САМООРГАНИЗА́ЦИЯ

САМООРГАНИЗА́ЦИЯ, са­мо­про­из­воль­ное ус­та­нов­ле­ние в не­рав­но­вес­ных дис­си­па­тив­ных сре­дах ус­той­чи­вых ре­гу­ляр­ных струк­тур (см. Дис­си­па­тив­ные струк­ту­ры). Про­цесс С. на­зы­ва­ют так­же про­цес­сом фор­мо­об­ра­зо­ва­ния, а со­от­вет­ст­вую­щую об­ласть нау­ки – си­нер­ге­ти­кой.

Наи­бо­лее из­вест­ный при­мер С. – воз­ник­но­ве­ние кон­век­тив­ных ре­шё­ток с ше­с­ти­гран­ны­ми ячей­ка­ми (ячей­ки Бе­на­ра) при по­дог­ре­ве плос­ко­го слоя жид­ко­сти сни­зу. В этом слу­чае раз­ви­ва­ет­ся кон­век­тив­ная не­ус­той­чи­вость, свя­зан­ная с тем, что мо­ле­ку­ляр­ный те­п­ло­пе­ре­нос не обес­пе­чи­ва­ет ба­лан­са ме­ж­ду на­гре­той ниж­ней и ох­ла­ж­дён­ной верх­ней по­верх­но­стью слоя. Всплы­ваю­щий на­гре­тый (бо­лее лёг­кий) эле­мент жид­ко­сти вы­тес­ня­ет хо­лод­ную жид­кость, за­став­ляя её дви­гать­ся вниз. В ре­зуль­та­те в слое ус­та­нав­ли­ва­ет­ся ста­цио­нар­ное вра­ще­ние эле­мен­тов жид­ко­сти, ко­то­рое при ви­зуа­ли­за­ции вы­гля­дит как струк­ту­ра упо­ря­до­чен­но вло­жен­ных ро­ли­ков или ва­лов, ори­ен­та­ция ко­то­рых за­ви­сит лишь от слу­чай­ных на­чаль­ных ус­ло­вий. Ха­рак­тер­ный мас­штаб ва­лов за­ви­сит от тол­щи­ны слоя и па­ра­мет­ров жид­ко­сти. В жид­ко­стях, где су­ще­ст­вен­на за­ви­си­мость па­ра­мет­ров от тем­пе­ра­ту­ры, ва­лы с разл. ори­ен­та­ци­ей в ре­зуль­та­те вза­им­ной син­хро­ни­за­ции об­ра­зу­ют ре­шёт­ку с шес­ти­гран­ны­ми ячей­ка­ми. Та­кие дис­си­па­тив­ные струк­ту­ры мож­но на­звать ав­то­струк­ту­ра­ми, по­доб­но ав­то­ко­ле­ба­ни­ям.

Рис. 1. Распределение поля для центрально-симметричной локализованной структуры, возникающей из начального беспорядка.

Тео­рия С. – раз­дел не­ли­ней­ной ди­на­ми­ки не­рав­но­вес­ных сред – ос­но­ва­на на не­боль­шом чис­ле ба­зо­вых мо­де­лей. Про­стей­ший про­цесс ус­та­нов­ле­ния ста­тич. струк­тур ти­па ре­шё­ток, ло­ка­ли­зо­ван­ных струк­тур (де­фек­ты, дис­ло­ка­ции, час­ти­це­по­доб­ные струк­ту­ры, рис. 1) опи­сы­ва­ет­ся т. н. гра­ди­ент­ны­ми мо­де­ля­ми. Их осн. осо­бен­ность в том, что су­ще­ст­ву­ет т. н. функ­цио­нал сво­бод­ной энер­гии, ко­то­рый в про­цес­се эво­лю­ции сис­те­мы мо­жет толь­ко убы­вать, дос­ти­гая при вре­мени t→∞ ми­ни­му­ма, со­от­вет­ст­вую­ще­го пре­дель­но­му ста­тич. со­стоя­нию. Чис­ло та­ких ми­ни­му­мов, от­ве­чаю­щих струк­ту­рам разл. ти­па, ве­ли­ко (муль­ти­ста­биль­ность); в не­ог­ра­нич. сре­дах их мо­жет быть бес­ко­неч­ное мно­же­ст­во.

Рис. 2. Спиральные волны в двумерном химическом реакторе.

Кро­ме ста­тич. струк­тур, во мно­гих экс­пе­ри­мен­тах мо­гут ус­та­нав­ли­вать­ся ди­на­ми­че­ские: вра­щаю­щие­ся струк­ту­ры [напр., спи­раль­ные вол­ны в дву­мер­ном хи­мич. ре­ак­то­ре (рис. 2), в ко­то­ром про­те­ка­ет ав­то­ка­та­ли­тич. ре­ак­ция ти­па реакции Бе­ло­усо­ва – Жа­бо­тин­ско­го]; ре­шёт­ки, пе­рио­ди­че­ски ме­няю­щие свою сим­мет­рию, и др.

Про­цесс са­мо­за­ро­ж­де­ния упо­ря­до­чен­ных струк­тур из на­чаль­но не­упо­ря­до­чен­но­го со­стоя­ния пред­став­ля­ет со­бой по­сле­до­ват. воз­ник­но­ве­ние эле­мен­тар­ных ре­гу­ляр­ных воз­бу­ж­де­ний разл. мас­шта­бов, ре­зуль­тат взаи­мо­дей­ст­вия ко­то­рых ме­ж­ду со­бой и есть про­цесс са­мо­ор­га­ни­за­ции.

Час­то про­цес­сы С. про­ти­во­пос­тав­ля­ют­ся про­цес­су хао­ти­за­ции (тур­бу­ли­за­ции) не­рав­но­вес­ной сре­ды. Од­на­ко про­цес­сы раз­ви­тия ре­гу­ляр­ных струк­тур и раз­ви­тия тур­бу­лент­но­сти (про­стран­ст­вен­но-вре­менно́го бес­по­ряд­ка) име­ют мно­го об­ще­го. Для них наи­бо­лее ха­рак­тер­но во­вле­че­ние в про­цесс всё но­вых воз­бу­ж­де­ний не­рав­но­вес­ной сре­ды. Но в слу­чае С. эти воз­бу­ж­де­ния син­хро­ни­зо­ва­ны друг с дру­гом, а в слу­чае тур­булент­но­сти взаи­мо­дей­ст­вие эле­мен­тар­ных воз­бу­ж­де­ний ро­ж­да­ет слу­чай­ность.

Па­ра­мет­ры не­рав­но­вес­ной сре­ды мо­гут иметь и про­ме­жу­точ­ные со­стоя­ния, ко­то­рые нель­зя от­не­сти ни к пол­ной С., ни к раз­ви­той тур­бу­лент­но­сти. Та­кие со­стоя­ния на­зы­ва­ют про­стран­ст­вен­но-вре­менны́м хао­сом.