Расстояние между последовательными точками бифуркаций может изменяться по мере эволюции системы. Это дает основание различать «внешнее время», отсчитываемое постоянными по своей длительности циклами (например, периодами обращения Земли вокруг Солнца) и «внутреннее время» системы, определяемое количеством пройденных точек бифуркации. В природе известны примеры как замедления «внутреннего времени» (эволюция Вселенной от Большого взрыва до наших дней) по сравнению с «внешним», так и ускорения (биологическая эволюция, общественное развитие).
Самоорганизация приводит к балансированию на грани хаоса. Система, прошедшая в своем развитии несколько точек бифуркации, как правило, оказывается вблизи границы, отделяющей упорядоченное поведение от хаотического. Теория самоорганизованной критичности – любая эволюционно зрелая система неизбежно балансирует на грани потери устойчивости. Для выживания такой системе требуется тонкое и точное управление. Пример: если сверху сыпать на тарелку песок, то в конце концов склоны образующейся на ней горки приобретают критическую крутизну, когда достаточно уронить еще одну песчинку, чтобы вызвать катастрофическую лавину. Пример: благодаря первым наземным растениям содержание кислорода в воздухе к концу девонского периода достигло современного значения - 21%, но не продолжило расти. Почему? При повышении содержания кислорода до 25% начала бы гореть даже мокрая древесина, выгорели бы все леса, а значит, процент кислорода необратимо снизился до первоначального уровня.
Основные свойства самоорганизующихся систем: открытость (неравновесность), нелинейность, диссипативность.
Открытость
Открытые системы – это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию. Открытые системы – это системы необратимые; в них важным оказывается фактор времени. В открытых системах ключевую роль (наряду с закономерным и необходимым) могут играть случайные факторы, флуктуационные процессы. Иногда флуктуация может стать настолько сильной, что существовавшая организация разрушается. Система должна быть неравновесной. Пример: кухня, в которой на плите стоит только что вскипевший чайник, – неравновесная система, поскольку между чайником и окружающим воздухом имеется градиент (мера неоднородности распределения той или иной величины, ее перепад) температуры. Благодаря ему возникает направленный поток тепловой энергии, и чайник остывает. Однако когда температура чайника сравняется с температурой окружающего воздуха, равновесие все еще не будет достигнуто. Дело в том, что концентрация воды в чайнике больше концентрации водяного пара в воздухе (химический градиент), что приводит к направленному потоку молекул воды из чайника. Через несколько дней вся вода из чайника испарится, и можно будет считать состояние равновесия достигнутым. Заметим, что неравновесная система может быть и замкнутой, не сообщающейся с внешним миром. Например, не исключено, что наша Вселенная – изолированная система. Но масштабы ее таковы, что время, необходимое для ее перехода в равновесное состояние (каким бы оно ни было), астрономически велико. Однако чаще всего длительное поддержание системы в неравновесном состоянии требует, чтобы она была незамкнутой, открытой, проточной.
Нелинейность
Все рассмотренные системы, в которых происходит самоорганизация, нелинейны. Линейная система отличается тем, что ее реакция на несколько одновременных воздействий равна сумме реакций на каждое воздействие по отдельности. Нелинейные системы способны качественно изменять свое поведение при количественном изменении воздействия. Другими словами, нелинейные системы – это системы сложные. Но речь идет не столько о сложности законов, управляющих поведением системы, сколько о сложности возникающего под их действием поведения. Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят пороговый характер. В состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до гигантских волн, разрушающих сложившуюся структуру и способствующих ее радикальному качественному изменению. Нелинейные системы, являясь неравновесными и открытыми, сами создают и поддерживают неоднородности в среде. В таких условиях между системой и средой могут иногда создаваться отношения обратной положительной связи, т.е. система влияет на свою среду таким образом, что в среде вырабатываются некоторые условия, которые в свою очередь обусловливают изменения в самой этой системе. Пример: в ходе химической реакции или какого-то другого процесса вырабатывается фермент, присутствие которого стимулирует производство его самого. Последствия такого рода взаимодействия открытой системы и ее среды могут быть самыми неожиданными и необычными.
Диссипативностъ
Открытые неравновесные системы, активно взаимодействующие с внешней средой, могут приобретать особое динамическое состояние – диссипативность (рассеивание энергии системы в процессе работы), которую можно определить как качественно своеобразное макроскопическое проявление процессов, протекающих на микроуровне. Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи. Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий, в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития. При возникновении упорядоченной структуры энтропия (понятие, введённое в термодинамике для определения меры необратимого рассеивания энергии, беспорядка системы) занимаемой ею области пространства понижается, а энтропия прилегающих областей возрастает. При возникновении новой упорядоченной структуры скорость производства энтропии в занимаемой ею области пространства скачкообразно возрастает. Связь самоорганизованных структур с ускорением производства энтропии, т. е. рассеяния, диссипации энергии, легла в основу термина, которым их обозначают в синергетике: диссипативные структуры. Если в результате самоорганизации возникает несколько конкурирующих диссипативных структур, то в конечном счете выживает та из них, которая производит энтропию с наибольшей скоростью. Пример: медикам известно смертельно опасное явление фибрилляции, когда сердце вместо ритмичных правильных сокращений начинает беспорядочно трепыхаться. Фибрилляция связана с тем, что помимо естественной медленной спиральной волны возбуждения в сердечной мышце возникает паразитная быстрая, которая подчиняет естественную своему ритму.
Понятие диссипативности тесно связано с понятием параметров порядка. Самоорганизующиеся системы обычно характеризуются огромным числом степеней свободы. Однако далеко не все степени свободы системы одинаково важны для ее функционирования. С течением времени в системе выделяется небольшое количество ведущих, определяющих степеней свободы, к которым «подстраиваются» остальные. Такие основные степени свободы системы получили название параметров порядка. Параметры порядка отражают содержание оснований неравновесной системы. Поэтому задача определения параметров порядка – одна из важнейших при конкретном моделировании самоорганизующихся систем.
Наиболее наглядные примеры самоорганизации:
Лазер
Первоначально сферой приложения синергетики была квантовая электроника и радиофизика. Примером самоорганизации может служить система, изучаемая в разделах квантовой электроники,- лазер. Этот прибор создает высокоорганизованное оптическое излучение. Традиционные источники света создают оптические излучения за счет процессов, подчиняющихся статистическим законам. Уровень организации подобной среды крайне низок, упорядоченность мала. Для активизации лазерной среды, которая должна находиться в сильно неравновесном состоянии, направленно вводят в нее организованный поток энергии (накачка). Этим достигается характерная высокая упорядоченность атомных, ионных или молекулярных избирательно возбуждаемых состояний. В среде лавинообразно нарастает вынужденное излучение квантов света, движущихся в одном направлении. Лазерная генерация возникает скачком после того, как плотность вводимой в среду энергии накачки превысит пороговое значение, зависящее от свойств активной среды, характера накачки и параметров оптического резонатора, в который помещают активную среду для усиления эффекта. Излучение выходит в виде узконаправленного луча.