Синергетика — междисциплинарная наука, объясняющая образование и самоорганизацию закономерностей и структур в открытых системах, далеких от термодинамического равновесия . Ее основал Герман Хакен , вдохновленный теорией лазера . Интерпретация Хакеном принципов лазера как самоорганизации неравновесных систем открыла в конце 1960-х годов путь к развитию синергетики. Одна из его успешных популярных книг — Erfolgsgeheimnisse der Natur , переведенная на английский язык как «Наука о структуре: синергетика» . [1]
Для самоорганизации необходима « макроскопическая » система , состоящая из множества нелинейно взаимодействующих подсистем. В зависимости от внешних параметров управления (окружающая среда, потоки энергии ) происходит самоорганизация.
Важным в синергетике является понятие параметра порядка, которое первоначально было введено в теорию Гинзбурга-Ландау для описания фазовых переходов в термодинамике . Понятие параметра порядка Хакен обобщает до «принципа порабощения», утверждая, что динамика быстро релаксирующих (стабильных) режимов полностью определяется «медленной» динамикой, как правило, лишь нескольких «параметров порядка». (неустойчивые режимы). Параметры порядка можно интерпретировать как амплитуды неустойчивых мод, определяющих макроскопическую картину.
Как следствие, самоорганизация означает огромное уменьшение степеней свободы (энтропии) системы, что макроскопически обнаруживает увеличение « порядка » (формирование паттернов). Этот далеко идущий макроскопический порядок не зависит от деталей микроскопических взаимодействий подсистем. Это предположительно объясняет самоорганизацию закономерностей во многих различных системах физики , химии и биологии.
[...] статистические свойства лазерного света качественно изменяются на лазерном пороге. Ниже порога лазерного шума шум увеличивается все больше и больше, а выше порога он снова уменьшается. [...] Ниже лазерного порога свет состоит из отдельных волновых дорожек, которые излучаются отдельными атомами независимо друг от друга. Выше порога лазера образуется практически бесконечно длинный волновой трек. Чтобы соприкоснуться с другими процессами самоорганизации, интерпретируем процессы в лампе или лазере с помощью модели атома Бора . Лампа излучает свет таким образом, что возбужденные электроны атомов совершают переходы с внешней орбиты на внутреннюю совершенно независимо друг от друга. С другой стороны, свойства лазерного света можно понять, только если предположить, что переходы отдельных электронов происходят коррелированным образом . [...] Выше порога лазера когерентное поле растет все больше и больше и может подчинять степени свободы дипольных моментов и инверсии. В рамках синергетики оказалось, что это вполне типичное уравнение, описывающее эффекты самоорганизации. [...] Это уравнение говорит нам, что амплитуда диполей, которая пропорциональна A, мгновенно определяется амплитудой поля B (t) (и флуктуирующей силой). Вероятно, это простейший пример принципа, оказавшегося фундаментальным в синергетике и получившего название принципа подчинения.
- Свет: вып. 2; Динамика лазерного света , глава 13. [2]