Самоорганиза́ция, самопроизвольное установление в неравновесных диссипативных средах устойчивых регулярных структур. Процесс самоорганизации называют также процессом формообразования, а соответствующую область науки – синергетикой.

Наиболее известный пример самоорганизации – 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 различной 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.Рис. 1. Распределение поля для центрально-симметричной локализованной структуры, возникающей из начального беспорядка.

Теория самоорганизации – раздел нелинейной динамики неравновесных сред – основана на небольшом числе базовых моделей. Простейший процесс установления статических структур типа решёток, локализованных структур (дефекты, дислокации, частицеподобные структуры, см. рис. 1) описывается т. н. градиентными моделями. Их основная 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 статическому состоянию. Число таких минимумов, отвечающих структурам различного типа, велико (мультистабильность); в неограниченных средах их может быть бесконечное множество.

Кроме статических структур, во многих экспериментах могут устанавливаться динамические: вращающиеся структуры, например решётки, периодически меняющие свою симметрию; спиральные волны в двумерном химическом реакторе (см. рис. 2), в котором протекает автокаталитическая реакция типа реакции Белоусова – Жаботинского; и др.

Рис. 2. Спиральные волны в двумерном химическом реакторе. Иллюстрация из статьи: Agladze K. I., Krinsky V. I. Multi-armed vortices in an active chemical medium // Nature. 1982. Vol. 296. P. 425.Рис. 2. Спиральные волны в двумерном химическом реакторе. Иллюстрация из статьи: Agladze K. I., Krinsky V. I. Multi-armed vortices in an active chemical medium // Nature. 1982. Vol. 296. P. 425.Процесс самозарождения упорядоченных структур из начально неупорядоченного состояния представляет собой последовательное возникновение элементарных регулярных возбуждений различных масштабов, результат взаимодействия которых между собой и есть процесс самоорганизации.

Часто процессы самоорганизации 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 самоорганизации эти возбуждения синхронизированы 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 самоорганизации, ни к развитой турбулентности. Такие состояния называют пространственно-временны́м хаосом.