Определение

Немският физик Херман Хакен въвежда термина синергетика и дава следното определение за него:

Синергетиката е дисциплина, която изследва съвместното действие на множество подсистеми, в резултат на което на макроскопично ниво възникват структура и съответстващо й функциониране.

Синергетиката (от гр. synergetikos – съвместен, съгласувано действащ) е научно направление, изучаващо връзката между елементите на структурата (подсистемите), които се образуват в открити системи (биологични, физико-химични и др.) благодарение на интензивен обмен на вещество и енергия с окръжаващата среда в неравновесни условия. В такива системи се наблюдава съгласувано поведение на подсистемите, в резултат на което нараства степента на подреденост, т. е. намалява ентропията.

Основни принципи

• Процесите на нарастване на сложността и подредеността имат единен алгоритъм, независимо от природата на системите, в които те се осъществяват.

По този начин, синергетиката може би открива някакъв универсален механизъм, с помощта на който се осъществява самоорганизацията както в живата, така и неживата природа.

• Под самоорганизация се разбира спонтанния преход на открита неравновесна система от по-малко сложни и по-хаотични форми на организация към по-сложни и по-подредени.

Оттук следва, че обект на синергетиката могат да бъдат само тези системи, които отговарят на поне 2 условия. Тези системи трябва да са:

• открити, т.е. да обменят вещества или енергия с външната среда;
• неравновесни, или да се намират в състояние, далече от термодинамичното равновесие.

Но именно такива са повечето известни ни системи. Изолираните системи от класическата термодинамика са идеализирани, в реалността те са изключение, а не правило. По-сложни са нещата с Вселената. Ако смятаме Вселената за открита система, интересно е кое може да й служи за външна среда?

Развитие на системите

И така, синергетиката твърди, че развитието на откритите и силно неравновесните системи протича към нарастваща сложност и подреденост. В цикъла на развитието на такава система има две фази:

• период плавно еволюционно развитие, с добре предсказуеми линейни изменения. В някакъв момент или външното въздействие достига критично значение, или става натрупване на вътрешен потенциал (или едното и другото заедно) които все пак довеждат системата към някакво неустойчиво критическо състояние;
• изход от критичното състояние в един момент, със скок и преход в ново устойчиво състояние с по-голяма степен на сложност и подреденост. Важна особеност на втората фаза се състои в това, че преходът на системата в ново устойчиво състояние е нееднозначен.

Явлението бифуркация е типично за повечето процеси, развиващи се във времето. Бифуркацията е кратък интервал, в течение на който става качествена промяна на свойствата на системата, и определящо значение за характера на по-нататъшното развитие имат случайни фактори.
Достигайки критични параметри (точката на бифуркация) системата от състояние на силна неустойчивост като че ли се привлича в едно от многото възможни, но нови за нея устойчиви състояния – атракторни басейни. При това параметрите на системата започват бързо да се изменят и тя рязко снижава нивото си на стабилност. Възниква възможност за различни пътища на развитие. В тази точка еволюционния път на системата се разклонява. Кой именно клон на развитие ще бъде избран е просто случайност – системата преминава в качествено ново устойчиво състояние.

Този процес е необратим и развитието на тези системи има принципно непредсказуем характер. Може да се прогнозират различните варианти на възможните пътища на еволюцията на системата, но кой именно път ще бъде избран е невъзможно да се определи еднозначно. Следователно, случайността е не досадно недоразумение. Тя е вградена в самия механизъм на еволюцията.

Лазер

Самият Хакен нарича лазера “фар на синергетиката“. Атомите в лазера, могат бъдат доведени до възбудено състояние под действието на енергия отвън, например, чрез осветяване. Ако външната енергия е недостатъчна, лазерът работи като радиолампа. Когато външната енергия прехвърли критичната долна граница, атомите, по-рано изпускащи вълни хаотично и независимо, започват да излъчват един мощен кохерентен сноп вълни с дължина около 300 000 км. Атомите осцилират във фаза и вълните извършват едно колективно движение, подчинено на общ ритъм и импулс във вид на монохроматичен светлинен сноп.

		Интересът на Хакен към лазера не е случаен-той бе един от тези учени, които имат основополагащ принос в създаването на теорията за работата на лазера, който се превърна в един от символите на високите технологии.
Отделните атоми все още се движат по случаен, неподреден начин.	Фазово преминаване от неподреденост към подреденост

Този съвместен ефект ни дава термина синергетика – наука за съгласуваното взаимодействие на частите като противоположност на дисипативното разрушение, взаимодействие, водещо до самопроизволно възникноване на системни ефекти от пространствен и/или временен характер.

Турбулентност

Още през 1883г. английския физик Осбърн Рейнолдс установил, че законите, на които се подчиняват теченията при малки скорости са коренно различни от тези при по-големи скорости.

Той онагледил това чрез един прост опит. В стъклена тръба с по-голям диаметър преминава вода с различна скорост, а в нея от тънка тръбичка се пуска оцветена течност.

при незначителна скорост – струйката е права и не се смесва с неоцветената вода. Този режим се нарича “ламинарен” – от лат. lamina – слой.
при отваряне на крана, оцветената струйка започва да лъкатуши.
след определена скорост, поради случайни сътресения, струята се разкъсва и смесва с останалата вода.

Всички течения, които са достатъчно далече от равновесие стават турбулентни. Граничното състояние се определя от стойността на числото на Рейнолдс, което зависи от диаметъра на тръбата, плътността и вискозността на течността. Множеството пространствени и временни мащаби, в които се развива турбулентността, съответства на кохерентно поведение на милиони и милиони молекули.

От тази гледна точка преходът от ламинарно течение към турбулентно е процес на самоорганизация. Част от енергията на системата, която в ламинарно течении се намира в топлинното движение на молекулите, преминава в макроскопично организирано движение.

Клетките на Бенар

Пример за неустойчивост на стационарно състояние, водещо до спонтанна самоорганизация, е т.н. неустойчивост на Бенар. Тя възниква в хоризонтален слой течност с вертикален градиент на температурата. Долната повърхност на слоя течност се нагрява до зададена температура, по-висока от температурата на горната повърхност. При такива гранични условия в слоя течност се устанавява стационарен поток топлина, движещ се отдолу нагоре. Когато приложения градиент на температурата достига някаква гранична стойност, състоянието на покой на течността (стационарното състояние, в което преноса на топлина се осъществява без помощта на конвекция само благодарение на топлопроводимостта) става неустойчиво.

През 1900 г. била публикувана статия от френският изследовател Бенар с фотография на структура, напомняща пчелни кутийки. При нагряване отдолу на слой живак, налят в плосък широк съд, слоят се разпадал на еднакви вертикални шестостенни призми, които впоследствие били наречени клетки на Бенар. Условията за възникването им, аналогично на числото на Рейнолдс, се изразяват с критичната стойност на числото на Рейли RAкр, свързващо редица механични и термодинамични параметри.

При клетките на Бенар неустойчивостта има прост механичен произход. Когато нагряваме течността отдолу, долния слой течност става по-малко плътен и центъра на тежестта се премества нагоре. След някаква критична точка системата се “срива” и възниква конвекция, съответстваща на кохерентно, т. е. съгласувано движение на молекулите. При това преноса на топлина се увеличава. Следователно, при зададените параметри (градиента на температурата) производството на ентропия в системата нараства, което противоречи на принципа за минимум ентропия.

Конвективното движение на течността поражда сложна пространствена организация на системата. Милиони молекули се движат съгласувано, образувайки конвекционни клетки във форма на правилни шестоъгълници с някакъв определен размер.

Структурата на Бенар е най-простата дисипативна структура. Тя позволява на системата да оцелее в потока на постъпващата отвън енергия чрез максимално ефективната си дисипация. «В класическата термодинамика топлинният поток се смяташе за източник на загуби. В клетките на Бенар топлинният поток става източник на порядък» (И. Пригожин).

Както доказва И. Р. Пригожин, в дисипативните системи при дадени външни условия, пречещи на сисъемата за постигането на термодинамично равновесие, от възможните стационарни състояния се избира такова с минимум производство на ентропии (теорема на Пригожин)

Дисипацията (разсейването) на енергия в течности зависи от отношенето на площта на клетката към обема й (специфичната повърхност): колкото е по-малко това отношение, толкова е по-малка дисипацията. Не е трудно да се убедим, че с най-малката специфичната повърхност се характеризира именно шестостенната клетка. С други думи, в пълно съответствие с изложените принципи, в експеримента на Бенар се реализира наи-изгодната енергийно конфигурация на клетките.

На интересни примери попаднах в една статия за геоложки системи от Н.С.Кравченко, който обръща внимание на аналози на клетките на Бенар в стълбчатите шестостенни структури при базалти и гранити.

Източник:
Лазер, лазерная парадигма, Сага