Самоорганизация

Самоорганиза́ция — процесс упорядочения в системе за счёт внутренних факторов, без внешнего специфического воздействия.

В зависимости от подхода к описанию самоорганизации в определение включают характеристики системы, тип внутреннего фактора, особенности процесса.

История

Гипотеза о упорядочении в системе за счёт её внутренней динамики высказывалась философом Р. Декартом в пятой части «Рассуждения о методе». Позже он подробно разработал эту идею в так и не опубликованной книге «Le Monde».

И. Кант выдвинул небулярную гипотезу, согласно которой планеты образовались из туманности за счёт притяжения и отталкивания, внутренне присущих материи.

Необходимо заметить, что представления о спонтанном возникновении порядка и самоорганизации нетождественны. Атомизм Демокрита или статистика Больцмана рассматривают возникновение порядка как случайность, причём категория порядка является субъективной, наличие порядка кажущееся.

В 1947 г. термин появился в научной публикации Уильяма Эшби (англ. Self-organization ) «Principles of the Self-Organizing Dynamic System», Journal of General Psychology, v. 37, p. 125—128. В 1960-е годы термин использовался в теории систем, а в 1970-е — 1980-е стал использоваться в физике сложных систем.

Г. Хакен — основатель синергетики определил её как науку о самоорганизации. До XXI века синергетика казалась монополистом на описание самоорганизации. В связи с сотрудничеством представителей естественных наук в области нанотехнологий выяснилось, что термин самоорганизация, в области супрамолекулярной химии и эволюционной биологии определен иным образом для других феноменов, нежели в синергетике. Кроме того, определение данное в рамках синергетики, благодаря междисциплинарности этой науки, расплылось по разным дисциплинам, стало нечётким.

Диссипативная самоорганизация (синергетический подход)

Определение, данное Г. Хакеном в 1980-е гг. в рамках синергетики:

«Самоорганизация — процесс упорядочения (пространственного, временного или пространственно-временного) в открытой системе, за счёт согласованного взаимодействия множества элементов её составляющих».

Характеристики системы:

• открытая (наличие обмена энергией/веществом с окружающей средой)
• содержит неограниченно большое число элементов (подсистем)
• имеется стационарный устойчивый режим системы, в котором элементы взаимодействуют хаотически (некогерентно).

Характеристики процесса:

• интенсивный обмен энергией/веществом с окружающей средой, причём совершенно хаотически (не вызывая упорядочение в системе)
• макроскопическое поведение системы описывается несколькими величинами — параметром порядка и управляющими параметрами (исчезает информационная перегруженность системы)
• имеется некоторое критическое значение управляющего параметра (связанного с поступлением энергии/вещества), при котором система спонтанно переходит в новое упорядоченное состояние (переход к сильному неравновесию)
• новое состояние обусловлено согласованным (когерентным) поведением элементов системы, эффект упорядочения обнаруживается только на макроскопическом уровне
• новое состояние существует только при безостановочном потоке энергии/вещества в систему. При увеличении интенсивности обмена система проходит через ряд следующих критических переходов; в результате структура усложняется вплоть до возникновения турбулентного хаоса.

Для однозначности определения термина, его связи с характеристиками системы и процесса, как правило, делается ссылка на один из трёх стандартных примеров самоорганизации

• лазер — пространственное упорядочение
• ячейки Рэлея-Бенара — пространственное упорядочение
• реакция Белоусова-Жаботинского — пространственно-временное упорядочение

Нобелевский лауреат Илья Пригожин создал нелинейную модель реакции Белоусова Жаботинского, т. н. брюсселятор. Так как для возникновения упорядочения в таких системах необходим приток энергии или отток энтропии, её диссипация, Пригожин назвал эти системы диссипативными. Вследствие нелинейности, наличия более одного устойчивого состояния в этих системах, в них не выполняется ни второе начало термодинамики, ни теорема Пригожина о минимуме скорости производства энтропии. По аналогии описания самоорганизующихся систем с фазовыми переходами диссипативная самоорганизация получила название фазового перехода в неравновесной системе.

Методы синергетики были использованы практически во всех научных дисциплинах: от физики и химии до социологии и филологии. Градообразование и нейронные сети описаны как диссипативные структуры. В последнее время практически исчезло использование первоначально необходимого математического аппарата нелинейных уравнений. Это привело к тому, что любая система естественного происхождения, не принадлежащая компетенции равновесной термодинамики стала рассматриваться как самоорганизованная.

Консервативная самоорганизация (супрамолекулярная химия и фазовые переходы)

В 1987 г. другой Нобелевский лауреат Жан-Мари Лен — основатель супрамолекулярной химии ввел термины самоорганизация и самосборка, вследствие необходимости описания явлений упорядочения в системах высокомолекулярных соединений при равновесных условиях, в частности образование ДНК. Изучение вещества в наносостоянии, образование сложной структуры в процессе кристаллизации без внешнего воздействия также потребовало описание этих явлений как самоорганизации. Но в отличие от синергетического подхода эти явления происходят в условиях близких к термодинамическому равновесию.

Таким образом, равновесные фазовые переходы, такие как кристаллизация также оказались самоорганизацией. Для устранения путаницы, феномен упорядочения в равновесных условиях часто определяют как консервативная самоорганизация.

Континуальная самоорганизация (концепция эволюционного катализа)

Концепция эволюционного катализа разработанная А. П. Руденко является альтернативной концепцией самоорганизации для биологических систем. В отличие от когерентной самоорганизации в диссипативных системах с большим числом элементов (макросистем), рассматривается континуальная самоорганизация для индивидуальных (микро-) систем. В рамках данного подхода определяется, что самоорганизация как саморазвитие системы происходит за счёт внутренней полезной работы против равновесия. Прогрессивная эволюция с естественным отбором возможна только как саморазвитие континуальной самоорганизации индивидуальных систем.

Некоторые макроэффекты

• Эффект «текучего клина»

См. также

• Хаос
• Теория динамических систем
• Аттрактор
• Фрактал
• Трансдисциплинарность
• Синергетика
• Синергия
• Гомеостаз

Ссылки

• «Самоорганизация и синергетика: идеи, подходы и перспективы».
• Третьяков Ю. Д. Процессы самоорганизации в химии материалов.
• Супрамолекулярная химия. Жан-Мари Лен.
• Руденко А. П. Теория саморазвития открытых каталитических систем. М.: Изд-во МГУ, 1969. - 276 с.
• Руденко А. П. Самоорганизация и синергетика.
• Гиперболический рост в живой природе и обществе