Самоорганизация
САМООРГАНИЗАЦИЯ, самопроизвольное
(не требующее внеш. организующих воздействий) образование упорядоченных пространственных
или временных структур в сильно неравновесных открытых системах (физ.,
хим., биол. и др.). Непрерывные потоки энергии или в-ва, поступающие в систему,
поддерживают ее в состоянии, далеком от равновесия. При таких условиях в системе
развиваются собственные (внутренние) неустойчивости (области неустойчивого поведения),
развитием к-рых является С.
Классич. пример физ. открытой
системы с пространственной С.-плоский горизонтальный слой вязкой жидкости, подогреваемый
снизу. При относительно малых вертикальных градиентах т-ры в жидкости имеет
место режим бесконвективной теплопроводности. Когда градиент т-ры превысит нек-рую
критич. величину, в жидкости возникает конвекция. При малых превышениях градиента
т-ры над критич. значением конвективные потоки в-ва приобретают упорядоченность:
при наблюдении сверху они имеют вид валиков или шестиугольных ячеек (ячейки
Бенара).
Генерация лазерного излучения
считается примером временной С. Лазер непрерывного действия-сильно неравновесная
открытая система, образованная возбужденными частицами (атомами, молекулами)
и модами электромагн. поля в резонаторе. Неравновесность этой системы поддерживается
непрерывным притоком энергии от внеш. некогерентного источника (накачкой). При
малых интенсивностях накачки излучение системы состоит из не сфазированных между
собой цугов волн. С повышением интенсивности накачки вплоть до нек-рой пороговой
величины излучение системы становится когерентным, т.е. представляет собой непрерывный
волновой цуг, в к-ром фазы волн жестко скор-релированы на макроскопич. расстояниях
от излучателя. Этот переход к генерации когерентных колебаний можно интерпретировать
как С.
Примером С. в химии служит
существование неск. устойчивых состояний в гомог. системах с хим. р-циями и
диффузией реагентов.
Этим состояниям соответствуют неоднородные пространств. распределения концентраций
реагентов, наз. диссипативными структурами. В ответ на сколь угодно малое возмущение
параметров система может переходить из одного состояния в другое, что наблюдается
в виде волн (пространственно-временная структура; см. Колебательные реакции).
Как показал М. Тьюринг (1952), в системе с двумя реагентами может появиться
синусоидальная волна. Пространственно-временные структуры типичны для Белоусова
- Жаботинского реакции, газофазного горения, ряда р-ций гетерог. каталитич.
окисления, ферментативного катализа.
В космологии результатом
С. можно считать образование спиральных галактик, в экологии-организацию сообществ,
в биологии - явления морфогенеза. Поскольку упомянутые явления имеют общую феноменологию,
они рассматриваются в рамках единых представлений. Возникшее новое междисциплинарное
направление получило впоследствии назв. синергетики (Г. Хакен, 1985). Развитию
представлений о С. в биологии способствовали работы П. Гленс-дорфа и И. Пригожина
(1973). Существует, однако, мнение, что сложная внутр. организация клетки и
организма м.б. понята без представлений о диссипативных структурах, в рамках
иерархич. термодинамики (см. Термодинамика иерархических систем).
С. в неравновесных системах
принципиально отличается от явлений упорядочения при фазовых переходах в
равновесных системах, где порядок возрастает с понижением т-ры: жидкость кристаллизуется,
спины атомов ориентируются, образуя упорядоченную структуру, свойственную ферромагнетикам;
в нек-рых металлах может осуществляться переход к когерентному квантовому
состоянию, характерному для сверхпроводников. Общим для обоих процессов
образования порядка в системе является понижение симметрии по отношению к трансляциям
в пространстве или во времени.
С. связана с турбулентностью.
В упоминаемом выше примере с образованием в жидкости ячеек Бенара при высоких
градиентах т-ры система переходит в состояние с турбулентным режимом течения.
Переход к турбулентности (т.е. к хаотич. режиму) может занимать нек-рый интервал
значений параметров, характеризующих степень внеш. воздействия на систему, и
происходить путем по-следоват. усложнения регулярных (когерентных) структур,
т.е. в условиях С. Критерием отличия регулярного пространственно-временного
режима поведения системы от хаотического служит устойчивость структуры к малым
возмущениям начальных условий: если такая устойчивость имеет место, структуру
можно считать регулярной независимо от. степени ее сложности.
На С. в неравновесной открытой
системе могут влиять флуктуации параметров состояния как самой системы, так
и окружающей среды. В свою очередь, сама С. оказывает влияние на амплитуду и
длительность флуктуации.
Лит.: Эйген М.,
Самоорганизация материи и эволюция биологических макромолекул, пер. с англ.,
М., 1973; Николис Г., Пригожин И., Самоорганизация в неравновесных структурах,
пер. с англ., М., 1979; Эбелинг В., Образование структур при необратимых процессах,
пер. с англ., М., 1979; Хакен Г., Синергетика, пер. с англ., М., 1980; Полак
Л. С., Михайлов А. С., Самоорганизация в неравновесных физико-химических системах,
М., 1983; Васнецова А. Л., Гладышев Г. П., Экологическая биофизическая химия,
М., 1989. А.А.Овсянников.