Главная > Разное > Динамика и информация
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

50. Самоорганизация

Рассмотренная нами картина конвекции является типичным примером самоорганизации: по мере увеличения параметра неравновесности жидкость становится неустойчивой при , затем в ней устанавливается стационарная конвекция, а при больших возникают различные моды стохастического движения типа странного аттрактора. Существует огромное количество других типов нелинейной самоорганизации, с которыми можно познакомиться по книгам [40, 101 -105] и цитированной там литературе.

Многие из нелинейных систем настолько красивы, что вполне подходят для украшения интерьеров современных квартир или домов. Вот, например, устройство (рис. 36), которое называется "плазменный шар", его довольно часто можно увидеть в магазинах современных западных городов.

Это, действительно, шар из темного стекла диаметром около полуметра, наполненный светящимися движущимися "змейками". Каждая "змейка" — это плазменное образование типа слабо светящегося шнурового разряда. Этот разряд очень похож на светящиеся образования в обычных неоновых трубках, используемых для ночной иллюминации больших городов. Такой разряд называется тлеющим: он развивается при не очень большом электрическом токе в газе низкого давления. В "плазменном шаре" тлеющий шнуровой разряд развивается между металлическим шаровым электродом, расположенным в центре всего устройства и слабопроводящей металлизированной поверхностью стеклянного шара.

Рис. 36. "Плазменный шарм, в котором возникают, поднимаются вверх и там попарно сливаются и исчезают "плазменные змейки" тлеющего разряда.

Каждая "змейка" разряда, а их может быть одновременно до двух десятков, в среднем вытянута в радиальном направлении. Но она, как живая, все время немного изгибается и колеблется, имея несколько периодов изгиба вдоль своей длины. На каждом из своих концов "змейка" имеет своеобразный трезубец, который как маленькая "кошачья лапка", непрерывно шевелится, собирая заряды с соответствующего электрода. "Змейки-разряды" находятся в беспрерывном движении. Кроме не прекращающегося извивания, каждая из "змеек" медленно поднимается вверх, очевидно, в результате конвекции. Собираясь в верхнем положении, "змейки" попарно сливаются между собой, и, таким образом, часть из них постоянно исчезает. Напротив, в нижней части устройства непрерывно рождаются новые "змейки", они множатся, расщепляясь надвое, и поднимаются вверх, чтобы там исчезнуть.

Вся эта картина, несмотря на свою сложность, качественно легко может быть понята с физической точки зрения. Разумеется, теоретически гораздо проще представить себе абсолютно симметричный тлеющий разряд между внутренним и внешним электродами. Однако такой разряд неустойчив: из-за разогрева газа и понижения его локальной плотности с соответствующим понижением электросопротивления электрическому току выгоднее протекать по сравнительно узким каналам-трубкам. Разряд распадается на плазменные шнуры.

Будучи более легкими, эти шнуры всплывают вверх под действием силы Архимеда. А взаимодействие шнуров с потоками газа и между собой приводит к образованию сложно организованной картины "змеек", напоминающей мифологическую голову медузы Горгоны. Можно понять, почему на концах каждой "змейки" образуются "кошачьи лапки". Если проводимость электродов невелика, то прямо напротив разряда плотность поверхностного заряда становится меньше и концу "змейки" с противоположным по знаку зарядом удобно расщепиться и перебегать от точки к точке, собирая поверхностный заряд. Таким образом, качественная картина абсолютно понятна и даже немного скучна, а тем не менее плазменный шар завораживает и притягивает к себе кажущейся таинственностью: он похож на живое существо, осуществляющее сознательное движение.

На примере плазменного шара еще раз можно проследить за всеми основными характеристиками и составными элементами самоорганизации. Для того чтобы в системе началась самоорганизация, она должна быть подведена к границе устойчивости. Неустойчивость в данном случае — разбиение разряда на шнуры — начинается лишь с намека (хинта) на появление будущего шнура. На каждый такой хинт достаточно лишь одного бита информации. По мере увеличения внешнего параметра неравновесности, в данном случае силы тока, происходит реальное образование шнуров. Исходная сферическая симметрия нарушается: можно сказать, что происходит самопроизвольное, или спонтанное, нарушение симметрии. Далее, по мере разогрева газа в шнурах в игру вступает конвекция, т.е. следующая бифуркация с появлением нового параметра порядка — газодинамической скорости. Появление "кошачьих лапок" на торцах каждой "змейки" — это еще одна бифуркация со своим механизмом неустойчивости. А в целом образуется сложная нелинейная физическая система с хаотическим типом движения. Для того чтобы это движение поддерживалось длительное время, система должна быть открытой: через плазменный шар нужно непрерывно пропускать электрический ток от внешнего источника. Более того, этот источник энергии должен поставлять энергию в достаточно упорядоченном виде: по терминологии Бриллюэна в систему должна "впрыскиваться" негэнтропия, т.е. энтропия с обратным знаком.

Поясним, что это означает, на примере плазменного шара. Как мы видим, "змейки" существуют только вследствие локального разогрева газа внутри шнурового разряда. Другими словами, внутри шнура газ должен подогреваться, а в целом все устройство находится при комнатной температуре, т.е. избыточное тепло передается в воздух через стеклянную оболочку. Если есть поток тепла, то это означает

рождение энтропии. Плазменный шар превращает часть хорошо организованной электрической энергии в тепло, которое рассеивается затем в окружающем пространстве. Внутри шара все время рождается энтропия, которая вытекает затем вместе с теплом в окружающее пространство. Если "запереть" поток энтропии, то и плазменный шар "умрет". Из плазменного шара все время нужно удалять "шлак" из вновь рождаемой энтропии: образно говоря, в него нужно вводить энтропию с обратным знаком. Если энтропия — это мера беспорядка, то энтропия с обратным знаком — негэнтропия — это мера упорядочения.

Итак, для самоорганизации необходимы два элемента "питания" — энергия и негэнтропия. Только их сумма и может обеспечить стационарное поддержание структуры нелинейной диссипативной системы. Такие системы принято называть сложными открытыми физическими системами.

Чтобы еще более наглядно представить себе картину потоков энтропии (или информации), рассмотрим упрощенную схему на рис. 37. На этом рисунке горизонтальная ось отмечает абсолютный максимум энтропии системы М при ее изоляции от внешнего мира, а по оси ординат отложена внутренняя энтропия с обратным знаком, т.е. негэнтропия. Если система выведена из положения устойчивого равновесия, то негэнтропия поднимается на уровень При монотонно протекающих процессах релаксации (рис. 37а) негэнтропия системы плавно соскальзывает вниз, как бы "падая" в сторону "силы тяжести". Однако протекающий таким образом процесс релаксации — это довольно редкое явление. Например, если в совершенно однородном

Рис. 37. Схематическое изображение потоков энтропии в неравновесной системе М: а — монотонное возрастание внутренней энтропии — при наличии связей N часть энтропии убывает на общем фоне возрастания энтропии — если есть отток энтропии во внешнюю систему, то убывание части энтропии системы может обеспечиваться за счет негэнтропии (информации) внешней среды.

родном газе функция распределения частиц по скоростям возмущена одинаково во всех точках, то мы получим быстрое "соскальзывание" типа рис. 37а. Однако если такого типа возмущение не однородно по пространству, то картина резко меняется. Столкновения максвеллизируют функцию распределения только локально: локально равновесные параметры порядка плотность, скорость и температура эволюционируют далее по законам газодинамики. Столкновения в этом случае даже препятствуют быстрой релаксации к равновесию: чем чаще столкновения, тем меньше кинетические коэффициенты диссипации. На рисунке 376 этот вариант отмечен как диссипация со связью которая не дает равномерно опускаться уровню энтропии. Мы получаем как бы "рычаг", большое плечо которого опускается вниз, а малое может подниматься вверх. Другими словами, опускание вниз "центра тяжести" сопровождается подъемом вверх малой части системы: по ряду степеней свободы происходит рост упорядочения, т.е. имеет место самоорганизация.

На рисунке 37в показан более сложный сценарий самоорганизации, когда второй рычаг со связью N не дает опускаться негэнтропии нашей системы за счет потока энтропии во внешний мир. Мы получаем открытую систему, упорядочение которой обеспечивается ростом энтропии внешнего мира.

Вытекающая из системы М энтропия — это либо частично, либо в основном тепло. Это значит, что поток энтропии сопровождается потоком энергии. А следовательно, для поддержания стационарного состояния самоорганизованной системы М недостаточно просто отводить избыточную энтропию: на вход этой системы следует подавать энергию. Подводимая к системе энергия должна быть более организованной по сравнению с теплом: энтропия на единицу этой энергии должна быть меньше, чем где — температура окружающей среды. Другими словами, нужна совместная подпитка системы как энергией, так и негэнтропией.

На Земле самым мощным источником как энергии, так и негэнтропии является солнечная энергия. Именно она и приводит в действие механизмы самоорганизации в атмосфере, океане и биосфере Земли.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление