Самоорганизация и саморазвитие
Другие рефераты
Содержание
ВВЕДЕНИЕ 3
Самоорганизация и саморазвитие 6
Литература 12
Введение
Появление теории самоорганизации в современном естествознании
инициировано, видимо, подготовкой глобального эволюционного синтеза всех
естественнонаучных дисциплин. Эту тенденцию в немалой степени сдерживало
такое обстоятельство, как разительная асимметрия процессов деградации и
развития в живой и неживой природе. В классической науке XIX в.
господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к
разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в
энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос). Такой
взгляд на вещи сформировался под воздействием равновесной термодинамики.
Эта наука занимается изучением процессов взаимопревращения различных
видов энергии. Ею установлено, что взаимное превращение тепла и работы
неравнозначно. Работа может полностью превратиться в тепло трением или
другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально
невозможно. Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в
другие существует выделенная самой природой направленность. Знаменитое
второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р.
Клаузиуса звучит так: "Теплота не переходит самопроизвольно от холодного
тела к более горячему".
Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики),
в принципе, не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии
сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности это никогда не происходит.
Данную односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в
замкнутых системах и подчеркивает второе начало термодинамики.
Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое
понятие — "энтропия". Под энтропией стали понижать меру беспорядка системы.
Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид:
при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию,
энтропия всегда возрастает.
Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая
из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией)
система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью
движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или
термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично.
Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что
эквивалентно хаосу.
Общий вывод достаточно печален: необратимая направленность процессов
преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к
превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая рассеется, т.е. в
среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и
будет означать термодинамическое равновесие или хаос. Если Вселенная
замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как
утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, по предположению
классической термодинамики, и возвратится.
Возникает, правда, любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует
только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего
упорядоченного состояния. Но этим вопросом классическая термодинамика не
задавалась, ибо формировалась в эпоху, когда нестационарный характер
Вселенной не обсуждался. В это время единственным немым укором
термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый ею
процесс развития растительного и животного мира характеризовался его
непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая
природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и
хаоса. Налицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой
природы.
После замены модели стационарной Вселенной на развивающуюся в которой
ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных
объектов — от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения
после Большого взрыва до звездных и галактических систем, — несоответствие
законов стало еще более явным. Ведь если принцип возрастания энтропии столь
универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случайным
"возмущением" в целом равновесной Вселенной их не объяснить. Стало ясно,
что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо
постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и
созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против
термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.
Самоорганизация и саморазвитие
Постулат о способности материи к саморазвитию в философию был введен
достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных
науках (физике, химии) начали осознавать только сейчас. На этой волне и
возникла теория самоорганизации. Ее разработка началась несколько
десятилетий назад. В настоящее время она развивается по нескольким
направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И.Р.
Пригожий) и др. Общий смысл комплекса синергетических (термин Г. Хакена)
идей, которые развивают эти направления, заключается в следующем: процессы
разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны;
процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый
алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются. Таким
образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального
механизма, при помощи которого осуществляется самоорганизация как в живой,
так и неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный
переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных
форм организации к более сложным и упорядоченным. Отсюда следует, что
объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те,
которые отвечают как минимум двум условиям. Прежде всего, они должны быть:
. открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой; и
. существенно неравновесными, или находиться в состоянии, далеком от
термодинамического равновесия.
Но именно такими являются большинство известных нам систем.
Изолированные системы классической термодинамики — это определенная
идеализация, в реальности они — исключение, а не правило. Сложнее обстоит
дело со Вселенной в целом. Если считать Вселенную открытой системой, то что
может служить ее внешней средой? Современная физика полагает, что для
вещественной Вселенной такой средой является вакуум.
Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно
неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и
упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы:
1) период плавного эволюционного развития, с хорошо предсказуемыми
линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому
неустойчивому критическому состоянию;
2) выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в
новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.
Важная особенность второй фазы заключается в том, что переход системы
в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров
(точка бифуркации) система из состояния сильной неустойчивости как бы
"сваливается" в одно из многих возможных, новых для нее устойчивых
состояний. В этой точке эволюционный путь системы, можно сказать,
разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана — решает случай!
Но после того как "выбор сделан" и система перешла в качественно новое
устойчивое состояние — назад возврата нет. Этот процесс необратим. А отсюда
следует, что «развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый
характер. Можно просчитать варианты возможных путей эволюции системы, но
какой именно будет выбран — однозначно спрогнозировать нельзя.
Самый популярный и наглядный пример образования структур нарастающей
сложности — хорошо изученное в гидродинамике явление, названное ячейками
Бенара. При подогреве жидкости, находящейся в сосуде круглой или
прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая
разность (градиент) температур. Если градиент мал, то перенос тепла
происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения
не происходит. Однако при достижении градиентом некоторого критического
значения в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение,
образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек. Сверху
такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая, структура,
похожая на пчелиные соты.
Это хорошо знакомое всем явление с позиций статистической механики
невероятно. Ведь оно свидетельствует, что в момент образования ячеек Бенара
миллиарды молекул жидкости, как по команде, начинают вести себя
скоординированно, согласованно, хотя до этого пребывали в хаотическом
движении. Создается впечатление, будто каждая молекула "знает", что делают
все остальные, и желает двигаться, в общем строю. (Слово "синергетика",
кстати, как раз и означает "совместное действие"). Классические
статистические законы здесь явно не работают, это явление иного порядка.
Ведь если бы, да
| |  скачать работу |
Другие рефераты
| 
