Нелинейность мира в явлениях природы

Сб, 03/01/2014 - 20:22

Формирование идеи самоорганизации (под самоорганизацией понимается возникновение порядка из беспорядка). Давно был замечен порядок во Вселенной, в Солнечной системе, обнаружен 11-летний цикл активности Солнца, открыты кольца Сатурна. В 1900 г. Г. Бенар описал возникновение упорядоченных структур на сковороде при нагреве масла в ней. Теперь их называют ячейками Бенара. Они представляют собой тесно прилегающие друг к другу шестиугольные образования (структуры). «Родственниками» ячеек являются облака почти правильной формы, которые располагаются на небе в шахматном порядке. И те, и другие возникают за счет притока тепла и последующей конвекции жидкости или газа.
Хорошо известны явления возникновения волнового рельефа песка или снега под действием ветра, явление образования периодических ступенек в горных реках или в водосливах плотин.
Еще в середине ХIХ века Г. Мендель открыл свои знаменитые законы. С незапамятных времен известно, что сердцебиение — упорядоченный процесс, что шкура у ягуара пятнистая, а хвост полосатый.

Примеры таких удивительных «подарков» природы можно продолжить. Но что в них общего? Общее оставалось незамеченным до появления классических работ химика Б.П. Белоусова. В 1951 г. он обнаружил, что в процессе химической реакции цвет раствора периодически менялся (красный — синий — красный). Это было открытие. Ведь до опытов Б.П. Белоусова считали, что химические реакции необратимы. И это верно, но только для закрытых систем и лишь вблизи состояния равновесия. Вдали от него процессы могут стать не только обратимыми, но и периодическими. Эта идея, как и всякая нетривиальная идея, утвердилась не сразу. Опыты Б.П. Белоусова были продолжены А.М. Жаботинским, а также повторены за рубежом. С тех пор реакция обрела статус классической и получила название реакции Белоусова — Жаботинского. Подобные периодические процессы стали именоваться автоволнами. Они распространяются в активных средах, т. е. в средах с подпиткой, или в открытых системах. Несколько позже были обнаружены спиральные автоволны. Такие волны хорошо изучены в биофизике.
По-настоящему процессы самоорганизации были осмыслены лишь после создания основ неравновесной (нелинейной) термодинамики в 60 — 70-х гг. ХХ века. Ее родоначальником считается бельгийский физик И. Пригожин. С 1970-х гг. теория самоорганизации становится междисциплинарной системой знаний. Ее стали называть синергетикой, что в переводе с греческого означает «совместный». В синергетике главная роль отводится совместным или кооперативным процессам.

Примеры самоорганизации. Выше уже были приведены примеры самоорганизации. Их круг непрерывно расширяется. Вот некоторые из них. Цунами — упорядоченная волна при хаотических процессах, сопровождающих землетрясение. Волны-убийцы — внезапно возникающие гигантские волны в океане высотой, вероятно, до 50 метров (высота штормовых волн не превышает 14 м). Шаровая молния — устойчивое образование, возникающее при некоторых грозах. В приземных слоях атмосферы время от времени возникают облака достаточно правильной формы. Полярные сияния, некоторые аномальные аэрокосмические явления и даже так называемые НЛО представляют собой упорядоченные структуры. Большое Красное Пятно в атмосфере Юпитера — это гигантский упорядоченный, долгоживущий вихрь, напоминающий земной циклон. Скорее всего, благодаря самоорганизации возникла Солнечная система из некогда существовавшей хаотически разбросанной космической пыли. Заметим, что возникновение биосферы и ее эволюция — лучшие доказательства проявлений законов синергетики. Например, пчелы, «совсем не зная» азов синергетики, прекрасно строят упорядоченные структуры — соты. С.П. Капица показал, что население Земли также является самоорганизующейся системой. Примеров, думается, достаточно. Можно сделать обобщение: процессы самоорганизации — вездесущи.

Условия возникновения самоорганизации. На поддержание порядка требуется затрачивать энергию. Для этого ее необходимо подвести к системе, где она должна рассеяться (диссипировать). Следовательно, система должна быть открытой и диссипативной.

В условиях беспорядка параметры системы флуктуируют, т. е. изменяются случайным образом. Флуктуации можно представить в виде большого (или бесконечного) набора простых волн — мод. И если среди этих волн находятся моды с быстро увеличивающейся амплитудой, то они и отбирают энергию у других мод. Обмен энергией возможен за счет нелинейного взаимодействия мод. Быстрорастущие моды обычно оказываются долгоживущими. Они подчиняют себе слабые моды. Так возникает упорядоченное поведение, так формируются образования, которые получили название структур. Благодаря упорядоченности эти структуры — когерентные.

Интересно, что переход от восприятия к мысли представляет собой процесс самоорганизации. Мысль — это когерентная структура, зарождающаяся в мозгу.
Таким образом, самоорганизация возможна только в открытых диссипативных нелинейных системах. Итак, синергетика — это теория самоорганизации нелинейных открытых диссипативных систем.

Важно, что детерминированный хаос также возникает только в нелинейных открытых диссипативных системах. Он может привести к деградации (распаду) системы.
Следовательно, самоорганизация и хаотизация (деградация) — универсальные фундаментальные понятия в современной науке. Они представляют собой две реализации одного и того же процесса, два возможных пути эволюции. Не бывает ни абсолютного хаоса, ни абсолютного порядка. Реальная система обычно находится в некотором промежуточном состоянии.

Другие материалы рубрики


  • Полное отсутствие проводов у электробытовых приборов и доступ к электроэнергии в любой точке земного шара без ограничений, в требуемом количестве — имея при себе лишь передатчик размером со спичечный коробок…

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Очевидные успехи в развитии науки и техники в XIX и ХХ веках вызвало в мировом общественном сознании некую эйфорию, уверенность в том, что человек стал властелином Природы, что его знания об устройстве окружающего Мира почти абсолютны, что человек может все. И действительно, изобретение в конце 18 века паровой машины существенно изменило жизнь общества, в значительной мере освободив его от утомительного физического труда, заложило основы современной промышленности и транспорта. Постулирование Исааком Ньютоном на рубеже 17 и 18 веков его трех принципов движения материальных тел и закона всемирного тяготения, создание начал дифференциального исчисления вызвало к жизни целый ряд научных открытий. Трудами нескольких поколений ученых в 18-19 столетиях была построена научная дисциплина, очертившая основы машиностроительной и технологической культуры нашей цивилизации, называемая сегодня теоретической механикой. Далее последовали фундаментальные открытия в области астрономии, физики, химии, получившие выход в различные области технических приложений — металлургию, строительство, транспорт, химическое производство, энергетику, судостроение, электротехнику, проводную и беспроводную связь, военное дело. Быстро развивались биология и медицина.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4
    • 5


  • В 1905 г. Альберт Эйнштейн предложил частную теорию относительности и опроверг представление о свете как о колебаниях гипотетической среды — эфира. Великий физик утверждал, что, в отличие от звуковых, световые волны могут распространяться в вакууме и для их существования не требуется какой-либо материальной среды. Это справедливо и в общей теории относительности, и в квантовой механике. Вплоть до сегодняшнего дня все экспериментальные данные в масштабах от субъядерного до галактического успешно объясняются названными теориями.
    Тем не менее существует серьезная концептуальная проблема: с позиций современной науки общая теория относительности и квантовая механика несовместимы. Гравитация, которую общая теория относительности приписывает искривлению пространственно-временного континуума, никак не вписывается в рамки квантовой механики. Физики сделали лишь небольшой шаг к пониманию сильно искривленной структуры пространства-времени, которая, согласно квантовой механике, должна наблюдаться на чрезвычайно малых расстояниях.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Шаровая молния — светящийся шар, который порой возникает при разряде линейной молнии, — одно из самых загадочных атмосферных явлений. Природа шаровой молнии до сих пор неизвестна, хотя первая научная публикация на эту тему — книга «Гром и молния» известного французского физика и астронома Франсуа Араго — была издана еще в 1838 году. Предлагаемая гипотеза — попытка объяснить механизм образования шаровой молнии на основе физики плазмы и газового разряда.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Ответ на вопрос, поставленный в заголовке, кажется очень простым... Действительно, стоит взять любую популярную книгу по авиации и даже некоторые издания, претендующие на роль учебника, как сразу натолкнетесь на уже ставшую хрестоматийной притчу о двух частицах воздуха, бегущих в струйках по крылу и встречающихся на задней кромке...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Известно, что в состав топлива входят такие горючие элементы, как углерод, водород и сера. Поэтому на основе предположения о том, что данные компоненты в топливе имеют вид смеси, можно осуществить подсчёт теплотворной способности данного топлива, как суммы компонентов смеси.



  • ...Технология плазменных ускорителей развивается семимильными шагами. Многие принципиальные проблемы уже решены, но создание конкретных устройств пока сопряжено с серьезными трудностями. В частности, инженерам еще предстоит повысить эффективность ускорителя (долю энергии ведущего импульса, которая передается ускоряемым частицам), точность настройки пучков (в точке столкновения они должны быть выровнены с точностью до единиц нанометров) и частоту повторения рабочих циклов (количество импульсов, ускоряемых за единицу времени). Плазменные установки могут ускорять и более тяжелые частицы, например, протоны. Однако тут есть одно важное требование: вводимые частицы должны двигаться почти со скоростью света, чтобы не отстать от плазменной волны. Это означает, что энергия ускоряемых протонов должна быть не меньше нескольких ГэВ...

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3


  • Термин «фотополимер» традиционно связывают со стоматологами, а также с чем-то инновационным и надежным. Первая волна моды на эти материалы, похоже, прошла, но вскоре, очевидно, сменится второй. Пока сдерживающим фактором выступают дороговизна или неразвитость производства компонентов. Но как не раз было в производстве пластмасс, подобные затруднения иногда решаются одним патентом в течение полугода, после чего идет рост популярности материала.

    Теоретические вопросы фотополимеризации композиций изобилуют спецтерминами. Наиболее уместно разделить их на фотосшиваемые и фотополимеризуемые материалы. Фотосшиваемые материалы уже являются полуполимерами (например, эфиры ПВС и коричной кислоты, поливинилциннаматы), для окончательного сшивания которых требуется облучение. Фотополимеризующиеся — как правило, композиции нескольких отверждаемых олигомеров и мономеров, полимеризующихся по классическому механизму при помощи фотоинициаторов или фотоинициируемых групп в своей полимерной цепи.

    • Страницы
    • 1
    • 2
    • 3
    • 4


  • Около 40 лет назад ученый В. Веселаго предположил, что существуют материалы, у которых показатель преломления имеет отрицательную величину. Световые волны в таком веществе могут передвигаться против движения распространения светового луча и вести себя нестандартно. Линзы, которые изготовлены из такого материала, — иметь чуть ли не волшебные характеристики. Но Веселаго в процессе своей работы и многолетних поисков не обнаружил ни одного вещества, имеющего подходящие электромагнитные свойства, у всех исследованных им материалов показатель преломления оказался положительным. Потому о его идее вскоре забыли. Вспомнили о ней только в начале 21 века.

    • Страницы
    • 1
    • 2


  • Научно-технический прогресс — один из главных рычагов создания материально-технической базы будущего нашей страны, который возможен только на основе своевременного внедрения достижений современной науки путем использования всего арсенала средств, способствующих его ускорению.
    Революционные изменения в технике, на основе обновленных знаний, происходят в последние десятилетия столь стремительно, что часто приходится только удивляться новинкам. Творчество вечно, но, к сожалению, технические идеи часто остаются невостребованными.

    • Страницы
    • 1
    • 2