Самоорганізація - це незворотний процес самовпорядкування, що відбувається у відкритій нелінійної системі, в результаті якого в слідстві кооперативного взаємодії елементів (подстстем) система сама набуває, зберігає і удосконалює свою структуру. Самоорганізація - елементарний процес і складова частина процесу еволюції. Вивченням самоорганізації займається наука синергетика (від грец. Synergetike - співпраця, спільна дія). Основоположники цієї науки - Г. Хакен та І. Р. Пригожин. Синергетика встановила ряд умов і пояснила найважливіші закономірності протікання процесів самоорганізації.
По-перше, ускладнення структури і зменшення безладу можливо тільки у відкритій системі, яка здатна переробляти надходять в неї потоки речовини і енергії і видаляти зовні ентропію.
По-друге, відкрита система повинна знаходитися досить далеко від стану рівноваги. В умовах сильної нерівноважності, вдаліот термодинамічної рівноваги, при значеннях деяких параметрів вище порогового, критичного. З подоланням порогового значення неравновесности відкрита система запускає процес самоорганізації. Критерієм здатності системи породжувати нові впорядковані структури служить зменшення ентропії системи за рахунок експорту її в навколишнє середовище.
По-третє, В умовах сильної неравновесностіпроявляется нелінійність системи, прямі і зворотні (позитивні і негативні) зв'язку. забезпечують здатність системи до структурних змін в сторону ускладнень і стабілізації змін. При цьому позитивні зворотні зв'язки (наслідок підсилює причину) сприяють наростанню змін. а негативні (наслідок послаблює причину) - стабілізації стану. Їх конкуренція забезпечує самоорганізацію. Динаміка такої системи описується нелінійними диференціальними рівняннями.
По-четверте, самоорганізація може початися лише в системах, що містять достатню (вище критичного) кількість взаємодіючих між собою елементів. У цьому випадку перехід від неврегульованого стану до впорядкованого здійснюється за рахунок спільного, кооперативного, синхронного дії багатьох підсистем (елементів). Кооперативность (узгодженість, когерентність) - спільна риса процесів самоорганізації. Нижче ми розглянемо і інші умови, необхідні для виникнення самоорганізації в системах різної природи. Краще це зробити на конкретних прикладах.
Типовими фізичними самоорганізації системами є лазер і структурована рідина.
Лазер як система, що самоорганізується. Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - посилення світла в результаті вимушеного випромінювання) - оптичний квантовий генератор. У міжзоряному просторі виявлено природна лазерна генерація. Розглянемо роботу рубінового лазера. При малої потужності накачування лазер працює як звичайний джерело світла. Починаючи з деякого порогового значення потужності накачування все атоми узгоджено випромінюють світло в одній фазі, тобто виникає кооперативну поведінку атомів і випромінювання. В системі сталася самоорганізація (рис. 5.5). Некогерентний (невпорядкований) світло накачування змінив свої властивості, трансформувавшись в організований світло лазерного випромінювання. Він став когерентним, посиленим в напрямку випускання, більш вузьким у просторовому і спектральному відношенні.
Основними атрибутами працюючого лазера як самоорганізується системи є: інверсна (зворотна) заселеність атомами активного речовини високих енергетичних рівнів - неравновесность системи, яка підтримується світлом накачування (в звичайному стані атоми прагнуть заселити низькі рівні, в «накоченому» - атоми порушено); кооперативность в поведінці збуджених атомів і випускаються ними фотонів; пороговий характер виникнення процесу самоорганізації.
Мал. 5.6. Виникнення пористої структури при # 916; Т ≥ # 916; Ткр. створюваної
теплом Q. Спіраль закручування в осередках: R - права, L - ліва.
І.Р. Пригожин назвав такі впорядковані структури диссипативними структурами. Причиною закручування рідини в осередку в умовах сильної нерівноважності є нелінійні ефекти в області (гідродинаміка рідини описується нелінійними диференціальними рівняннями). Протилежне обертання в сусідніх осередках порушило симетрію системи, вона стала асиметричною. Другий дивовижною рисою системи є впорядковане, узгоджене, когерентне поведінку величезної кількості частинок - молекул. Одна осередок Бенара в воді містить 10 21 молекул. І така величезна кількість молекул демонструє складну поведінку. Третя риса - біваріантность, тобто наявність двох різних (хоча і симетричних) варіантів поведінки частинок в конкретній комірці: право спірального (R) і ліво спірального (L) руху, причому вибір варіанта випадковий. Четверта риса системи - стійкість виник чергування осередків, наприклад, R - L. при незмінних нерівноважних умовах воно може зберігатися як завгодно довго. І п'ятої рисою динамічної структури є ідеальна відтворюваність експерименту: при багаторазовому переході системи через критичний бар'єр чарункова структура з'являється знову. Особливості трьох останніх закономірностей розглянемо більш докладно.
Дуалізм: випадковість і визначеність. У явищі структурування рідини при багаторазовому подоланні системою проглядаються дві в певному відношенні протилежні особливості, тобто спостерігається дуалізм властивостей. Перша - відтворюваність виникнення пористої структури при багаторазово повтореному експерименті, тобто строгий детермінізм (визначеність). На рис. 4.7 цей детермінізм зображений лінією а.
Рис.5.7 Детермінізм і випадковість у формуванні пористої структури
при. Місце виникнення флуктуації визначає рішення:
Друга особливість у тому, що кожного разу в момент подолання системою бар'єру () напрямок обертання в осередках непередбачувано і некероване. Випадкове обурення, флуктуація вирішує, яким буде обертання в даному осередку: R або L. Оскільки місце виникнення флуктуації невизначений, то вибір системою рішення (або в1. Або В2) також випадковий. Таким чином, тут спостерігається дивовижний паритет визначеності (виникнення осередків) і випадковості (напрямку обертання в осередку), тобто дуалізм властивостей, раніше спостерігається нами в біології (мутація - природний відбір) і фізики (хвиля - частинка).