На пульсаре - Кадомцев Б.Б.
ISBN 5-85504-013-5
Скачать (прямая ссылка):
состоит. Пламя - это упрощенная
112
11. Нелинейность и самоорганизация
модель живого существа, которое поддерживает свою жизнь питанием и
дыханием.
А с другой стороны, для пламени свечи мы можем воспользоваться упрощенной
моделью (см. рис. 40), которая описывает бифуркацию. В самом деле, у
свечи имеется два устойчивых состояния: горящая и потухшая свеча. Пламя
горящей свечи довольно-таки устойчиво по отношению к небольшим
возмущениям, например, к небольшим дуновениям ветерка. Однако сильным
потоком воздуха свечу легко задуть. А чтобы она снова загорелась, ее
нужно зажечь - сама по себе свеча устойчиво находится в потухшем
состоянии. Таким образом, пламя, подобно шарику в потенциальном рельефе
(см. рис. 40), имеет только два устойчивых состояния. Стало быть, его
также можно рассматривать как элементарную ячейку памяти, которая может
хранить один бит информации. В одном из состояний, а именно, зажженном,
свеча находится как бы в возбужденном самоорганизованном состоянии. Итак,
пламя свечи - это открытая самоорганизованная система, которая устойчиво
сохраняет свою внутреннюю структуру за счет внешней подпитки энергией и
метаболизма - обмена веществ.
Именно так и устроены все сложные открытые системы. Их общая схема
представлена на рис. 42. Как мы видим, открытая система потребляет извне
энергию с малым удельным содержанием энтропии и вещество. За счет этих
потоков энергии и негэнтропии открытая система может устойчиво
поддерживать свою внутреннюю структуру. Потребляемая системой негэнтропия
превращается в энтропию и выбрасывается наружу вместе с энергией в виде
тепла. Потребляемое извне структурированное вещество (3), которое также
является носителем негэнтропии, перерабатывается внутри системы и
выбрасывается затем наружу в виде отходов. Система "живет" за счет
потребления "свежей и калорийной пищи".
По принципу рис. 42 устроены практически все сложные са-моорганизованные
системы. Возьмем, к примеру, атмосферу Земли. Она представляет собой
сложную открытую самоорганизован-ную систему. Падающие на поверхность
Земли лучи Солнца подогревают и саму поверхность, и нижние слои
атмосферы. За счет теплообмена и прогрева нижних слоев воздуха начинается
верти-
со2
Рис. 41. Пламя свечи, как самоорганизующаяся открытая система.
11. Нелинейность и самоорганизация
ИЗ
кальная конвекция воздуха. Эта конвекция, казалось бы, приводит просто к
большей скорости вертикального теплопереноса и более быстрому прогреву
верхних слоев воздушной массы. Но на самом деле процесс конвекции этим не
ограничивается, он становится как бы усилителем горизонтальных потоков.
За счет эффекта "отрицательной вязкости", возникающей при вертикальной
конвекции, происходит усиление слабых горизонтальных ветровых потоков.
Образуется сложная система крупномасштабных потоков из циклонов,
антициклонов и переходных течений между ними. Атмосфера в целом переходит
в сложное самоорганизованное движение.
Крупномасштабные потоки воздуха сопровождаются переносом больших масс
воды: над океанами вода испаряется, а глубоко внутри материков она
конденсируется сначала в облака и тучи, а затем выпадает в виде дождя. По
мере накопления влаги происходит ее собирание в ручьи и реки, и
циркуляция воды опять заканчивается в морях и океанах. Вся эта сложная
картина движения воздушных и водных масс регулируется за счет сложных
нелинейных связей между отдельными компонентами - участниками всего этого
сложно организованного механизма.
Процесс этот достаточно сложен. Однако его принципы опять могут быть
представлены в виде простой картины (см. рис. 42).
Атмосфера приходит в движение за счет энергии Солнца. Но одной энергии
для этого еще недостаточно: нужно, чтобы энергия приходила с потоком
негэнтропии. Солнечный свет действительно имеет удельную энтропию гораздо
ниже, чем энтропия тепловой энергии с температурой около 300° Кельвина. В
самом деле, температура поверхности Солнца в 20 раз выше, а кроме того,
лучистая энергия Солнца сильно анизотропна, т. е. она не рассеяна по
углам. Именно за счет высокой организации Солнечной энергии и возможна
сложно организованная жизнь атмосферы. А перенос паров воды с последующим
выпадением осадков - это метаболизм атмосферы. Атмосфера усваивает воду в
виде паров, а выделяет ее в виде дождя, снега и града. Обмен веществ у
атмосферы является гарантом снабжения водой всей Биосферы Земли.
Биосфера сама построена по схеме рис. 42. В ту же схему укладываются и ее
составные элементы - растения и животные. Растение - это тоже открытая
система. Оно использует лучи Солнца как источник питания энергией и
негэнтропией. Потребляя воду, углекислый газ и кислород воздуха, растения
синтезируют сложные органические вещества, расходуя при этом множество
дру-
114
11. Нелинейность и самоорганизация
Рис. 42. Общая схема открытой системы: 1+2 - поток энергии и негэнтропии,
3 - потребление вещества, 4 - тепловой поток, 5 - материальные отходы.
