Загальні поняття самоорганізованих структур

Самоорганізація речовини - це один із найдивовижніших і в якомусь сенсі загадкових ефектів, з якими ми стикаємося при дослідженні конденсованих середовищ - рідин і твердих тіл. Вивчення цих явищ в сутності тільки починається, і виявляється, що подібні спостереження ставлять під сумнів наші основоположні уявлення, може бути, наукові штампи, але тим самим відкриваються нові шляхи осмислення процесів, що відбуваються в природі, шляхи, які лягли в основу нового наукового напряму - фізики відкритих систем.

Що ж являють собою просторово-організовані структури? Візьмемо для початку приклад з чудової книги І. Пригожина та І. Стенгерс "Порядок з хаосу" [1]. Припустимо, ми розглядаємо прозору коробку з кульками, забарвленими в чорний і білий кольори. З деякої відстані маса кульок буде здаватися сірою. Раптово (а фактично в результаті впливу, що приходить ззовні) вся маса кульок стане білою, потім через певний проміжок часу - чорною, потім знову білою. Це прообраз так званих хімічних годин. Але найдивовижніше, що такий хімічний годинник спостерігалися в експерименті! У 1951 році Б.П. Бєлоусов досліджував процес окислення органічної кислоти броматом калію в присутності деяких каталізаторів. Сам процес досить складний (близько тридцяти проміжних сполук), однак тут можна виділити два стани, при яких розчин має або червоний, або синій колір. Концентрацію речовин,

підводяться до посудини (реактору), можна було регулювати. Белоусову вдалося спостерігати дивні явища: при певному значенні припливу реагентів ззовні починалися періодичні коливання червоне-синє-червоне (хімічні годинник). при інших зовнішніх умовах в реакторі відбувалася просторова самоорганізація - рідина в посудині складалася з почергових червоних і синіх смуг. нарешті, опинялася можливою і третя форма самоорганізації - просторово-часова; по посудині прокочувалися то червоні, то сині хвилі. спостережувані факти здавалися настільки дивовижними, настільки суперечили здоровому глузду, що Бєлоусов протягом декількох років не міг опублікувати результати свого дивного експерименту. Пізніше він все-таки зумів продовжити дослідження спільно з А.М. Жаботинським; в даний час ці результати є класикою фізики відкритих систем.

Розглянемо ще один знаменитий досвід - мова

йде про так звану нестійкості Бенара, або осередках Бенара. Для експерименту необхідно взяти горизонтальний шар якої-небудь рідини (наприклад, олії) і створити вертикальний градієнт температур (легко зміркувати, що така схема вийде, якщо підігрівати знизу сковороду). При цьому встановиться деякий потік тепла, що йде знизу вгору. Будемо змінювати градієнт температур (температуру дна). коли він досягне деякого критичного значення, то однорідна структура рідини раптово зміниться, і ми будемо спостерігати складну просторово-організовану систему, що складається з осередків у формі правильних шестикутників. Така структура зображена на рис. 1, а. При досягненні порогового значення градієнта температури перенос тепла вже не забезпечуюють тільки теплопровідністю, тобто хаотичним рухом молекул рідини, і виникає їх конвективний рух. На рис. 1, б, де осередки Бенара збільшені в 25 разів, можна побачити, що в центрі комірки рідина піднімається вгору, а по краях рухається вниз.

Що спільного в цих двох явищах, одне з яких відноситься до хімічних реакцій, друге - до гідравліки? По-перше, в обох випадках ми маємо справу з відкритими системами, тобто з системами, що піддаються притоку енергії або речовини ззовні, через границі системи. По-друге, щоб система перейшла в особливий режим, при якому утворюються просторово-організовані структури, необхідно, щоб зовнішній вплив досягло деякого критичного значення. У разі структур Білоусова-Жаботинського це певне значення концентраційного потоку реагентів, в разі осередків Бенара - градієнта температур. За цим порогом структури виникають "Раптом" з хаосу, з однорідного речовини. Спільним їх властивістю є чудова самоорганізованість мікрооб'єктів системи. Молекули рідини як би відчувають лікоть сусіда, хоча при менших значеннях зовнішнього впливу вони ніби не помічали один одного і діяли індивідуально. Така поведінка називається когерентним і вимагає специфічних динамічних зв'язків усередині системи. Нарешті, необхідно, щоб зміни стану системи описувалися нелінійними диференціальними рівняннями. Отже, самоорганізовані структури виникають в відкритих системах, тобто системах, що піддаються впливу ззовні припливу речовини або енергії

Рис. 1. а - осередки Бенара, що виникають у раніше однорідної рідини при закритичному

значенні температурного градієнта (різниці температур між низом і верхом судини);

б - збільшена в 25 разів картина нестійкості Бенара в рідини. У центрі кожної комірки

ки рідина піднімається вгору, на краях опускається

через кордони системи, проте це є обов'язковим, але недостатньою умовою. Вплив ззовні має бути сильним, за критичний, при цьому ми переходимо в особливу, нелінійну область, яку називають по термінології Пригожина областю, віддаленої від рівноваги. Хочеться звернути увагу на широку поширеність просторово-організованих структур в навколишньому нас природі, наприклад в забарвленні рослин, комах, тварин. Згадайте зебру, яку всі бачили в зоопарку. Забарвлення її не рівномірне, а являє собою правильне чергування чорних і білих смуг. Як вже говорилося, вивчення явищ самоорганізації відносять до наукового напряму, який зараз найчастіше називають фізикою відкритих систем або нерівноважної термодинаміки. Основні ідеї цій області наукового знання, еволюція від термодинаміки замкнутих систем до лінійної нерівноважної термодинаміці (де зовнішній вплив відносно мало) і далі до сильно нерівновагим системам викладені в двох статтях професора А.І. Осипова "Термодинаміка вчора, сьогодні, завтра", поміщених в "Соросовском Освітньому Журналі" [7]. Процес самоорганізації є перехід від безладного руху, хаотичного стану через наростання флуктуацій до нового порядку. Це не статичний порядок рівноваги, а динамічний стан, що підтримується припливом ззовні, через кордону системи. Як вже говорилося, найважливішим відзнакою самоорганізованих структур від статичного порядку є властиві їм колективні ефекти. Щоб підкреслити роль кооперативних дій, один із засновників фізики відкритих систем, Герман Хакен, ввів термін "синергетика", що означає спільну дію. І. Пригожину належить термін, що стосується спонтанно самоорганізуються станів, - "дисипативні структури". Цим він підкреслює значення дисипації (розсіювання енергії) в виникненні нового режиму при переході через критичну точку. Флуктуації збільшуються і перестають бути малими поправками до середніх значень. Раніше локалізовані в малій частині системи, вони поширюються на всю систему. Величина їх наростає, амплітуди флуктуацій мають такий же порядок величини, як самі макроскопічні значення, відмінність між флуктуаціями і середніми значеннями стирається. Відгуки локальних змін розносяться по всій системі, з'являються далекодійні кореляції, відгук системи на зовнішній вплив стає колективним. Утворений динамічний порядок виростає з хаосу.

Незважаючи на величезну поширеність самоорганізуються, їх вивчення тільки починається і, можливо, є найзагадковішим явищем, найпотаємнішої таємницею природи. Адже як писав в своїй книзі знаменитий фізик Е. Шредінгер, сама життя є процес створення порядку з хаосу. Дивна здатність живого організму затримувати перехід до термодинамічної рівноваги - смерті. Організм як відкрита система підтримує своє існування завдяки можливості перетворювати енергію більш хаотичного руху в упорядковане, і саме його здатність пити впорядкованість з навколишнього середовища дозволяє уникати переходу до атомному хаосу.

Поиск по сайту: