Теперь допустим, что на дне стакана имеется два таких растяжимых участка. В обоих будут продавливаться лунки. Но если после очередного встряхивания в правой лунке окажется чуть больше дробин, чем в левой, то правая лунка станет глубже, чем левая, и при следующем встряхивании в неё уже закономерно попадёт больше дробин, в результате чего она станет ещё глубже (рис. 32). В конце концов правая лунка станет настолько глубже левой, что все дробины, или по крайней мере подавляющее большинство окажутся в ней. Но мы знаем, что обе лунки ничем не различаются. От чего же зависит результат, который покажет, какая из них станет «победителем»? Очевидно, что этот результат определяется чистой случайностью, небольшой флуктуацией при одном из первых встряхиваний стакана, и именно эта флуктуация определяет, какой из двух параметров порядка окажется победителем, т. е. в каком из двух изначально одинаковых мягких участков дна стакана окажется подавляющее большинство дробин.
1. Что означает понятие «синергетика»?
2. Объясните, почему существование самоорганизации не противоречит второму началу термодинамики.
3. Что такое параметр порядка? Приведите примеры параметров порядка из собственной жизни.
4. Что синергетика считает начальной причиной возникновения самоорганизации?
1. Придумайте и предложите опыт, отличный от описанного в параграфе, демонстрирующий конкуренцию разных параметров порядка.
2. Приведите примеры конкуренции параметров порядка из реальной жизни. Обсудите их с одноклассниками.
§ 16 Области применения синергетики
В любой попытке сблизить области опыта, относящиеся к духовной и физической сторонам нашей натуры, время занимает ключевую позицию.
Большой интерес к синергетике объясняется тем, что её принципы применимы для описания самых разнообразных систем и происходящих в них процессов – от относительно простых химических реакций до развития общества. Мы рассмотрим несколько примеров, взятых из различных областей человеческого знания.
Напомним, что впервые идеи синергетики появились на основе термодинамики неравновесных процессов, разработанной И. Р. Пригожиным.
Рис. 33. Реакция Белоусова – Жаботинского
В частности, Пригожиным была создана химическая модель, в которой в результате происходящих в химической системе реакций концентрации составляющих её веществ изменяются согласно строгим колебательным закономерностям. Такой периодический химический процесс Пригожин назвал химическими часами, а сама модель получила название «брюсселятора», так как её автор жил и работал в Брюсселе. Одной из самых известных химических реакций, где происходят строгие и хорошо наблюдаемые периодические процессы, является реакция Белоусова – Жаботинского (рис. 33). Раствор со строгой периодичностью меняет свой цвет, становясь попеременно то красным, то синим. Оказалось также, что при таких реакциях периодичность возникает не только во времени, но и в пространстве. Как говорил сам В. П. Белоусов, «колба становится похожей на зебру». Если же смесь реагирующих веществ налить тонким слоем в плоский сосуд, то в ней образуются причудливые фигуры – концентрические окружности, спирали и «вихри», распространяющиеся со скоростью около 1 мм/мин (рис. 34). Результаты этих исследований поначалу казались настолько неожиданными и несовместимыми с представлениями классической термодинамики, что научные журналы отказывались их печатать.
А теперь вспомним, что говорилось о закономерностях периодического колебания численности лис и зайцев. Тогда мы утверждали, что точно такие же закономерности можно наблюдать в некоторых химических процессах. Теперь вы в этом убедились.
Вернёмся ещё раз к проблеме, касающейся процессов, которые Пригожин называет возникновением порядка из флуктуаций.
Рис. 34. Некоторые конфигурации, возникающие при реакции Белоусова – Жаботинского в тонком слое в чашке Петри
Мы уже отмечали сходство возникновения ячеек Бенара, движения пловцов в бассейне и продавливания дробинами углублений в дне стакана. Познакомимся ещё с одним примером, который приводит тот же Пригожин и который касается на этот раз поведения животных.
Термиты способны строить огромные и сложные земляные сооружения – термитники (рис. 35). В строительстве принимает участие огромное количество насекомых, и движения их кажутся такими слаженными, что некоторые учёные говорили о существовании «коллективного разума» термитов. Однако при детальном исследовании было показано, что для проявления такого «коллективного разума» требуется очень мало информации. Вначале термиты совершенно беспорядочно разбрасывают комочки земли, но каждый комочек пропитан гормоном, привлекающим других термитов. Через некоторое время в результате случайной флуктуации в каком-то месте плотность комочков окажется большей, чем по соседству. Теперь к этому месту будет стремиться большее количество термитов, и флуктуация будет нарастать, так как концентрация гормона в этом месте будет продолжать увеличиваться. Так воздвигается одна из опор будущего термитника. Другие опоры возникнут в местах, определяемых радиусом распространения запаха гормона, т. е. примерно на одинаковых расстояниях друг от друга. Так происходит закладка основания термитника.