АННОТАЦИЯ
Новой областью применения синергетики стала механика горных пород на больших глубинах, где начинает проявляться самопроизвольное разрушение краевой части горного массива. Альтернативный механизм начинает преобладать на больших глубинах, т.е. ниже границы зоны газового выветривания, где становится возможным саморазрушение краевой части угольного пласта. Система "горный массив - выработка (полость)" - открытая система и, на больших глубинах, может быть сильно удалена от своего механического равновесия. Образование зоны отжима в краевой части угольного пласта, нами интерпретируется как образование диссипативных структур.
ABSTRACT
Rock mechanics in depth where spontaneous failure of rockmass end part occurs is a new area of application of synergetics. The alternative mechanism starts to lay the major role at big depth, i.e. below the gas erosion zone, where coal seam edge self-destruction may occur. The "rock mass - opening (cavity)" is an open system that may be far from mechanical equilibrium at big depth. Arising of a slip area in the coal seam edge is interpreted as generation of dissipative structures.

Термодинамика написана для закрытых систем, которых в природе не существует. Синергетике нужна другая термодинамика основанная не на законах сохранения, а на балансе втекающих и вытекающих потоков энергий (балансе стоков и истоков)". Альтернативная термодинамика создается наукой о самоорганизации в неживой природе. Похоже, это происходит помимо воли творцов, т.е. первоначально цель у всех была другая. На сегодняшний день автору представляется, что есть некая общая синергетика Г.Хакена и специальная синергетика И.Пригожина и С.П.Курдюмова. А между ними, образно говоря, путаница в умах специалистов, которую пытался "разрулить" А.П.Руденко. На принципах самоорганизации, выявленных им в области эволюционного катализа он объяснял чем отличается самоорганизация от организации в любых других областях науки. Кому-то в работе очень мешает принцип минимума производства энтропии (например, уважаемому мною Мартюшеву Л.М., 2001г. о чем он говорил в докладе [1]), а кому-то, в том числе и автору этой статьи, принцип максимума производства энтропии. Знание второго начала термодинамики не способствует восприятию альтернативных представлений его оппонентами. Конца дискуссии на тему синкретики - "самоорганизация и(или) синергетика" пока не видно.

ФРАКТАЛЫ, ПРИКЛАДНАЯ СИНЕРГЕТИКА, БИФУРКАЦИИ И КЛЕТОЧНЫЕ АВТОМАТЫ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ВЗРЫВОПОДОБНОГО САМОРАЗЛОЖЕНИЯ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ [2]

Предлагается обсудить необходимость и обязательность одновременного использования перечисленных в заглавии дисциплин при изучении некоторых исключительных объектов, например, самоорганизации дефектов при их образовании в геоматериале в режиме с обострением, что становится возможным на больших глубинах в системе «горный массив - выработка», сильно удаленной от ископаемого механического равновесия. Без этого (при исследовании по частям, например, с точки зрения только теории фрактальных множеств или любой из перечисленных в заглавии дисциплин) не удается воссоздать полностью картину механизма явления и такие односторонние исследования, адекватные в частностях, но не адекватные явлению в целом, не могут быть эффективными для эволюционирующих систем. Имеются ввиду конкретные процессы, так называемые в геомеханике, динамические (ДЯ) и газодинамические (ГДЯ) явления.
Наиболее полным (у которого все состоялось) явлением из всех ДЯ и ГДЯ является выброс породы и газа или выброс твердого полезного ископаемого и газа, например, выброс угля и газа (рис. 1).

Рис. 1. Шахта им.Ю.А.Гагарина, Донбасс, Украина: а - вид с поверхности земли (план горных работ); б - вид с боку (в сечении); 1,2 - горизонтальные горные выработки (типа метротоннеля) на глубине 710м от земной поверхности; - условное обозначение места выброса.

На схеме изображено то, что наблюдалось после крупнейшего в мире выброса угля (14,5 тыс.тонн) и газа метана (250 тыс.м³) при вскрытии (пересечении) горизонтальной горной выработкой 15.07.1969г. угольного пласта мощностью (толщиной) всего лишь 1м. Выработки были заполнены сильно измельченным угольным веществом более чем на пол километра от места выброса. Частота выбросов, в связи с углублением горных работ увеличивается, что сдерживает темпы добычи и усугубляет безопасность ведения горных работ.
Все физические процессы в краевой части угольного пласта обусловлены процессом трещинообразования (саморазрушения) и нами сводятся к одному процессу - к фазовому самопроизвольному переходу краевой части горного массива в псевдоагрегатное состояние «разупрочненный массив (массив с трещинами, наведенными поверхностью обнажения, т.е. трещинами техногенно-антропогенного происхождения)», а в случае режима с обострением, например, при выбросе угля и газа, к фазовому переходу из «ненарушенного трещинами» состояния сразу в «газоугольный поток». Свободного метана в угле практически нет, а предполагается, что он находится в связанном состоянии. Традиционная горная наука считает, что метан, необходимый для выброса, может выделяться в результате термодинамического разложения твердого углегазового раствора (ТУГРа), но не может объяснить как это может произойти мгновенно, при этом в условиях отсутствия проницаемости угольных пластов в режиме фильтрации и многое другое. Наш альтернативный подход является синергетическим. Количества метана, регистрируемые в горных выработках, генерируются (рождаются) на острие растущей трещины. Так как на глубинах, где начинает проявляться саморазрушение, ископаемые угольные пласты изначально газонепроницаемы, то газовая проницаемость у пласта появляется в результате прорастания техногенно-антропогенных трещин саморазрушения (трещин, наведенных поверхностью обнажения), то есть одновременно с генерацией дополнительных объемов метана. При этом между массивом угля и горной выработкой идет непрерывный обмен потоками механической энергии, равенство которых обуславливает механическое (не термодинамическое) равновесие системы в целом.
«Воздействие» на пласт, при вскрытии его горной выработкой является воздействием со знаком минус, т.е. созданием условий для мгновенного расширения пласта и взрывоподобного высвобождения накопленной им энергии упруго сжатого тела. Создание горной выработки вызывает смещение равновесия в сторону выработанного пространства, а, следовательно, и возрастание соответственно направленного потока («ветра») механической энергии в выработку. Достигнув критической плотности на единицу площади обнаженной поверхности («расхода»), поток вызывает скачкообразную перестройку (ломку) ископаемой структуры в краевой части массива в структуру, имеющую более энергетически выгодное состояние, в данном случае - разупрочненное (содержащее трещины). Слабое воздействие (разбаланс равновесия) вызывает слабую реакцию горного массива, например в виде небольшой трещины. Сильное воздействие вызывает сильную реакцию, например, в виде горного удара или выброса угля и газа. Горный удар - это не состоявшийся выброс, из-за отсутствия выделения газа во время роста системы трещин, а, следовательно, из-за отсутствия носителя продуктов разрушения.
Механизм выброса угля и газа состоит из 2-х основных частей: 1) разупрочнения под действием горного давления, а затем и газового и 2) разрушения разупрочненной области под действием газового давления или давления веса разупрочненного угля на крутопадающих пластах (близких к вертикальному залеганию) или того и другого совместно. И другого возможного давления, например при выполнении технологических операций - давления жидкости при гидровымыве полости, давления воздуха при продувке во время бурения шпуров и т.п. Инициатором является первая часть процесса, а затем обе части процесса протекают одновременно. Измельчение угольного вещества до супермилонитов и выделение больших количеств газа происходит в результате того же процесса (части процессового фрактала), но протекающего на мезо-, микроуровне (рис. 2).

Рис. 2.

Самоорганизация и коллективное поведение в механизме саморазложения твердого углеводородного раствора (ТУВРа) проявляется практически во всем, при этом фрактально (самоподобно) на всех масштабных уровнях (см. рис. 2). Например, в механизме появления диффузионной свехпроницаемости, когда дефекты разворачиваются вдоль силовых линий поля напряжений. При этом механизмы на всех масштабных уровнях фрактально подобны. Например «схлопывание» нормальных к силовым линиям трещин и раскрытие параллельных силовым линиям на макроуровне и разворот мезодефектов и дислокаций вдоль силовых линий на микроуровне. При этом, переход типа «порядок- беспорядок» происходит обязательно скачкообразно, одновременно всех дефектов, в некоторой локальной области. Под термином «порядок- беспорядок» понимаются оба направления фазового перехода, т.е. и «беспорядок-порядок», так как для хрупкого разрушения – это понятие субъективное. Например, если рассматривать трещинообразование как образование упорядоченных структур, то получается переход от хаоса к порядку. В то же время всякое разрушение традиционно ассоциируется с дезинтеграцией, т.е. с переходом к хаосу.
Коллективное поведение растянутой «шеренги» из углерода, при внедрении в нее молекулы метана, подобно растягиваемой шеренге людей взявшихся между собой за руки, которые конечно испытают облегчение, если кто-нибудь станет в эту шеренгу еще. Эстафетный механизм неразрушающего транспорта молекул метана по газонепроницаемому угольному веществу возможен и подобен переталкиванию бильярдных шаров при прохождении упругой волны, которую для общего случая можно называть «волной свойств». Если мы, например, в ванне наполненной до краев водой, шлепнем ладонью руки на одном конце ванны, то вода на другом конце выплеснется на пол. Это не означает, что объем воды из под ладони переместился на пол. По воде прошла волна свойств и сгенерировала объем воды выплеснувшийся на пол. При использовании междисциплинарных аналогий часто приходится абстрагироваться и называть такой подход синергетическим. Упругую или ударную волну тоже можно назвать «волной свойств». Например, под действием потока («ветра») механической энергии вдоль его силовых линий генерируется волна свойств, которая вызывает «переталкивание бильярдных шаров». Особенно это актуально для микроуровня, так как, что есть такое ударная волна на атомарном уровне – философский вопрос. В зависимости от массштабного уровня, т.е. молекул метана (молекулярного) или атомов водорода (атомарного), частички «сплошной среды», подобно воде в ванне, сваливаются в пору (дефект). В последнем случае, захватив с собой углерод, образуют молекулу метана (рис. 3). Процесс генерации газа, в зависимости от интенсивности волны свойств, протекает на одном или нескольких сразу масштабных уровнях, при этом обязательно согласованно. Хотя все эти положения альтернативного подхода были разработаны давно, из-за отсутствия знаний об устройстве процессового фрактала они не могут быть систематизированы.

Рис. 3.

Синергетических и фрактальных представлений о рассматриваемом процессе не достаточно для количественных оценок, хотя они и позволили совершить прорыв на уровне феноменологии. Все выше и ниже написанное является, уже более 20 лет, абсолютно новым для геомеханики и пока ею не воспринимаемым. Авторы не могут конкретно ответить когда и где, например, действует волна свойств и неразрушающий транспорт молекул метана, а когда и где эффект диффузионной сверхпроницаемости, а когда наступает генерация на острие растущей трещины и т.д. и т.п. Ключ к решению проблемы видится нам только в мягком моделировании, которое может стать возможным только при условии привлечения теории бифуркаций. Согласно ее представлений, процесс разупрочнения и разрушения может быть составлен из большого числа одинаковых элементарных актов, подчиняющихся единому алгоритму и, следовательно, может быть реализован на машине клеточных автоматов. А там уже можно ожидать и количественные оценки, и визуализацию всего процессового фрактала, и визуализацию траекторий его эволюции, и многое другое.
До вскрытия горной выработкой угольный пласт находится практически в равнокомпонентно напряженно-деформированном состоянии. При резком обнажении (вскрытии), образовавшаяся свободная поверхность восстанавливает потерянное равновесие путем упругого деформирования в сторону выработки. При этом смещение поверхности забоя (поверхности обнажения) достигает критической величины и происходит скачкообразное (рис. 4)

Рис. 4.

прорастание первичной магистральной трещины. Она является зародышем выброса и при дальнейшем росте и ветвлении играет роль канала для проникновения газоугольного потока в горную выработку. Выделяющийся в результате разгрузки, ранее абсорбированный, газ оказывает расклинивающее действие на стенки трещины. В системе появляется локальная положительная обратная связь - выделение газа усиливает процесс трещинообразования. Процесс становится самоподдерживающимся и саморазвивающимся.
Процесс выброса угля и газа (процесс разложения твердого углеводородного раствора под действием потока механической энергии) состоит из большого количества абсолютно одинаковых элементарных актов разрушения. Но ни одному из этих актов, как и следовало ожидать, не присущи свойства, которые появляются у явления при их коллективном поведении. Авторы намерены продолжить описанные исследования путем машинного эксперимента на персональном компьютере. Это кажется становится возможным благодаря бурному развитию рынка программного обеспечения и в частности после выхода 6-й версии среды MatLab. И хотя проблемы выбранного направления известны всем, другого метода исследований сегодня не существует.
Таким образом, эффективное изучение процессовых фракталов (коллективного поведения элементарных объемов твердого раствора и их самоорганизации при продувке потоком энергии), протекающих скачкообразно и состоящих из большого числа одинаковых элементарных актов разрушения, представляется возможным только при использовании одновременно, соответственно 1) теории фрактальных множеств, 2) прикладной синергетики, 3) теории бифуркаций и 4) клеточных автоматов. Только в этом случае можно надеяться на установление уникальных свойств явления, которые нельзя получить путем сложения его отдельных частей. Например, такого свойства как выделение (генерация) веществ, которые не обнаруживаются традиционными методами вещественного и элементного анализа. Предполагаем, что в природных условиях в шахте имеет место быть природная естественная спонтанная реализация новой «методики вещественного анализа», которая пока не используется в лаборатории. Генерация рудничных газов или флюидов и твердой компоненты происходит при образовании ячеистой структуры типа ячеек Бенара (техногенно-антропогенных трещин саморазрушения) - диссипативных структур Ильи Р. Пригожина.

ПРЕДПОЛОЖЕНИЕ О ТОМ, ЧТО СИНЕРГЕТИКА СОСТОИТ КАК МИНИМУМ ИЗ ДВУХ ЧАСТЕЙ [3]

Предлагается обсудить предположение о том, что, наверное, пришло время выделить учение И.Пригожина из неравновесной термодинамики. Вычленить так, как это было сделано с фрактальной геометрией по отношению к евклидовой геометрии. Ведь фракталы существовали всегда, т.е. и до Б.Мальдельброта. Но кривые, которые нельзя продифференцировать, ранее не попадали в поле зрения исследователей. И явление коллективного поведения и самоорганизации в неживой природе тоже существовало всегда, т.е. и до Г.Хакена. Но не было лазеров. Являясь одним из основателей теории лазеров, он обнаружил, что образование внутренних структур в лазере происходит в соответствии с законами, очень напоминающими конкуренцию молекулярных видов, которую описал М.Эйген в своих исследованиях ранней эволюции жизни. Автору не известно, что послужило толчком Р.Тома для создания «теории катастроф», но ясно, что природа не претерпела ни в одном из этих случаев никаких изменений. Все было и раньше. Еще раньше явления объясняли только линейными зависимостями, например, закон Ома, Дарси и т.п. Потом появилась в науке нелинейность и нестационарность и к известным терминам пришлось добавлять частицу «не». Появившиеся в последние десятилетия ушедшего века новые научные дисциплины (теория фрактальных множеств, теория бифуркаций и т.п.) объединяет общее свойство, которое можно выразить словами дискретность, скачкообразность, прерывность функции, квант и др.
Появление квантовой механики должно быть обусловлено теми же тенденциями. «Гладкость» функции – это макросвойство фрактального микромира. Например, и кошка, и собака состоят из одних и тех же микрообъектов, подчиняющихся законам квантовой механики. Это два устойчивых состояния самоорганизации, которые не описываются этими же законами на макроуровне, т.е. обладают новыми свойствами, которых нет ни у одной из частей на микроуровне, их составляющих.
В поле зрения геомеханики попало скачкообразное явление, которое с трудом вписывается в традиционную непрерывную (образно говоря евклидовую) синергетику, но хорошо вписывается в «фрактальную» (прерывную) синергетику. Недифференцируемость кривой, в этом случае, аналогична тому, что функция претерпевает разрыв и дифференцировать становится как бы нечего. Метан в горных выработках это неоспоримый факт и, что взяться ему больше неоткуда в растущей «по живому» техногенной самоорганизующейся трещине саморазрушения, как только генерироваться ею же – тоже факт. Других трещин или источников нет. Следовательно, с увеличением глубины ведения горных работ, пришло время различать: 1) быстро (разрывно) протекающие процессы (рис. 5б и рис. 5в) и 2) процессы медленно текущие (рис. 5а) и связанные с ними все известные шахтные и лабораторные измерения всяких величин (свойств углей). Первые процессы, протекают скачкообразно (мгновенно), в т.ч. и со скоростью звука. Например, рост трещины саморазрушения, вызванный наличием поверхности обнажения, а следовательно, называемой нами «наведенной». Вторые – это раскрывающиеся природные трещины и медленно растущие (подрастающие) «усталостные» трещины.

Рис. 5.

Это внешне очень похожие, как бы одни и те же, процессы хрупкого саморазрушения. Но «быстро текущие» являются самоподдерживающимися, саморазвивающимися, которые пока не удается полностью воспроизвести в лаборатории. Это уже не просто диссипативные структуры (ДС), которых в природе бесконечное множество. Это ДС с самоорганизацией и режимом с обострением, и не важно под действием какого вида энергии. Например, образование ячеек Бенара под действием потока тепловой энергии (рис. 6) или образование отжима в лаве под действием потока механической энергии (см. рис. 5б, 5в).

Рис. 6.

К процессам образования ДС, сопровождающимся скачкообразной самоорганизацией материи, не применим второй закон термодинамики. Он не нарушается, он просто не применим из-за незначительности влияния. ДС с самоорганизацией не может быть «термодинамической ДС», даже если она образуется под действием тепловой энергии. ДС с самоорганизацией может быть только механодинамической структурой (процессом). Время образования ДС с самоорганизацией, как и время протекания процесса образования техногенных трещин саморазрушения, практически равно нулю. За это время температура измениться не может. Приращение энтропии на макроуровне практически равно нулю, т.к. площадь трещин есть бесконечно малая величина по сравнению с простиранием угольного пласта. На микроуровне энтропия вещества в стенках трещины не изменяется. Непосредственно в трещине вещество отсутствует. При этом, на макроуровне наблюдается то, чего не может быть в классической термодинамике. Из «беспорядка» образуется «порядок». Процесс течет с уменьшением энтропии, что для традиционной науки - нонсенс. Кстати, в неравновесной термодинамике (части синергетики) подобных противоречий с классической термодинамикой нет. Плавление и кипение протекает с четко выраженным увеличением энтропии. Чего нельзя сказать о ДС Пригожина, где определение направления перехода («порядок-беспорядок» или «беспорядок-порядок») – это вопрос философский.
Синергетика состоит как минимум из двух фрактально подобных частей: 1) неравновесной термодинамики и 2) диссипативных структур Пригожина типа ячеек Бенара. Это разделение необходимо в первую очередь геомеханике, так называемых, газонасыщенных горных пород. Это необходимо ей, чтобы занять свою особую нишу в геомеханике и избавиться от намеков традиционной горной науки на термодинамическое происхождение ее объекта исследования [4]. В дополнение к сказанному рассмотрим следующее. Например, как поступают обычно с чайником, чтобы жидкость закипела? Ее нагревают. То есть повышают температуру при постоянном давлении. Немного необычным путем можно добиться того же результата - не нагревать жидкость, а уменьшить давление (создать разряжение или, другими словами, приложить вакуум). А можно ли создать ячейки Бенара путем прикладывания вакуума? Можно, но не так просто как первым путем при подводе тепла. И только лишь в поверхностном очень тонком слое. И время их жизни (для жидкости) будет настолько мало, что мы их не успеем зарегистрировать. Поэтому, отвечая на свой вопрос о ячейках Бенара и вакууме, автор склонен считать: «Нет, ячейки не образуются (автору не известны эксперименты с другим результатом)». Отсюда вытекает другой вопрос: «Так почему тогда диссипативные структуры Пригожина относят к неравновесной термодинамике или синергетике»? Эти термины в настоящее время, являются синонимами и, как бы, подразумевается, что диссипативные структуры Пригожина входят в неравновесную термодинамику. То, что это есть синергетика нами не оспаривается.
По нашему мнению неравновесная термодинамика и диссипативные структуры Пригожина – это, образно говоря, две стороны одной и той же «медали» - две части учения о некотором процессовом (негеометрическом) фрактале. Дендриты (геометрические фракталы) – это тела «умерших» их образующих процессов - это всегда дефрагментация среды. Среды бывают разные. Одни могут долго хранить память об умершем процессе, другие нет. Твердые тела долго, жидкости не очень, а газообразная среда вообще ничего. Например, грозовой разряд в атмосфере (рис. 7), или разбитое оконное стекло (рис. 8), или пластическая деформация с разрывом сплошности в металле (рис. 9), или ячеистая структура высохшей земли или глинистых грунтов, точнее грязи (см. рис. 5в), или саморазупрочнение краевой части выбросоопасного угольного пласта (см. рис. 5б).

Рис. 7.                                          Рис. 8.                                          Рис. 9.

Последняя (см. рис. 5б) замечательна тем, что глубоко под землей образуются не просто диссипативные структуры (ДС), которые благодаря коллективному поведению являются самоорганизующимися. А структуры, которые при своем образовании выделяют (генерируют) дополнительное количество энергии и новое вещество [4]. Запустившись, такой процесс развивается взрывоподобно. Но там под землей, в условиях горной выработки пространства маловато, а до дневной поверхности 500м - 1000м горных пород, и он «гибнет» от своих продуктов «взрыва». Более века, официальной горной науке механизм этого явления известен на уровне неправдоподобных гипотез типа «газовый мешок - мембрана». Геомеханикам кажется, что они занимаются исследованием быстрых «отрывных» трещин, ответственных за динамические (ДЯ) и газодинамические явления (ГДЯ). В действительности они занимаются изучением медленных трещин, которые могут раскрываться, подрастать. То есть для поддержания в образце процесса деформации с разрушением им не хватает мощности внешнего источника механической энергии. Лабораторный пресс всегда «жесткий», смещения только возникнув, сразу обнуляются и поэтому трещины не могут самоорганизовываться. Образно говоря, на больших глубинах залегания, в геоматериале происходит тоже, что и в электрической лампочке (рис. 10).

Рис. 10.

В которой никчемное перегорание нити накаливания приводит к катастрофическим разрушениям всего того, на чем она висела. По нашему предположению, источником дополнительной энергии является электрическая дуга, которая возникает при перегорании нити накаливания. Если, например, отключать медленно мощную лампочку при помощи рубильника, то в момент возникновения дуги размыкания можно заметить, что лампочка ярко вспыхнет. Самоорганизация в режиме с обострением приводит к появлению неизвестного науке источника, в данном примере электрической энергии, а в угольном пласте энергии газового давления [4-7].
Нарушение механического равновесия путем создания горной выработки на больших глубинах вызывает действие, по отношению к краевой части горного массива (пограничному слою), всегда только внешнего источника энергии. Классические фазовые переходы происходят под действием только внутренних источников энергии. Дополнительно к сказанному, проиллюстрируем это на примере электроаналоговой машины клеточных автоматов (рис. 11).

Рис. 11.

Для этого в известную RC-сетку, работающую на постоянном токе, нужно ввести два типа ключевых элементов изменяющих электропроводность моделирующей среды по двум алгоритмам. Первый ключевой элемент (плечевой) срабатывает под действием заданного градиента напряжения между узлами, а второй (узловой) при строго определенной абсолютной величине потенциала в узле сетки. В результате срабатывания любого из ключевых элементов наступает одно и тоже действие – уменьшение сопротивления плеча(ей) на заданную величину. Следовательно, под действием «внешнего потока» электрической энергии срабатывают только плечевые элементы, а под действием внутренних источников электрической энергии срабатывают только узловые элементы. Что и требовалось доказать.
Поэтому, к процессу дефрагментации (образования разрывов сплошности), при котором изменение температуры и энтропии есть бесконечно малая величина, не может быть применена неравновесная термодинамика, а требуется новое учение на основе диссипативных структур И.Пригожина, горения активной среды С.П.Курдюмова, фракталов Б.Мандельброта и принципа максимального промедления Р.Тома. Выделяемую автором вторую самостоятельную часть синергетики предлагается называть «неравновесной механодинамикой». Все остальное в синергетике будет, по прежнему, называться «неравновесной термодинамикой». Возможно, эти части взаимно вложены друг в друга, как, например, евклидова геометрия и фрактальная геометрия или механика и квантовая механика. Но для того, чтобы объединиться, сначала нужно разъединиться.
Таким образом. Информации о том, что плавление и кипение состоит из диссипативных структур (ДС) И.Пригожина, пока нет. Но есть информация о значительных различиях механизмов самоорганизации при фазовых переходах типа «плавление-кипение» и типа образования ДС Пригожина. Например то, что первые происходят при некотором абсолютном значении напорной функции (в данном случае температуры), а вторые при критическом значении первой производной от напорной функции по пространственным координатам (в нашем случае горного давления). То есть вещество плавится и кипит под действием внутренних источников энергии, а ячейки Бенара образуются под действием внешних источников. Фазовые переходы типа «плавление-кипение» не имеют режима с обострением, а образование ДС может переходить в режим с обострением. Поведенческая переменная у первых гладкая функция, а у вторых разрывная и др. Быстро (взрывоподобно) протекающее трещинообразование в геоматериале не имеет сегодня другого объяснения кроме, как только, появлением саморганизации и коллективного поведения элементарных объемов вещества, режимом с обострением в синергетической (активной) среде по С.П.Курдюмову. Следовательно, синергетика состоит из термодинамических и не термодинамических фазовых переходов, т.е. неравновесной термодинамики и неравновесной «механодинамики».

СИНЕРГЕТИКА В ХИМИИ, ПРИНЦИПЫ МАКСИМУМА И МИНИМУМА ПРОИЗВОДСТВА ЭНТРОПИИ [8]

Вопросу "что есть такое самоорганизация и что такое синергетика?" в настоящее время уделяется все больше и больше внимания. По мнению А.П.Руденко [9], рассмотрение ситуации в науке по этому вопросу показало, что наибольший теоретический и экспериментальный вклад в его решение сейчас дает химия, а точнее, катализ и, особенно, эволюционный катализ. Это обусловлено тем, что лежащая в основе эволюционного катализа концепция элементарных открытых каталитических систем (ЭОКС) не только выделяет особые неравновесные объекты, способные к самоорганизации и динамическому существованию в ходе обмена веществ и энергии, и к прогрессивной химической эволюции, приводящей к возникновению жизни, но и вскрывает причины, движущие силы и закономерности самоорганизации и эволюции и устанавливает количественные меры самоорганизации и прогресса. Только на материале катализа удалось установить связь явлений самоорганизации и саморазвития и увидеть их законы, которые оказались общими для существования, самоорганизации и прогрессивной эволюции неравновесных объектов на всех уровнях развития материи. Принципы самоорганизации, выявленные в области эволюционного катализа можно использовать в качестве критерия проявлений самоорганизации в других областях науки.
Процесс организации подчиняется энтропийному принципу Больцмана и в необратимых процессах сопровождается ростом энтропии; процесс самоорганизации подчиняется принципу максимальной полезной работы против равновесия при максимальном рассеянии энергии обменного процесса в открытых системах и в необратимых процессах сопровождается уменьшением энтропии. Равновесное и неравновесное упорядочение присуще всей природе и выражается в существовании двух фундаментальных процессов: организации и самоорганизации, физически различающихся по направленности изменения энергии, степени неравновесия и энтропии (в случае необратимых процессов). В процессах самоорганизации энергия поглощается, степень неравновесия растет, а энергия уменьшается; в процессах организации все наоборот. Механизм самоорганизации и ее источники энергии в общем виде можно представить в виде сопряжения энергодающего процесса, идущего к равновесию, с процессом, потребляющим часть его энергии на внутреннюю полезную работу против равновесия и создающим неравновесное упорядочение, что мы имеем в каждом элементарном акте катализа, каталитическом цикле.
При независимой работе индивидуальных ЭОКС во множестве мы будем иметь линейный эффект их суммарной производительности в макросистеме, пропорциональный их числу. При зависимой работе, имеющей место при взаимодействии индивидуальных систем во множестве, образующем систему более высокого ранга, мы будем иметь нелинейный эффект их суммарной производительности (неаддитивность), не пропорциональный числу индивидуальных ЭОКС. В результате таких взаимодействий возможны разные кооперативные эффекты во множестве, в т.ч. и возникновение их когерентного поведения. При этом возникает новый тип самоорганизации ЭОКС в макросистеме, отличающийся от континуальной самоорганизации индивидуальных микросистем. Это когерентная самоорганизация макросистемы. Такой, когерентный тип самоорганизации назван Г.Хакеном синергизмом. Он имеет место при когерентном излучении лазеров и наблюдается в неравновесных макроскопических системах различной природы (пространственно-временные диссипативные структуры И.Пригожина, концентрационные автоволны в периодических химических реакциях Б.П.Белоусова и А.М.Жаботинского и др.). Взаимодействие индивидуальных ЭКОС во множестве (М-ЭКОС) отражает, согласно теории систем, образование новых системно-динамических свойств в системе более высокого ранга М-ЭКОС сверх линейной суммы свойств систем более низкого ранга. Свойства объектов, обладающих континуальной самоорганизацией микросистем и когерентной самоорганизацией макросистем диаметрально различны.
По мнению автора не меньший вклад в решение вопроса "что есть такое самоорганизация и что такое синергетика?" внесли представители других наук (не химических). Например, при изучении автомодельности при кинетическом режиме роста кристалла в фазово-расслаивающейся среде [10] , при выборе принципа максимальности производства энтропии как критерия отбора морфологических фаз при кристализации [11], при решении вопроса об определении параметра порядка для морфоанализа двумерных структур [12]. Принцип, согласно которого система стремится к локально-равновесному состоянию с экстремальной скоростью (принцип максимума производства энтропии), на первый взгляд вступает в противоречие с известным принципом Пригожина о минимуме производства энтропии. Однако области применения данных принципов абсолютно различны [13].
Из работ [10-13] видно как вреден был для этой области знаний "принцип минимума производства энтропии" уважаемого всеми и автором настоящей публикации в т.ч. - И.Пригожина. И на оборот, автор более чем в 60 публикациях на протяжении 20 лет пишет, естественно в других терминах (тогда мы еще этих слов не знали), о вреде принципа "максимума производства энтропии" для геомеханики, так называемых, ударо, - выбросоопасных горных пород и твердых полезных ископаемых, например последние [14, 15]. Из-за того, что не различают медленно текущее термодинамическое саморазложение твердого раствора (геоматериала) от быстрого саморазложения того же геоматериала, в горном деле уже более века, образно говоря, "смерть погибшего в автокатастрофе объясняют вирусными и другими заболеваниями, которыми страдал потерпевший".
Таким образом, то, что самоорганизация и синергизм (синергетика) - это не одно и тоже, становится очевидным, будем надеяться, уже для многих. Автор поддерживает А.П.Руденко в том, что "самоорганизация" - это континуальная самоорганизация микросистем, а "синергетика" - когерентная самоорганизация макросистем, а также других, кто отличает принципы максимума и минимума производства энтропии. Предлагается пойти дальше. Устранить противоречия путем деления синергетики на две части: 1) "неравновесная термодинамика" (ЭКОС, принцип максимума производства энтропии и т.п.) и новый термин, предлагаемый автором в последний год два - 2) "неравновесная механодинамика" (М-ЭКОС, принцип минимума производства энтропии и т.п.). И то и другое, как видно, из написанного выше, самоорганизация. Синергетика - наука, изучающая самоорганизацию.
Литература
1. Кузнецова И.Е., Мартюшев Л.М., Тарабаев Л.П., Сальникова Е.М. Математическое моделирование начальной стадии потери устойчивости растущего из раствора кристала круглой формы. - Моделирование процессов в синергетических системах. / Сборник трудов Международной конференции "Байкальские чтения II по моделированию процессов в синергетических системах" (Максимиха, оз.Байкал, 18-23 июля 2002г.). - Улан-Удэ - Томск: Из-во Томского государственного университета, 2002. - с.215-217.
2. Шестопалов А.В. Фракталы, прикладная синергетика, бифуркации и клеточные автоматы при исследовании твердых растворов. - Симметрия и косимметрия в теории бифуркаций и фазовых переходов. / Сборник трудов Международной школы-семинара "SCDS-2002" (27 августа - 2 сентября 2002г., г.Сочи, пос.Лоо, б/о "Слава"). - Ростов-на-Дону: РГУ, 2002. - с.154-157.
3. Шестопалов А.В. Предположение о том, что синергетика состоит как минимум из двух частей. - Симметрия и косимметрия в теории бифуркаций и фазовых переходов. / Сборник трудов Международной школы-семинара "SCDS-2002" (27 августа - 2 сентября 2002г., г.Сочи, пос.Лоо, б/о "Слава"). - Ростов-на-Дону: РГУ, 2002. - с.158-161.
4. Шестопалов А.В. Фрактально-синергетическая модель системы «горный массив – выработка» сильно удаленной от своего механического равновесия. // Сб. ФиПС-01: Фракталы и прикладная синергетика (Тезисы докладов Второго Международного междисциплинарного симпозиума, г.Москва, ИМЕТ РАН, 26-30.11.2001г.) - М.: Изд-во МГОУ, 2001. С.130- 132.
5. Шестопалов А.В. Конвективные ячейки и бифуркации в краевой части горного массива сильно удаленной от исходного механического равновесия. - Сб. Применение симметрии и косимметрии в теории бифуркаций и фазовых переходов. / Тезисы докладов Международной школы-семинара SCDS-II (18-23 сентября 2001г., г.Сочи, Лазаревское). - Ростов-на-Дону: РГУ, 2001. С.59-60.
6. Шестопалов А.В. Псевдофазовые переходы в угольных пластах типа фазовых переходов в пленках и размерные эффекты. - Сб. Порядок, беспорядок и свойства оксидов. / Статьи и тезисы Международного симпозиума ODPO-2001 (27-29 сентября 2001г., г.Сочи, Лазаревское). - Ростов-на-Дону: РГУ, 2001. - с.364-375.
7. Шестопалов А.В. Спонтанное упорядочение дефектов в твердых углеводородных растворах. - Сб. Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах. / Статьи и тезисы Второго Международного симпозиума OMA-II (24-26 сентября 2001г., г.Сочи, Лазаревское). - Ростов-на-Дону: РГУ, 2001. - с.382-393.
8. Шестопалов А.В. Синергетика в химии, принципы максимума и минимума производства энтропии. - Материалы II Всероссийской научной конференции "Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий" (26-28 ноября 2002, ТПУ, г.Томск, Секция III Теоретические и прикладные аспекты физической и аналитической химии), том II. - Томск: Изд-во ТПУ, 2002. - с.231-234.
9. Руденко А.П. Роль эволюционного катализа в решении проблем самоорганизации и синергетике, в установлении количественной меры самоорганизации и прогрессивной эволюции. - Сб. Синергетика. Труды семинара. Том 4. Естественнонаучные, социальные и гуманитарные аспекты. М.: Изд-во МГУ, 2001. - с.19-38.
10. Мартюшев Л.М., Селезнев В.Д. // Письма в ЖТФ. 1999. Т.25. Вып.20. - с.71-77.
11. Мартюшев Л.М., Селезнев В.Д. // Доклады академии наук. 2000. Т.371. N4. - c.466-468.
12. Сальникова Е.М., Мартюшев Л.М. // Письма в ЖТФ. 2001. Т.27. Вып.7. - c.81-88.
13. Мартюшев Л.М., Селезнев В.Д., Кузнецова И.Е. // ЖЭТФ. 2000. Т.118. Вып.1(7). - c.149-162.
14. Шестопалов А.В. // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. N6. - c.89-94
15. Шестопалов А.В. // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2002. N6. - c. 100-107.