Самоорганизация в физике на примере тепловой конвекции. Представим себе слой жидкости например, воды между двумя горизонтальными параллельными плоскостями, латеральные размеры которых значительно превосходят толщину слоя. Предоставленная самой себе, жидкость быстро устремится к однородному состоянию, в котором, выражаясь языком статистики, все ее части будут тождественны между собой.
Соответственно, чтобы знать состояние всех таких частей, достаточно знать состояние одной из них независимо от их формы и размера.
Чтобы изменить характеристики системы начнем нагревать жидкого слоя снизу. Все дальше отклоняя систему от равновесия путем увеличения температуры, мы увидим, что внезапно, при некотором значении температуры, объем вещества приходит в движение. Более того, это движение далеко не случайное жидкость структурируется в виде небольших ячеек, называемых ячейками Бенара. Это - режим тепловой конвекции. Вследствие теплового расширения жидкость расслаивается, причем часть жидкости, находящаяся ближе к нижней плоскости, характеризуется пониженной плотностью по сравнению с верхними слоями.
Это приводит к градиенту плотности, направленному противоположно силе тяжести. Легко понять, что такая конфигурация потенциально неустойчива. Рассмотрим, например, малый объем жидкости вблизи нижней плоскости. Вообразим теперь, что этот элемент объема немного смещается вверх вследствие возмущения. Находясь теперь в более холодной и, следовательно, в более плотной области, этот элемент будет испытывать направленную вверх архимедову силу, которая будет стремиться усилить восходящее движение С другой стороны, если находящаяся вначале у верхней плоскости малая капля смещается вниз, то она проникнет в область пониженной плотности, и архимедова сила будет ускорять нисходящее движение.
Поэтому в принципе ясно, что в жидкости могут возникать восходящие и нисходящие потоки, как это и наблюдается в эксперименте. По-видимому, наиболее примечательной чертой, которую следует отметить в таком внезапном переходе от простого поведения к сложному, являются упорядоченность и согласованность системы.
Когда температура была ниже критического значения, однородность жидкости в горизонтальном направлении делала независимыми друг от друга различные ее части. Так, любые два одинаковых объема можно было бы поменять местами без каких-либо последствий. Напротив, выше порогового значения все происходит так, как если бы каждый элемент объема следил за поведением своих соседей и учитывал его с тем, чтобы играть нужную роль в общем процессе.
Такая картина предполагает наличие корреляций, т. е. статистически воспроизводимых соотношений между удаленными частями системы. Характерные размеры ячеек Бенара в обычных лабораторных условиях находятся в миллиметровом диапазоне 101 см, в то время как характерный пространственный масштаб межмолекулярных сил приходится на ангстремный диапазон 108 см. Иначе говоря, отдельная ячейка Бенара содержит что-то около 1021 молекул. Тот факт, что такое огромное число частиц может демонстрировать когерентное поведение, несмотря на случайное тепловое движение каждой из частиц, является одним из основных свойств, характеризующих возникновение сложного поведения.
Однако этим не исчерпывается все то удивительное, что связано с ячейками Бенара. С одной стороны, такой эксперимент характеризуется идеальной воспроизводимостью, поскольку при одних и тех же условиях превышение некоторого критического значения всегда приводит к возникновению конвекционной картины.
С другой же стороны, как видно из рис. 1, вещество структурируется в ячейки с попеременно право- и левовращательным движением. Однажды установившись, направление вращения в дальнейшем сохраняется. Как только температура превышает критическую появляется ячеистая структура течения. Таким образом, это явление подвержено строгому детерминизму. Напротив, направление вращения в ячейках непредсказуемо и неуправляемо. Лишь случай в виде тех или иных возмущений, доминирующих в момент проведения эксперимента, решает, каким будет вращение в данной ячейке право- или левовращательным. Таким образом, можно прийти к удивительному сотрудничеству между случайностью и определенностью, наводящему на мысли об аналогичном дуализме, известном в биологии со времен Дарвина мутация естественный отбор.
В области физики такой дуализм до сих пор наблюдался лишь при квантовомеханическом описании микроскопических явлений.