Самоорганизующиеся системы

Самоорганизующиеся системы

Естествознание

11 класс

Система — это набор взаимосвязанных и взаимозависимых частей, составленных в таком порядке, который позволяет воспроизвести целое . Любую организацию можно назвать системой.

Машины, компьютеры, телевизоры — все это примеры систем . Они состоят из множества частей, каждая из которых работает во взаимодействии с другими для создания целого, имеющего свои конкретные свойства. Все биологические организмы представляют собой системы . 

Например, системой можно считать стакан с молоком, просто само молоко, не принимая во внимание стакан, или же наоборот — только стакан, независимо от того, что в нем находится. 

Рис. 1

Один из возможных вариантов термодинамической системы

Original by _Tophee_ on  flickr.com

В термодинамике рассматриваются три основных вида энергии:

• внутренняя энергия   U  — общий запас энергии системы, включающий энергию движения молекул, вращения и колебания атомов в молекулах, энергию электронов и атомных ядер, не включающий, однако, кинетическую и потенциальную энергию (рис. 2);
• теплота   Q  — форма передачи энергии от одного тела к другому при наличии между ними разности температур;
• работа   A  — форма передачи энергии от одного тела к другому при упорядоченном перемещении частиц вещества.

Рис. 2

Энергия атомных ядер и электронов — основа внутренней энергии системы

Рис. 3

В двигателе паровоза теплота, выделяющаяся при сгорании угля, превращается в работу

Original by  Foto43 on  flickr.com

Классификация систем и их параметров

закрытая изолированная

открытая

закрытая неизолированная

Рис. 4

Типы термодинамических систем

• Открытые  системы обмениваются с окружающей средой и веществом, и энергией. Примеры открытых систем — люди, животные, растения, водоемы, завод, фирма и пр.

•   Закрытые системы делятся на неизолированные и изолированные.  Неизолированные  системы не обмениваются с окружающей средой веществом, но обмениваются энергией. Пример — герметично упакованные продукты (бутылки с газированной водой, пакеты с чипсами).  Изолированные  системы не обмениваются ни веществом, ни энергией. Такие системы в природе практически не встречаются, однако, к ним можно с небольшим допущением отнести термос и кабину космического корабля.

Какие из этих систем можно считать открытыми и закрытыми?

• Закрытая система - это утопия.. Просто нет таких систем, которые никак не взаимодействуют с окружающей средой.. Ну самое близкое - кипяток в термосе, атом в окружении себе подобных при температуре 0 К, система Солнце-Земля-Луна.. Но только все эти системы не идеально закрытые

Закрытая система - черная дыра . В нее ничего не поступает, из нее ничего не выходит. Открытая - лазер . В него поступает энергия в виде света с одной длиной волны (накачка голубым светом от ксеноновой лампы вспышки) и выходит световой луч с другой длиной волны (красный, если лазер рубиновый).

Термодинамика неравновесных систем

Нобелевская премия по химии

1977

1917-2003

Диссипативная система (структура) -

(от лат. dissipatio  — «рассеиваю, разрушаю») — это открытая система, устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивания) энергии, которая поступает извне. Диссипативная система иногда называется ещё  стационарной открытой системой  или  неравновесной открытой системой .

Простым примером такой системы являются  ячейки Бенара . В качестве более сложных примеров называются  лазеры ,  циркуляция атмосферы , процесс обучения  нейронных сетей  и биологическая  жизнь .

Ячейки Бенара  или  Рэлея — Бенара  — возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, то есть равномерно подогреваемой снизу.

Перистые облака – пример самоорганизующихся систем в неживой природе.

Ячейки Бенара в гравитационном поле.

Дорога гигантов (Giants Causeway), Ирландия

Курильские острова. Мыс Столбчатый

  Ах, зачем я так ревела! – подумала Алиса, плавая кругами и пытаясь понять, в какой стороне берег. – Вот глупо будет, если я утону в собственных слезах! И поделом мне! Конечно, это было бы очень странно! Впрочем, сегодня все странно!

Илья Пригожин. ДЕТЕРМИНИЗМА НЕТ НИ В ОБЩЕСТВЕ, НИ В ПРИРОДЕ (2000)

Оказалось, что движение жидкости в причудливом турбулентном потоке, "коллективные усилия" излучающих атомов, создающих лазерный луч, и изменения популяции насекомых определяются, по существу, одинаковыми законами . Их поведение похоже на оркестр, прекрасно управляемый дирижером. Конечно, дирижер ограничивает возможности каждого из оркестрантов. Зато у целого появляется совершенно новое качество - способность вести себя согласованно, просто, гармонично. Одна из удивительных вещей состоит в том, что во всех этих системах "дирижера" никто не назначает. Он возникает в ходе самоорганизации, отбирающей из океана возможностей ничтожную толику и упорядочивающей поведение системы".

• Главная идея синергетики — идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации
• Самоорганизующаяся система - это система управления, способная постоянно поддерживать свою качественную определенность, осуществлять целенаправленное (программное) функционирование и саморазвитие, самосовершенствование (в плане видоизменения своих программ и способов функционирования).

Параметр порядка

Параметр порядка (управляющий фактор) – фактор, организующий структуру и придающий ей устойчивость

Флуктуации

Аттрактор

Суть бифуркации лучше всего иллюстрирует витязь на распутье , который стоит перед камнем с надписью "Направо пойти - женатому быть, налево пойти - коня потерять, прямо пойти - буйную. голову сложить". В каком-то месте пути попадается развилка, где нужно принимать решения. Около развилки пути еще очень близки, но дальше они ведут витязя к совершенно разным приключениям.

Точка бифуркации

Эволюционное древо

• Возникновение потенциала действия в клетке при передаче нервного импульса

Особенности эволюции

1) необратимость , - нарушении симметрии между прошлым и будущим;

2) понятие « событие »;

3) некоторые события обладают способностью изменять ход эволюции

Фракталы – что это?..

Путь Вселенной

«Природа действительно связана с созданием непредсказуемой новизны, где возможное богаче реального.

Наша Вселенная следует по пути, включающем в себя последовательность бифуркаций.

В то время как другие миры могли избрать другие пути, нам повезло, что наша Вселенная направилась по пути, ведущему к жизни, культуре и искусству».

Илья Романович Пригожин

Точно так же, как в точке бифуркации поведение одной частицы может сильно изменить конфигурацию системы на макроскопическом уровне, творческая личность , а не безликие восставшие массы будет все сильнее влиять на исторические события на новом этапе эволюции общества.

• Презентацию подготовила Ж.С. Гойдина