Нелинейность как универсальное и фундаментальное свойство вселенной

№35-1,

физико-математические науки

В статье рассматриваются некоторые явления, связанные с состояниями порядка и беспорядка в природе с точки зрения синергетического подхода. Рассказывается о том, что большинство систем Вселенной носит открытый характер, вследствие чего Вселенная оказывается способной к развитию, эволюции и самоорганизации. Нелинейность рассматривается как универсальное, фундаментальное и главное свойство мира, изначально присущее природе.

Похожие материалы

Рассматривать и изучать явления, связанные с состояниями порядка и беспорядка в природе начали достаточно давно, однако только разработка и апробация их физических моделей сделали возможным сформулировать некоторые определенные количественные законы.

С 1970-х годов стала интенсивно развиваться теория сложных самоорганизующихся систем. Среди таких систем особый интерес вызывают открытые самоорганизующиеся биологические и социальные системы. Результаты исследований в области математического моделирования сложных открытых систем постепенно привели к возникновению нового научного направления – синергетики, которая ориентирована на исследование принципов построения системы, ее организации, возникновения, развития и самоусложнения.

В синергетике изучаются диссипативные структуры, способные самопроизвольно возникать и развиваться в активных диссипативных средах в состояниях, далеких от термодинамического равновесия; механизмы спонтанного образования и эволюция сложных систем, находящихся в состоянии неустойчивого равновесия со средой. Таким структурам свойственно то, что в состояниях неустойчивости они могут оказаться чувствительными к малейшим случайным отклонениям в среде.

Таким образом, объектом изучения синергетики являются нелинейные, открытые системы, находящиеся в состоянии нестабильности (неравновесное состояние, состояние вдали от положения равновесия), состоящие из множества элементов и подсистем, взаимодействие между которыми может быть подвержено лишь малым флуктуациям или незначительным случайным изменениям. В таких состояниях они способны образовывать особые упорядоченные формы с меньшей энтропией. Поэтому такие системы характеризуются сложностью, уровневой организацией, наличием взаимодействия отдельных элементов (подсистем), существованием обратных связей, обеспечивающих целостность системы [2, 3].

Основной идеей синергетики является идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка (организации) из беспорядка и хаоса в результате процессов самоорганизации [1]. Нестабильное хаотическое состояние системы рассматривается как созидательный фактор, аккумулирующий в себе множество возможных сценариев развития этой системы. Хаос выступает как способ обновления сложной организации не только в природе, но и в человеческом разуме (как известно, в линейных системах хаос неизбежно приводит ее к деградации). При этом существенную роль играет возникновение положительной обратной связи между системой и окружающей средой: под влиянием внешней среды внутри системы возникают изменения, которые, постепенно накапливаясь, в некоторый момент кардинально меняют всю систему, превращая ее в более сложную и высокоорганизованную.

Идеи самоорганизации порождают новый стиль мышления, новое миропонимание. В сферу внимания попадают нелинейные эффекты эволюции систем любого типа, кризисы и бифуркации – неустойчивые фазы существования, предполагающие множественность сценариев дальнейшего развития. Небольшие флуктуации в окрестности точек бифуркации имеют при этом ключевую роль и могут сильно повлиять на дальнейшую эволюцию системы. Последнее означает, что две одинаковые системы путем незначительного изменения начальных условий через некоторый интервал времени удается перевести в совершенно разные состояния. Такая сильная зависимость от исходных или начальных условий получила название «эффекта бабочки».

Нелинейный мир – это мир с иными закономерностями, где нелинейность, являющаяся внутренним свойством объектов и процессов, выступает как универсальное и фундаментальное его свойство, изначально присущее природе. Таким образом, образование Вселенной, рождение, жизнь и смерть звезд (и их систем) – все это примеры нелинейных процессов. Нелинейными также являются процессы на Солнце (например, вспышки, протуберанцы), планетах (например, явления в атмосферах), в мире живой природы. Большинство процессов, происходящих на Земле, в ее внутренних и внешних оболочках – также нелинейны: землетрясения, цунами, вулканизм, образования в атмосфере и океане (вихри, течения), процессы в ионосфере и магнитосфере, процессы горообразования, разряды молний, падения метеоритов, комет и астероидов (рис. 1 – 8).

Вспышка на Солнце как пример нелинейного явления в Солнечной системе

Рис. 1. Вспышка на Солнце как пример нелинейного явления в Солнечной системе

Большое Красное Пятно в атмосфере Юпитера  самый большой нелинейный вихрь (циклон) в Солнечной системе

Рис. 2. Большое Красное Пятно в атмосфере Юпитера – самый большой нелинейный вихрь (циклон) в Солнечной системе

Полярное сияние на Юпитере (съемка в ультрафиолетовых лучах)

Рис. 3. Полярное сияние на Юпитере (съемка в ультрафиолетовых лучах)

Падение обломков кометы Шумейкеров-Леви 9 на Юпитер 16-22 июля 1994 г. привело к сильнейшим нелинейным эффектам в атмосфере планеты

Рис. 4. Падение обломков кометы Шумейкеров-Леви 9 на Юпитер 16-22 июля 1994 г. привело к сильнейшим нелинейным эффектам в атмосфере планеты

Извержение вулкана  источник нелинейных явлений в литосфере и атмосфере планеты. Часто извержение сопровождается разрядами молний, обусловленных трением частиц пыли и пепла.

Извержение вулкана  источник нелинейных явлений в литосфере и атмосфере планеты. Часто извержение сопровождается разрядами молний, обусловленных трением частиц пыли и пепла.

Рис. 5. Извержение вулкана – источник нелинейных явлений в литосфере и атмосфере планеты. Часто извержение сопровождается разрядами молний, обусловленных трением частиц пыли и пепла.

Торнадо (смерч)  пример среднемасштабного высокоэнергичного нелинейного явления в атмосфере Земли

Торнадо (смерч)  пример среднемасштабного высокоэнергичного нелинейного явления в атмосфере Земли

Рис. 6. Торнадо (смерч) – пример среднемасштабного высокоэнергичного нелинейного явления в атмосфере Земли

Ураган Изабель (фото из космоса). Источник: http://www.borrowedculture.com/wp-content/uploads/2011/08/

Рис. 7. Ураган Изабель (фото из космоса). Источник: http://www.borrowedculture.com/wp-content/uploads/2011/08/

Водоворот Saltstraumen (Норвегия). Источник: http://only-most.ru/?p=4819

Рис. 8. Водоворот Saltstraumen (Норвегия). Источник: http://only-most.ru/?p=4819

Процессы, отвечающие за формирование погоды и климата, катастрофические явления природы, катастрофы, вызванные человеческим фактором (например, ядерный взрыв), обычно также нелинейны (см. рис. 9).

Ядерный взрыв в атмосфере  источник комплекса нелинейных явлений во всех геологических оболочках

Ядерный взрыв в атмосфере  источник комплекса нелинейных явлений во всех геологических оболочках

Рис. 9. Ядерный взрыв в атмосфере – источник комплекса нелинейных явлений во всех геологических оболочках

Современные компьютерные модели взрывов сверхновых звезд подтверждают факт несимметричности формы взрыва, который объясняется тем, что во время взрыва распределение материи и энергии происходит неравномерно. Так, на рис. 10 представлена фотография сверхновой звезды 1987A расположенной в Большом Магеллановом Облаке и впервые открытой в 1987 году. На фото отчетливо прослеживается несимметричность картины взрыва.

Взрыв сверхновой звезды 1987A

Рис. 10. Взрыв сверхновой звезды 1987A

Именно нелинейность и асимметричность на ранних этапах эволюции Вселенной привела ко всему многообразию окружающего нас мира.На рис. 11 представлен снимок центральной черной дыры Центавра А с выбрасывающимся из нее массивным энергетическим джетом [4].

Снимок центральной черной дыры Центавра А

Рис. 11. Снимок центральной черной дыры Центавра А

Синергетика, выступающая в роли «нелинейной науки», призвана сегодня охватить все существующее в природе разнообразие нелинейных процессов, явлений и нелинейных систем. В современном мире совершенствуются научные исследования, соответствующие «нелинейные» тенденции отмечаются в сфере образования. Например, с 2003 г. в России стал выпускаться журнал «Нелинейный мир», освещающий различные нелинейные процессы. В Саратовском государственном университете еще в 1994 г. основан факультет нелинейных процессов, появилась университетская специальность «Физика открытых нелинейных систем». В Сан-Диего (США) в составе университета Калифорнии функционирует институт нелинейных исследований.Проявлением универсальных фундаментальных свойств природы является такое проявление нелинейного мира, как солитон, – нелинейная уединенная волна (например, на воде – это волна цунами (рис. 12)). Важнейшей особенностью солитона, отличающей его от других волн, является неизменность его профиля в процессе распространения, связанная, как правило, с притоком энергии извне. Поэтому такая волна имеет место в открытых системах. Солитоны возникают в случае значительных выделений энергии в литосфере (при землетрясениях, извержениях вулканов), атмосфере (мощных взрывах, полетах ракет), ионосфере и магнитосфере. Ярким представителем солитона является огибающая семейства из семнадцати уединенных волн, образующих так называемый «девятый вал» во время шторма в океане (самая мощная из этих волн – центральная, девятая). Солитоноподобные объекты открыты сегодня повсеместно: это и образования в атмосфере Юпитера (Большое красное пятно, – см. рис. 2), и спиральные рукава галактик (рис. 13), и черные дыры. Встречаются они и в мире живой природы (например, нервные импульсы), а также в современном обществе (некоторые социально-экономические процессы).

Цунами. Высота уединенной волны у берега может достигать 50 м., а скорость 200 м/с

Рис. 12. Цунами. Высота уединенной волны у берега может достигать 50 м., а скорость 200 м/с

Спиральная галактика М 31 (Туманность Андромеды)

Рис. 13. Спиральная галактика М 31 (Туманность Андромеды)

Таким образом, в центре внимания современной науки оказываются сложные нелинейные системы с присущей им нетривиальностью и демонстрирующие различные хаотические режимы в процессе самоорганизации. При этом универсальными фундаментальными понятиями становятся самоорганизация и хаос.

Список литературы

  1. Дмитриев В.Л., Корягин А.Н., Тарасов О.В., Чаус Б.Ю. Концепции со-временного естествознания. Часть 2. – Стерлитамак: РИО СГПА им. Зайнаб Биишевой, 2011. – 156 с.
  2. Князева Е.Н., Курдюков С.П. Основания синергетики: Синергетическое мировидение. СПб.: Издательская группа URSS. 2014. – 256 с.
  3. Маджуга А.Г., Маджуга А.Р., Дмитриев В.Л. Синергетика в образова-нии. СПб: Санкт-Петербургский государственный университет, 2012. – 288 с.
  4. Ученые пытаются понять роль джетов в формировании галактик // Еже-дневный научно-популярный Интернет-журнал InFuture.ru [Элек-тронный ресурс]. URL: http://www.infuture.ru//article/4375 (дата обращения: 12.05.2015).