Самоорганізація матерії - студопедія

Ідея самоорганізації матерії утвердилася в науковому світогляді в другій половині ХХ століття в зв'язку з заміною стаціонарної моделі Всесвіту розвивається моделлю. Стаціонарна модель Всесвіту вважала панівної тенденцію матерії до руйнування випадково виниклої впорядкованості та поверненню її до вихідного хаосу. Колишні уявлення базувалися на основі статистичної механіки та рівноважної термодинаміки, які описують поведінку ізольованих систем, які не обмінюються ні речовиною, ні енергією з навколишнім середовищем. Всесвіт теж розглядалася як замкнута система.

Сьогодні наука вважає всі відомі системи, від найменших, до найбільших, відкритими, т. Е. Обмінюються речовиною, енергією, інформацією і знаходяться в термодинамічно нерівноважному стані. На цій основі виникло уявлення про самоорганізацію матерії.

Самоорганізація - це природні стрибкоподібні процеси, що переводять відкриту нерівноважну систему, що досягла критичного стану в своєму розвитку, в новий стійкий стан з більш високим рівнем складності і впорядкованості в порівнянні з вихідним.

Критичний стан - це стан крайньої нестійкості. досягається відкритої нерівноважної системою в ході попереднього періоду плавного еволюційного розвитку.

Складні об'єкти мають новими якостями, яких позбавлені вихідні прості елементи, складові їх. Процес об'єднання простих елементів в більш складні системи протікає лише за певних умов. при яких настає критичний момент. Існують порогові значення керуючих параметрів (температура, щільність, тиск і т. Д.), Звані критичними значеннями. які відокремлюють область можливого утворення від області, де цей процес неможливий.

Найбільш високим рівнем впорядкованості володіє життя і породжений нею розум. Проте, порівняно недавно встановлено, що самоорганізація властива неживої природи в тій же мірі, що і живий. Все самоорганізуються різних рівнів мають єдиний алгоритм переходу від менш складних і менш упорядкованих до більш складним і більш впорядкованим систем. Розробка теорії самоорганізації почалася в останні роки за кількома напрямками:

· Синергетика (Г. Хакен);

· Термодинаміка нерівноважних процесів (І. Пригожин);

· Теорія катастроф (Р. Том).

Синергетика - наука про самоорганізацію простих систем, про перетворення хаосу в порядок. Виниклі складні впорядковані системи потрапляють під дію конкуренції і відбору. Як стверджує Хакен, це призводить до певному сенсі до узагальненого дарвінізму. дія якого поширюється не тільки на органічний, але і на неорганічний світ.

Об'єкт вивчення синергетики, незалежно від його природи, повинен відповідати таким вимогам:

1. система повинна бути відкритою. т. е. обмінюватися речовиною і енергією з навколишнім середовищем;

2. система повинна бути досить далеко від точки термодинамічної рівноваги. т. е. в стані, близькому до втрати стійкості;

3. мати достатню кількість елементів. взаємодіючих між собою;

4. мати позитивний зворотний зв'язок. при якому зміни, що з'являються в системі, що не усуваються, а накопичуються і посилюються, що призводить до виникнення нового порядку й структури;

5. супроводжуватися порушенням симетрії. т. к. зміни призводять до руйнування старих і утворення нових структур;

6. стрибкоподібно виходити з критичного стану при переході на більш високий рівень впорядкованості.

Стрибок - це вкрай нелінійний процес, при якому малі зміни параметрів системи викликають дуже сильні зміни її стану і перехід в нову якість.

Приклади синергетики існують у всіх природних науках:

· Лазер. створює високоорганізоване оптичне випромінювання;

· Ефект Бенара - при нагріванні силіконового масла на його поверхні виникає динамічна упорядкована структура, що нагадує кристал у вигляді сіточки з осередками гексагональної форми.

· Реакція Білоусова-Жаботинського - це автоколивальні процеси при окисленні-відновлення солей церію: Се 3+ «Се 4+. На стадії окислення рідина стає червоною, при відновленні - синьою. Забарвлення розчину постійно періодично змінюється.

· В біології до числа синергетичних явищ відносяться м'язові скорочення, електричні коливання в корі головного мозку і т. Д.

Нерівноважна термодинаміка І. Пригожина розглядає неравновесность відкритих систем як причину порядку. Щоб система могла не тільки підтримувати, але і створювати порядок з хаосу. вона обов'язково повинна бути відкритою і мати приплив речовини і енергії ззовні. Такі системи І. Пригожин назвав диссипативними. Весь світ, доступний людині, складається саме з таких систем. Тому в навколишньому світі всюди виявляється еволюція, різноманітність форм, нестійкість.

В ході еволюційного етапу розвитку диссипативная система втрачає стійкість і приходить в стан сильної нерівноважності. Це відбувається при критичних значеннях керуючих параметрів.

Дозволом кризової ситуації є швидкий перехід дисипативної системи в одне з можливих стійких станів, якісно відрізняються від вихідного. Це і є акт самоорганізації системи. У стані переходу з одного стану в інший, елементи системи поводяться взаємопов'язане, хоча до цього перебували в хаотичному русі.

Перехід дисипативної системи з критичного стану в стійке неоднозначний. Складні нерівноважні системи мають можливість перейти з нестійкого в одне з декількох стійких станів. Вибір системою варіанту стійкого стану носить випадковий характер. Цей перехід носить стрибкоподібний, одноразовий і незворотний характер. Критичне значення параметрів системи, при яких можливий неоднозначний перехід в новий стан, називається точкою біфуркації.

Таким чином, самоорганізація дозволяє по-новому поглянути на співвідношення випадкового і закономірного в розвитку систем і природи в цілому. У їхньому розвитку виділяються дві фази:

1) плавна еволюція, хід якої закономірний і зумовлений;

2) скачки в точках біфуркації, що протікають випадково і тому випадково визначають подальший еволюційний етап до нової критичної точки.

Самоорганізація не підкоряється статистичним законам, час в ній має незворотний характер, дозволяючи говорити про «стрілі часу» - неможливості повороту стрибка назад.

Проблемами самоорганізації також займається теорія катастроф. Катастрофи- це стрибкоподібні зміни, що виникають у вигляді раптової відповіді системи на плавну зміну зовнішніх умов. Ця теорія досліджує все стрибкоподібні переходи, розриви, раптові якісні зміни.