Процессы самоорганизации в природе.

1. При наличии в среде нескольких процессов, например конвекции и теплопроводности, необходимо решать совместно систему уравнений типа Онзагера с нелинейными переменными и несимметричными коэффициентами связи.

Так, в 1900 г. Бенаром были обнаружены в вязкой среде стационарные динамические структуры — ячейки с симметрией гексагональной (шестиугольной) призмы. Условия эксперимента элементарны. В сосуде с налитым маслом необходимо нагреванием grad Г (градиент, т. е. разность температур) донным и поверхностным слоями масла. При определен^ значениях температуры дна на процесс теплопередачи надвигается конвекционное движение за счет градиента плотной масла при различных температурах (рис. 62). Вещество разбирается на гексагональные призматические ячейки, в которых п токи масла создают конвекцию: в центре ячейки масло поди* мается, а к граням — опускается вниз. С точки зрения классической термодинамики при повышении температуры беспорядочное движение возрастает, и никаких упорядоченных структур возникать не должно. Тем не менее существуют условия, при которых из хаоса «рождаются» структуры.

2.Грандиозная структура в слое размером 10⁵ км образуется и на Солнце. Именно эта конвективная зона обеспечивает пере- нос в верхние слои Солнца энергии, высвобождающейся за счет термоядерных реакций, происходящих в его недрах.

3.Хорошо известны ставшие уже классическими автоволновые процессы изменения концентрации реагирующих веществ в реакции Белоусова — Жаботинского.В основе процесса — окис­лительно-восстановительная реакция для ионов церия. Ход про­цесса определяется катализом превра­щения Се⁴⁺ -> Се³⁺ в присутствии малиновой кислоты с образованием иона Вг', который является ингибито­ром обратного процесса, т. е. подав­ляет обратное превращение. Можно констатировать нарушение симмет­рии равновесия процесса Се⁴⁺ Се³⁺ с последующей необратимостью. В результате весь Се⁴⁺ превращается в Се³*. Затем начинается обратная ре­акция, идущая по другому каналу, ка­тализатором которой служит один из промежуточных продуктов реакции ВгО'г. Вновь восстанавливается Се,

и все начинается сначала. Период колебания зависит от концентраций реагентов и измеряется несколькими секундами и даже десятками секунд: цвет в пробирке периодически меняется.

4.К подобным динамическим структурам можно отнести самоорганизующийся процесс ускорения частиц в циклотроне, благодаря условию автофазировки Векслера.

5.Простой наглядной моделью процесс! с автофазировкой может служить маятник Пеннера (рис. 63). Самоподстройка заключается в том, что маятник сам «выбирает» амплитуду коле­баний (при случайном значении начальной амплитуды), при которой расход энергии колебаний на трение компенсируется по­треблением энергии из электромагнита, включенного в сеть пе­ременного тока. Интересно наблюдать, как один из возможных вариантов колебаний заканчивается своеобразным «режимом с обострением», когда колебание переходит во вращение.

6.Хорошо известен в радиотехнике эффект подавления ан­тенн с плохими характеристиками антенной с хорошими харак­теристиками (аналог конкуренции мод в термодинамике).

7.Открытая система из переменных конденсаторов (алюми­ниевые опилки) способна под влиянием радиошумов организо­ваться в структуры пондеромоторными силами (СВЧ-диапазон). Впервые эти структуры наблюдал Пеннер, решая в 30-е гг. XX в. проблему визуализации радиополей.

Эффект «конкуренции» энергетических состояний (мод) учитывается при создании оптических квантовых генераторов и в том числе химических лазеров.

8.Типичный пример самоорганизации в природе ~ кристаллов и, несмотря на получение хороших результатов при их искусственном выращивании, разработке методов определения структур и огромном диапазоне применения °^f|‘ процесс зарождения и роста кристаллов еще не изучен достаточно полно.

9.Усложнение форм зародыша живого организма при развитии (морфогенез).