу критичного порога концентрації “управляючого” речовини вони у хаотичної суміші, і маємо у пробірці якусь фіолетову рідина з легенями безладними відхиленнями одного з двох початкових квітів. “Іншу картину побачимо, роздивляючись хімічні годинник: вся реакційна суміш матиме синій колір, потім її колір різко зміниться на червоний, і знову на синій тощо. Оскільки зміна забарвлення відбувається після правильні інтервали часу, ми маємо справу з когерентним процесом. Настільки висока упорядкованість, джерело якої в узгодженому поведінці мільярдів молекул, здається неправдоподібною, і якби хімічні годинник там було спостерігати „у плоті” , навряд хтось повірив, що така процес може бути. Щоб одночасно змінити свій колір, молекули повинні „якимось чином” підтримувати зв'язок між собою. Система повинна поводитися, як єдине целое”[3]. В наявності ефект когерентного, кооперативного поведінки елементів в хімічних системах. Теоретично самоорганізації проводиться чітке різницю між стаціонарними, “застиглими” структурами, такі як грати кристалів, і щодо стійкими структурами, викликуваними до життя з спочатку хаотичного стану шляхом інтенсивного зміни по деякому провідному параметру — чи це накачуванням енергії у фізичному ефект лазерного випромінювання, збільшенням концентрації речовини у вищеописаному вище хімічному ефект чи, із дуже загальної погляду, припливом інформацією середу, що також охоплюють синергетическими моделями. Перший тип структур — це, можна сказати, глухі куточки еволюції. Для рівноважних стаціонарних структур мале обурення “звалюється” ту саму структуру. Другий тип — це структури, здатні спонтанно виникати й бурхливо розвиватися в активних, рассеивающих (диссипативных) середовищах в станах, далекі від термодинамічної рівноваги. Для позначення подібного типу структур Пригожин запропонував використовувати поняття диссипативной структури. Саме вони у фокусі уваги синергетики.

Диссипативные структури виявляють характерне властивість: в станах нестійкості вони можуть виявитися чутливими до найменших випадковим отклонениям серед. Короткий момент нестійкості, балансування системи на вістрі вибору між майбутніми станами, коли доля всієї системи може залежати від вторгнення однієї випадкової флуктуації, називається в синергетики біфуркацією. Дослідження явищ самоорганізації в хімічних процесах привели Пригожина до створення власної узагальненої теорії самоорганізації, далеко виходить межі хімії. Він пише про її за- різного: нелінійної нерівновагової термодинамікою, наукою про складному, теорією переходу від хаосу порядок, але найчастіше теорією диссипативных структур.

Пригожин воліє не користуватися терміном “синергетика” , хоча щодо своєму внутрішньому змісту дослідження, безперечно, ставляться до синергетичної теорії еволюції і самоорганізації складних систем.

Створення теорії самоорганізації для Пригожина — ще самоціль. Його надзавдання — використовувати цю теорію на розкриття глибинних механізмів походження живого. Він прагне подолати якісний розрив описом живої і неживої природи чи з меншою мірою — що де лежить не більше можливостей сучасної науки — додати ще кілька прольотів до того що мосту, який вчені здавна намагаються навести над прірвою, лежачої з-поміж них.

“Життя, явно вкладається до рамок природного порядку, постає маємо як вищий прояв які у природі процесів самоорганізації. Ми... стверджуємо, що, якщо умови для самоорганізації виконані, життя починається так само передбачуваною, як нестійкість Бенара чи падіння вільно кинутого каменю” [4], — пишуть Пригожин і Стенгерс.

У пошуках сполучних ланок між жвавий і неживим Пригожин спирається на дані молекулярної біології, яка перебуває хіба що посередині річки, що розділює два берега. Він високо оцінює модель предбиологической еволюції, розроблену німецьким ученим Манфредом Эйгеном. Відповідно до досліджень Ейгена, системи полімерних молекул — молекул, які, взяті власними силами, позбавлені у традиційному поданні та “краплі” життя, — здатні підтримувати власне існування через цикл самовідтворення і протидії возмущающим впливам ззовні. Механізм їх самозбереження і адаптацію навколишньому середовищі є прообразом механізму відтворення живих організмів через ланцюга ДНК.

Пригожин говорить про спонтанних острівцях самоорганізації за переходу до живому: “Очевидно, розумно припустити, що з перших стадій еволюції до життя пов'язані з появою механізмів, здатних поглинати і трансформувати хімічну енергію, хіба що виштовхуючи систему дуже неравновесные умови. І на цій стадії життя, чи „преджизнь” , була рідкісним подією і дарвінівський відбір не грав такий істотною ролі, як у пізніших стадіях” [5]. Погляд на природу як у єдине ціле, де розподіл на живе і неживе перестав бути абсолютним, але пов'язані з обмеженістю нашого розуміння речей, можна простежити далеко всередину історії людську думку. Більше характерний для східну філософію, але мав вплив та у країнах. Серед прихильників такого погляду і по суті, віддалених попередників синергетичного світогляду варто згадати Шеллінга, який будував свою філософію з ставлення до природі як і справу єдиному живий організм. “Неорганічна і

Страница 1 из 3 | Следующая страница

Схожі реферати:

Нові надходження

Замовлення реферату

Реклама

Навігація