От Alex~1
К Alex~1
Дата 07.05.2006 12:15:18
Рубрики Прочее; В стране и мире;

Фрагмент текста

Реальное состояние с синергетикой

Что такое синергетика? Это наука о поведении систем, состоящих из элементов, образующих при некоторых условиях неравномерные пространственные или временные структуры. Обычная термодинамика давала бы в этих случаях равномерные или монотонные, бесструктурные распределения. Именно по причине представления о всеобщности монотонно выравнивающегося поведения систем сообщение Б.П.Белоусова в 1951 г. об обнаружении структуры в растворе нескольких веществ не было опубликовано. Ленинскую премию за открытие автоколебаний ему вместе с другими учеными вынуждены были дать только три десятилетия спустя - в 1980 г, после его смерти. Обобщив подобные явления и имевшиеся к тому времени их описания, Г.Хакен справедливо выделил особую науку - синергетику [9]. Основная особенность ее объектов - это макроскопически структурированная, упорядоченная картина явления и соответственно неоднородное движение частиц. Это резко отличается от поведения обычных термодинамических систем, где происходит переход к равномерной или монотонной картине и к случайному, хаотическому движению как бы не связанных друг с другом, не замечающих друг друга частиц (элементов) во всей доступной им области - к тому, что раньше называлось молекулярным хаосом (вообще-то термин несколько противоречивый, поскольку объективно в механике нет никакого хаоса). Оказалось, что бесструктурное состояние устанавливается не всегда. Часто выгоднее, более устойчивой оказывается неоднородная структура: частицы, взаимодействуя, выстраиваются или движутся особо упорядоченным образом. Движение элементов системы происходит преимущественно в некоторой выделенной части вообще разрешенной области. Область “притяжения” или сам процесс такого движения называют аттрактором. В общем-то некоторые примеры неоднородного движения, структурного упорядочения были и раньше хорошо известны. Например, это турбулентность при установившемся в среднем движении жидкости или газа. Я сам видел на небе при спокойном воздухе на земле и слабой высокой облачности довольно правильную и четкую, немного деформированную к форме ромба решетку из облаков с не менее чем десятком строк и полутора десятками столбцов. Это и живой организм - в материальном отношении упорядоченная структура с весьма согласованными микропроцессами, в связи с которыми “релаксирует” очень долго по сравнению с простыми, “неорганизованными” материальными массами.

В общем, в системах, проявляющих синергетическое (кооперативное) поведение, синергетический эффект порождается принципиально совместным взаимодействием частиц. Модель независимых частиц, молекулярного хаоса, как в обычной термодинамике, явно не проходит.

Последствия этой кооперативности для задачи предсказания эффектов весьма тяжелы. В обычной термодинамике результаты в общем слабо зависят от обстоятельств и весьма однообразны, чем она и хороша (удобна для предсказаний). Например, в ней не важна форма объема, она там выступает как скаляр, число. В этом случае две одинаковые системы можно заменить одной суммарной (аддитивность энтропии). А при кооперативности ответ оказывается зависящим от конкретных обстоятельств, так что, во-первых, трудно без точного расчета, начинающегося с взаимодействия элементов (молекул) в данных конкретных условиях, угадать, получится та или иная картина, а затем трудно найти и сформулировать для нее регулярное макроскопическое описание - или в пространстве, или во времени, или то и другое вместе. По этой последней причине слова типа “в нашем исследовании был применен синергетический подход” попросту оказываются свидетельством совершенной некомпетентности их автора, поскольку уместной была бы только констатация появления кооперативных эффектов в случае, если бы они были действительно выявлены при исследовании. Нельзя применять “синергетический подход”, то есть какие-то феноменологические описания, уравнения или эффекты синергетики, не выяснив предварительно, что там происходит на самом деле. А вдруг там нет никаких кооперативных явлений? Что в таком случае должен обозначать “синергетический подход”? Пустой звон? Примените “синергетический подход” в случае газа из больцмановских частиц в замкнутом изолированном сосуде, когда поведение реально соответствует второму закону термодинамики в формулировке Клаузиуса: замкнутая изолированная система стремится к равновесию. Какую структуру вы там найдете? Никакой.

Когда А.А.Самарский с коллегами обнаружили кооперативный эффект Т-слоя в МГД-генераторах [10], они достаточно точно смоделировали и просчитали математически задачу движения плазмы в данных условиях и увидели этот эффект, который можно отнести к разряду синергетических. Чтобы проследить, как появляется турбулентный след за кораблем, О.М.Белоцерковский с сотрудниками проделали сложные расчеты на суперкомпьютерах, начиная расчет от молекул, и получили характерный ответ [11]. Они тоже не применяли “синергетического подхода”. Они просто честно считали эффект, который простой термодинамикой не описывается. Как трудно всё это моделировать, показано в [12]. Ясно видно, что сама по себе синергетика, наличие кооперативных явлений в своей исходной области вовсе не облегчает, сравнительно с термодинамикой, работу по получению верного результата. Наоборот, для предсказания или обнаружения своих явлений она требует сложных расчетов или упорных наблюдений в конкретных условиях, и вовсе не дает гарантий для применения уже найденных своих феноменологических (описывающих макроскопическое, результирующее поведение) уравнений для других областей или явлений (см, например, [13-14]). Так, В.А.Вавилин, один из исследователей автоколебаний в жидкофазных химических системах, вспоминал: “Перед Жаботинским и мной ... стояла задача обнаружить колебания в системе Брея с помощью непрерывной спектрофотометрической реакции концентрации йода. Через полгода безуспешных попыток мы зарегистрировали такие колебания... Сейчас можно сказать, что нам сопутствовала удача: слишком узкой была в этой системе область существования колебаний и гораздо вероятнее - ее монотонное поведение.” [15] Да и сам Белоусов, случайно заметивший периодичность в растворе, но не помнивший точно исходный состав, потом долгое время вновь искал его.

Как раз у синергетики есть особая трудность обоснования применения наработанных феноменологических уравнений в новых условиях, а для многих ситуаций требуется конкретный расчет с уровня элементов. Этих феноменологических уравнений сравнительно с обычной термодинамикой больше, область применимости каждого из них намного уже, обосновать их применимость в конкретном случае часто чрезвычайно тяжело, поскольку для этого требуется точный расчет задачи иногда с уровня частиц. Поэтому продвижение и в своей традиционной области с легко и хорошо формализуемыми взаимодействиями - механических и физико-химических явлений или игр типа “хищник-жертва” - в синергетике дается с большим трудом. Этого многие посторонние не понимают. Они думают, что раз сказано слово “синергетика”, то дело со сложными системами решено. Но это отнюдь не так. Как раз наоборот: если прозвучало это слово, то, значит, мы имеем очень трудное дело. С чего же тогда взяться наблюдаемому “синергетическому” энтузиазму в общественных науках? Какую пользу “синергетизм” там может дать? Чтобы вообще хотя бы употребить там слово “синергетический”, надо сначала получить какой-то синергетический эффект в отличие от “несинергетического”. Никакого такого сравнительного анализа эффектов мне не пришлось встретить. Возможно, потому, что там это и нереально, поскольку все существенные эффекты всегда были связаны с совершенно конструктивным, непренебрежимым взаимодействием исходных элементов.