Закономерности процессов самоорганизации

Все процессы самоорганизации связаны общей закономерностью: под влиянием на некоторую систему неупорядоченного внешнего воздействия в этой системе возникают упорядоченные временны́е и пространственные структуры. Простейший пример - наша речь. Напрягая определенные мышцы и выдувая воздух, мы создаем звуковую волну, которая упорядочена как во времени, так и в пространстве. Аналогичные процессы происходят во многих музыкальных инструментах (флейта, орган, гармонь, скрипка). В физике такие процессы называют генерацией волн (в данном случае - звуковых волн) или автоколебаниями. Люди уже достаточно давно научились генерировать не только звуковые, но и электромагнитные волны (радиопередатчики, лазеры). Другими примерами образования волн являются волны на поверхности воды или на песке в пустыне, образующиеся под воздействием неупорядоченного потока воздуха - ветра.

Можно привести примеры и более сложных процессов самоорганизации в неживой природе.

В телескопы хорошо видны гранулы на ровной солнечной поверхности и солнечные пятна.

Гранулы образуются в результате конвекции солнечного вещества и по виду похожи на соты. Однако гранулы непрерывно рождаются и умирают, проживая в среднем несколько минут. Искусственно образование такого рода структур было воспроизведено Полем Бенаром при нагреве некоторых жидкостей (например, ртути); соответствующие структуры были названы ячейками Бенара.

Еще одним примером являются протяженные вихри в атмосфере нашей планеты - циклоны и антициклоны.

Существование этих вихрей во многом похоже на жизнь организмов - они рождаются, живут, передвигаясь по планете и принося нам хорошую или плохую погоду, и умирают. Оказывается, законы, которым подчиняются процессы во Вселенной, едины, и подобные вихри существуют и на других планетах; например, большое красное пятно на Юпитере является настолько устойчивым образованием, что его наблюдают уже сотни лет.

Автоколебания возникают и при некоторых химических процессах. Классическим примерам химической реакции этого типа является реакция Белоусова-Жаботинского - взаимодействие серной кислоты, малиновой кислоты, сульфата церия (Ce) и бромида калия. В процессе этой реакции ионы Ce4+, находящиеся в растворе, периодически превращаются в ионы Ce3+, и обратно. Внешне это проявляется в периодическом изменении цвета раствора. В зависимости от концентрации растворенных веществ период колебаний варьирует от 2 до 100 с.

Образование структур наблюдается и в мегамире.

О единстве законов самоорганизации можно судить по внешнему сходству циклонов и спиральных галактик.

В природе постоянно и повсеместно происходят как процессы образования новых структур (самоорганизация), так и процессы их разрушения. Хотя внешние проявления процессов самоорганизации существенно различаются, все они обладают сходными качественными особенностями, что позволяет описывать их одинаковыми математическими уравнениями.

Читать далее