Libmonster ID: UA-2082

Автор: Георгий МАЛИНЕЦКИЙ, Галина ЗМИЕВСКАЯ

Доктор физико-математических наук Георгий МАЛИНЕЦКИЙ, кандидат физико-математических наук Галина ЗМИЕВСКАЯ, Институт прикладной математики им. М. В. Келдыша (ИПМ) РАН

Во многих природных явлениях или областях науки наблюдают общие закономерности, рассмотрение которых порождает междисциплинарные направления исследований. Так в середине XX в. появилась кибернетика, а три с небольшим десятилетия назад - синергетика (теория самоорганизации). Сам термин, ныне общепринятый, принадлежит немецкому ученому Герману Хакену, исследующему закономерности физических, химических, биологических и других явлений.

Самоорганизацией называют возникновение (без специальных внешних воздействий) упорядоченных структур и форм движения из первоначально случайных, нерегулируемых. Причем система, где это происходит, как целое приобретает свойства, отсутствующие у ее частей. Примеры таких процессов в природе - образование волнового рельефа песка при дующем с постоянной скоростью ветре, в организме людей (связанном с внешней средой в первую очередь биохимическим обменом) - формирование различных регулярных движений, в том числе ритмических сокращений мышц сердца. Разумеется, подобные явления, нелинейные по своей природе*, характеризуются большим числом тесно взаимодействующих независимых параметров и всегда обусловлены поступлением энергии извне.

При каких же условиях из хаоса может возникнуть порядок - движение, наделенное пространственной структурой и регулярной временной последовательностью? Кстати, напомним: слово "хаос" пришло к нам из древнегреческой мифологии, где означало первобытную беспредельную, но обладающую некой организованностью массу, из которой возникло все сущее. Позже его стали применять к действиям, событиям, расположению предметов и их частей, не подчиняющимся какой-либо схеме, не имеющим определенных форм.

Динамический хаос - это своеобразная случайность движений, невозможность их долговременного про-


* См.: О. Л. Кузнецов и др. Нелинейная геофизика. - Наука в России, 2005, N 6 (прим. ред.).

стр. 18


гноза. Одно из условий развития самоорганизации (маловероятной с точки зрения статистической механики) в некой системе - в начальный момент она должна быть сильно неравновесной, т.е. далекой от состояния термодинамического равновесия*, или постоянно отклоняться от него внешними силами. Скажем, неупорядоченная смесь химических элементов, эквивалентная в количественном отношении составу человеческого организма, - во много миллиардов раз более вероятное состояние, чем он сам. Тем не менее последний - самоорганизующийся, как показано выше, "набор" веществ - существует, пребывает в кинетическом равновесии с окружающей средой и порождает себе подобных.

Другой пример самоорганизации - красочные природные явления, называемые северными сияниями**. Прямым наблюдением нетрудно различить медленно перестраивающиеся регулярные слоистые структуры - "ярусы" с различной ионизацией газа, сформировавшиеся в ионосфере при "высыпании" в нее электронов солнечного ветра. Именно их потоки, сталкивающиеся с нейтральными атомами и ионизующие их, создают и поддерживают сильно неравновесную систему - словом, происходит сложное интенсивное взаимодействие огромного числа частиц.

Как описать случаи самоорганизации, в которых удалось разобраться (с учетом того, что события развиваются во времени и пространстве)? Для этого создают математические модели. Рассмотрим, например, открытую в нашей стране в 1950 г. реакцию Белоусова-Жаботинского - взаимодействие веществ, порождающее долго поддерживающийся колебательный процесс. В сосуде, где он протекает, смесь реагентов поочередно становится то красной, то синей с четкой периодичностью во времени, а затем образуются устойчивые слои тех же цветов. Значит, хаотически движущиеся атомы и молекулы являются участниками согласованных преобразований, развивающихся, вероятно, очень быстро и охватывающих великое множество элементов среды, обеспечивая единое коллективное движение.

Отечественные и зарубежные ученые предлагали различные схемы описания указанной реакции. Наиболее адекватную разработали бельгийские специалисты школы одного из основоположников синергетики Ильи Пригожина (лауреат Нобелевской премии 1977 г., иностранный член АН СССР с 1982 г.). А в 90-х годах в Институте органической химии Уфимского научного центра РАН построили упрощенные модели данного процесса, показавшие его нелинейность: увеличение или уменьшение всего лишь на миллионные доли процента некоторых его констант может радикально изменить тип наблюдаемого режима.

Интересно, что открытия мировой наукой многих аналогичных явлений родились в гуще разработок научных, технических, военных проектов. Сюда относятся прогнозы погоды, расчеты обтекания воздухом автомобилей, самолетов, ракет, траекторий полетов космических аппаратов, в том числе управляемых роботами, с посадкой на Луне и Марсе, химических реакций в атомных и водородных бомбах, ядерных реакторах, исследование физики плазмы, а также многочисленные экономические, биологические, медицинские, социальные, экологические модели.

Параллельно с зарубежными наши ученые развивали теорию диссипативных (устойчивых, стабильных) структур, достигли важных результатов в понимании и практическом использовании механизмов самоорганизации. Более того, они обнаружили парадоксальные физические явления и сформулировали неожиданные закономерности нелинейных процессов благодаря появлению электронно-вычислительной техники. Лидером ее применения в передовых отраслях науки в СССР стал наш институт. Именно тут в 70-х годах на мощном "фундаменте", заложенном при решении оборонных задач, развивали нелинейный анализ и методы его приложения. Синергетика и вычис-


* Термодинамическое равновесие - равенство температуры, давления и других параметров всех частей системы (прим. ред.).

** См.: Л. Л. Лазутин. Полярные сияния. - Наука в России, 2001, N 4 (прим. ред.).

стр. 19


Полярное сияние.

лительный эксперимент нашли место в теории горения и взрыва, термоядерной энергетике* и т.д.

Отечественные исследования в этой области внесли заметный вклад в мировую науку и получили продолжение. Так, специалисты ИПМ совместно с коллегами из Института теоретической и прикладной механики СО АН СССР в начале 70-х годов открыли эффект самоподдерживающегося высокотемпературного слоя - локализованной в массе низкотемпературной плазмы "теплой" области, взаимодействующей с магнитным полем. Условия и механизмы возникновения такой структуры установили путем расчетов и теоретического анализа соответствующих моделей, хотя обнаружили ее в натурном эксперименте лишь через несколько лет. Использование данного эффекта позволило нашим ученым создать опытные магнитно-гидродинамические генераторы с довольно высоким КПД, превращающие энергию потока плазмы в электрический ток, а также предложить нетрадиционное объяснение природы солнечных вспышек и сопровождающих их явлений.

Следует отметить: в указанной локализации тепла важную роль играют диффузия, вязкость, теплопроводность и т.д. Разумеется, их значение в окружающей среде и жизни человека велико: без трения мы не могли бы ходить пешком, без вязкости - плыть на весельной лодке. Однако представление о том, что эти свойства сред, уничтожающие порядок в простейших линейных процессах, могут стать "архитекторами упорядоченности" в нелинейных, до сих пор кажется парадоксальным. Между тем модель локализации тепла - базовая для целого класса различных явлений, причем не просто их объясняет, а имеет широкий философский смысл для понимания всей природы мироздания.

Постановка таких задач в нашей стране связана с деятельностью возглавлявшего ИПМ с 1989 по 1999 г. члена-корреспондента РАН Сергея Курдюмова (1928- 2004), благодаря интуиции, таланту, высокому гуманизму и активной просветительской работе ставшего одним из основоположников синергетики. В частности, в 1976 г. он предложил ныне хорошо известную модель тепловых структур (формирования в процессе горения при неких условиях локальной зоны, зависящей только от параметров среды). На этой основе его коллеги и ученики создали теорию режимов с обострением - сценариев изменений исследуемых величин, когда одна из них за определенное время обращается в бесконечность в отдельных точках или области пространства. Такой подход позволяет описать процессы термоядерного горения плазмы, динамики свертываемости крови, быстрого увеличения потребления земных ресурсов, роста народонаселения нашей планеты.

Творческие поиски российских специалистов в данном направлении продолжаются. Например, в настоящее время научная школа Курдюмова развертывает масштабные и многообещающие приложения синергетики: теорию рисков** (изучение природных и социальных систем с вычленением их критических состояний, которым присуща склонность к катастрофам), нанотехнологии, альтернативную историю (развитие событий при параметрах, отличных от существовавших в действительности), стратегическое планирование и многие другие.

Известные ныне формы самоорганизации разнообразны. Среди них заметное место занимает установление упорядоченности движения частиц в плазме (ионизированном газе с равной концентрацией положительных и отрицательных зарядов) как воссоздаваемой в лабораторных установках, так и наблюдаемой в природе (короны звезд, ионосферы планет, межзвездное вещество). Данный процесс обусловлен превращением поступающей извне энергии в тепло; при этом группы волн и частиц интенсивно взаимодействуют на большом пространстве, что и определяет вероятность формирования в плазме устойчивых крупномасштабных структур. Причем как объект нелинейных исследований она очень привлекательна, поскольку в большинстве случаев (в отличие от твердых тел и жидкостей) поддается описанию строго выведенными кинетическими уравнениями: задав начальные и граничные условия, решают конкретную задачу численно.

Понимание указанных механизмов приводит к принципиально новым возможностям контроля раз-


* См.: В. А. Глухих и др. На пороге термоядерной эры. - Наука в России, 2003, N 3 (прим. ред.).

** См.: Г. Г. Малинецкий и др. Национальная система научного мониторинга. - Наука в России, 2005, N 2 (прим. ред.).

стр. 20


Формирование структур типа когерентных волновых пакетов в электронном пучке (а) и фоновой плазме (b). Расчет проведен с учетом подвижности ионов.

стр. 21


вития турбулентности и нагрева плазмы, важных для управляемого термоядерного синтеза, с которым связывают перспективы мировой энергетики. Не менее значимы измерения потоков ионизированного газа в космическом пространстве, в том числе возможность проведения там активных экспериментов.

Необходимо отметить: синергетические свойства плазмы обнаружили именно в нашем институте. Пионерские работы здесь выполнили доктор физико-математических наук Юрий Сигов (1934 - 1999) и его ученики, встав на путь кинетического вычислительного эксперимента - выявления мгновенных значений скоростей ионов и электронов. Еще в начале 60-х годов они сделали расчеты, ставшие поистине шагом в будущее, в том числе предсказали: когда заряженное тело движется со сверхзвуковой скоростью в разреженной плазме, вслед за ним в последней возникает стоячая ионно-звуковая волна. А через несколько лет данный эффект подтвердили зарубежные и отечественные измерения в космосе.

Практика показала и правильность выводов Сигова, связанных с различными аспектами самоорганизации и диссипации (перераспределения энергии частиц) в плазме, в частности образования когерентных (согласованных во времени) пакетов ("сгустков") волн* в соответствующих системах. Кроме того, сотрудники нашего института создали и реализовали в середине 1990-х годов первую в мире объектно-ориентированную модель плазмы и с ее помощью достигли значительного прогресса в вычислительном эксперименте.

Особое место среди работ Сигова и его школы занимает изучение явлений, сопровождающих внедрение в плазму электронного пучка, в частности критериев ее корреляционной** неустойчивости. Исследования привели к еще одному важному достижению: квазилинейная теория*** не применима для описания открытых лабораторных и натурных систем, начиная с солнечного ветра и заканчивая ионизированным газом в устройствах термоядерного синтеза.

Подчеркнем: работы в этом направлении начались задолго до сегодняшнего интереса к синергетике. Скажем, первая публикация, посвященная критерию корреляционной неустойчивости в умеренно турбулентной (с неупорядоченными движениями частиц) плазме, Юрия Сигова и Александра Бакая (ныне доктор физико-математических наук, работает на Украине) появилась в журнале "Доклады Академии наук" в 1977 г., но и сейчас данные результаты по-прежнему актуальны и значимы.

Сегодня передний край синергетики - привлекшие в последние годы внимание гео- и астрофизиков параметры космической плазмы, превосходящие теоретически возможные, ее аномальный перенос (движения микрочастиц), электростатические волновые пакеты (по-видимому, сформированные электронными пучками), обнаруженные в солнечных вспышках, солнечном ветре, приполярных областях и "хвостах" магнитосфер планет.

С 2002 г. по инициативе коллектива специалистов из разных научных учреждений в московском издательстве "Едиторал УРСС" выходит серия книг "Синергетика - от прошлого к будущему"****, сейчас уже издано 20 общим тиражом 40 тыс. экземпляров. А в минувшем году в нашем институте прошла школа молодых ученых "Будущее прикладной математики", где активно обсуждали идеи, которые много лет развивали Курдюмов и Сигов. Надежды "первопроходцев" новой отрасли знаний, мечтавших об ее развитии новым поколением исследователей, обретают реальные черты.

Иллюстрации предоставлены авторами


* Волновой пакет распространяется в поле волны, занимающем конечную область пространства в каждый момент времени, может быть разложен на плоские волны с одинаковым диапазоном частот (прим. ред.).

** Корреляция - взаимосвязь, взаимозависимость, соотношения предметов и понятий (прим. ред.).

*** Квазилинейная теория - методы изучения слаботурбулентных состояний плазмы, т.е. с широким диапазоном волн пульсации и невысокой энергией (прим. ред.).

**** См.: С. П. Курдюмов. Книга природы написана асимптотически. - Наука в России, 2005, N 1 (прим. ред.).


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Проблемы-Поиск-Решения-СИНЕРГЕТИКА-В-РОССИИ-ПУТИ-РАЗВИТИЯ

Similar publications: LRussia LWorld Y G


Publisher:

Иван МилютинContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/SkyJack

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

Проблемы. Поиск. Решения. СИНЕРГЕТИКА В РОССИИ: ПУТИ РАЗВИТИЯ // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 29.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/Проблемы-Поиск-Решения-СИНЕРГЕТИКА-В-РОССИИ-ПУТИ-РАЗВИТИЯ (date of access: 29.11.2021).


Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
Иван Милютин
Харьков, Ukraine
758 views rating
29.06.2014 (2711 days ago)
0 subscribers
Rating
0 votes
Related Articles
Запрещает ли PayPal азартные игры?
Catalog: Экономика 
19 hours ago · From Україна Онлайн
IN THE INTERESTS OF ENERGY STABILITY
5 days ago · From Україна Онлайн
Аварии на топливе Westinghouse случались и ранее, начиная с 1979 года, когда произошла крупнейшая в истории США авария на АЭС Три-Майл-Айленд, в результате которой зафиксировано расплавление 50% активной зоны реактора. Далее Westinghouse делала попытки торговать с Чехией, однако опасные эксперименты по замене оригинального топлива окончились досрочной его выгрузкой из 1-го энергоблока АЭС Темелин в январе 2007 года, по причине его сильной деформации. Вышедшие из строя вэстингхаусовские тепловыводящие сборки на 3-м энергоблоке Южно-Украинской АЭС были в экстренном порядке заменены на стандартные ТВЭЛовские.
Catalog: Экология 
6 days ago · From Naina Kravetz
HISTORY OF ROADS AND GROUND TRANSPORT ACCORDING TO ARCHEOLOGICAL DATA
Catalog: История 
8 days ago · From Україна Онлайн
BASIC UNIT FOR THE AMERICAN ACCELERATOR
9 days ago · From Україна Онлайн
TRANSITION TO CONTROLLED EVOLUTION OF THE BIOSPHERE
Catalog: Биология 
9 days ago · From Україна Онлайн
DEVONIAN PALEOSOILS OF THE ANDOMA MOUNTAIN
9 days ago · From Україна Онлайн
Безопасно ли брать кредит в Интернете?
Catalog: Экономика 
10 days ago · From Україна Онлайн
Знакомьтесь! Google: Платформа для маркетинга
10 days ago · From Україна Онлайн
Как узнать актуальный курс валют на сегодня?
Catalog: Экономика 
10 days ago · From Україна Онлайн

Actual publications:

Latest ARTICLES:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
Проблемы. Поиск. Решения. СИНЕРГЕТИКА В РОССИИ: ПУТИ РАЗВИТИЯ
 

Contacts
Watch out for new publications: News only: Chat for Authors:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2021, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones