Полная версия

Главная arrow География arrow Концепции современного естествознания

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Примеры процессов, происходящих в самоорганизующихся системах.

Рассмотрим несколько простых примеров упорядочения (самоорганизации) в открытых системах [20].

Пример 1. Упорядочение водяного пара при его охлаждении извне. При высоких температурах молекулы пара движутся свободно, без взаимной корреляции. При понижении температуры образуется капля жидкости, в которой расстояние между молекулами в среднем сохраняется, т.е. их движение скоррелировано. Наконец, при еще более низких температурах, в точке замерзания, вода превращается в кристаллы льда — молекулы расположены в определенном порядке. Такие переходы из одного агрегатного состояния (фазы) в другое происходят весьма резко. Хотя молекулы каждый раз одни и те же, макроскопические свойства трех фаз существенно различны. И совершенно очевидно, что различаются их механические, оптические, электрические и тепловые свойства.

П р и м е р 2. Упорядочение в ферромагнетиках (например, в магнитной стрелке компаса). При нагревании у ферромагнетика внезапно исчезает намагниченность, а при понижении температуры намагниченность внезапно появляется снова. На микроскопическом, атомном уровне это можно представить так: магнит состоит из большого количества элементарных (атомных) магнитов (называемых спинами). При высоких температурах «магнитики» направлены хаотически. Их магнитные моменты, складываясь, взаимно уничтожаются, и в результате макроскопическая намагниченность оказывается равной нулю. При температурах ниже критической элементарные магниты выстраиваются в определенном порядке, что приводит к появлению макроскопической намагниченности. Таким образом, упорядочение на микроскопическом уровне служит причиной появления на макроскопическом уровне нового свойства материала. (Переход из одной фазы в другую называется фазовым.) Столь же резкий переход наблюдается в сверхпроводниках: в некоторых металлах и сплавах ниже определенной температуры электрическое сопротивление внезапно и полностью исчезает вследствие упорядочения электронов в металле.

ПримерЗ. Процессы, происходящие в твердотельном лазере — оптическом лазерном генераторе (хотя лазерная генерация обнаружена и в межзвездном пространстве). Лазер представляет собой твердый стержень, в который внедрены атомы определенного типа — активная среда (рис. 4.8); на торцах стержня установлены зеркала. Каждый атом возбуждается действием извне, например с помощью света, после чего начинает действовать как микроскопическая антенна, испуская цуг световых волн длиной около 3 м. Процесс излучения длится обычно 10-8 с. Зеркала служат для селекции таких цугов: бегущие в аксиальном направлении цуги отражаются несколько раз от зеркал и остаются в лазере более продолжительное время, остальные быстро покидают объем. С увеличением входной мощности (накачка лазера) происходит следующее. При малых мощностях накачки лазер работает как лампа: атомные антенны излучают световые цуги независимо друг от друга (хаотично). При мощности накачки, равной пороговой мощности лазерной генерации, имеет место совершенно иное явление. Атомные антенны осциллируют в фазе, испуская один гигантский цуг (рис. 4.9). При дальнейшем увеличении накачки интенсивность излученного света (т.е. выходная мощность) резко возрастает. Очевидно, что макроскопические свойства лазера коренным образом изменяются, причем изменение напоминает фазовый переход в ферромагнетике.

Схема лазера [20]

Рис. 4.8. Схема лазера [20]

Волновые цуги, испускаемые лампой (а) и лазером (б)

Рис. 4.9. Волновые цуги, испускаемые лампой (а) и лазером (б)

Пример 4. Конвективная неустойчивость, или неустойчивость Бена- ра. Пусть слой жидкости подогревается снизу, а сверху температура поддерживается постоянной. При малой разности температур теплота переносится благодаря теплопроводности, и жидкость остается в покое. Когда температурный градиент достигает некоторого критического значения, в жидкости начинается макроскопическое движение. Так как нагретые области жидкости расширяются, они имеют более низкую плотность и всплывают наверх, охлаждаются и снова опускаются на дно. Это движение происходит упорядоченно. При этом формируются либо цилиндрические, либо гексагональные ячейки. Таким образом, из однородного состояния возникает упорядоченная пространственная структура. Более того, при еще большем увеличении температурного градиента возникает новое явление — вдоль осей цилиндрических ячеек начинается волновое движение. С помощью этих и аналогичных явлений предпринимаются попытки описывать процессы движения воздуха и образования облаков, перемещения литосферных плит и т.д. Пример 5. Реакция Белоусова—Жаботинского. Для ее осуществления смешивают Ce2(S04)3, КВЮ3, СН2(СООН)2, H2S04 и добавляют несколько капель ферроина (окислительно-восстановительного индикатора). Получившуюся однородную смесь переливают в пробирку, где сразу начинаются временные осцилляции. Раствор периодически меняет цвет — с красного, указывающего на избыток Се3+, на голубой, соответствующий избытку Се4+. Так как реакция идет в замкнутой системе, она в конце концов приходит в однородное равновесное состояние. Процессы образования подобных структур подчиняются принципам, аналогичным тем, которые управляют переходами типа порядок—беспорядок в лазерах, а также в гидродинамических и других системах.

П р и м е р 6. Агрегация слизевика (многоклеточного организма, образованного путем соединения отдельных клеток) как модель клеточного взаимодействия. В фазе роста организм существует в виде отдельных амебовидных клеток. Через несколько часов после прекращения роста эти клетки собираются и образуют полярное тело, вдоль которого они разделяются на споровые и стебельковые клетки, составляющие плодовое тело слизевика. Отдельные клетки способны время от времени спонтанно испускать в окружающее пространство порции молекул определенного типа, называемые цАМФ, и, более того, усиливать импульсы цАМФ. Таким образом, они спонтанно выделяют химические вещества. Происходит коллективное испускание химических импульсов, которые мигрируют в виде волн концентрации из центра, вследствие чего возникает градиент концентрации цАМФ. Отдельные клетки «чувствуют» направление градиента и мигрируют к центру с помощью псевдоподий (ложноножки). В результате получаются макроскопические волновые структуры (спиральные или концентрические круги).

Таким образом, во многих системах различного характера (физических, химических, геологических, биологических, географических и т.д.) активно происходят процессы самоорганизации и возникновения более сложных структур. Эти системы должны быть открытыми (обмениваться веществом и энергией с окружающей средой) и существенно неравновесными (находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия).

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>