Самоорганизация как антиэнтропийный процесс, идущий в открытой системе против равновесия

Осмысление противоречий между вторым законом термодинамики и явлениями жизни, а также некоторыми более простыми «странными» явлениями, свидетельствующими о действительном существовании обратимости процессов, привело к открытию явления самоорганизации, главной особенностью которого отмечалась его антиэнтропийная направленность.

Как следует из [30–31], в любой открытой системе, в которой в течение времени происходит обмен веществ и энергии с окружающей средой с мощностью потока рассеиваемой свободной энергии E­, направленного к равновесию (yr?), осуществляется трансформация этой энергии на поток E?, затрачиваемый на внутреннюю полезную работу Q, направленную против равновесия (yr­) и поток бесполезно рассеиваемой энергии Q (некомпенсированной теплоты необратимого процесса по Клаузиусу). В соответствии с первым законом термодинамики потоки связаны соотношением

E=Q+Q. (1)

В результате, за счет свободной энергии обменного процесса, стремящегося к равновесию yr? (энтропийного процесса), совершается процесс, стремящийся к неравновесию yr­ (антиэнтропийный процесс), который и приводит к самоорганизации системы (к ее неравновесному упорядочению). Так как система с неравновесной организацией динамическая и существует лишь временно, в конце концов, происходит ее релаксация с диссипацией временно задержанной энергии Q

Q=QQ (2)

в поток тепла QQ другой природы, чем поток Q в (1). Схематически этот обмен и трансформация энергии в открытой системе показан на рис. 1, что наглядно демонстрирует особенности природы и динамическую связь между собой энтропийного процесса «организации» (yr?) и антиэнтропийного процесса «самоорганизации» (yr­). Из этого следует, что мерой самоорганизации является величина Q или коэффициент полезного использования энергии

r=Q/E (3)

или связанные с ними величины, а мерой необратимости

h=Q/E=1–r. (4)

Так как процесс организации и процесс самоорганизации происходят самопроизвольно и обусловлены имманентными свойствами системы, а долгое время считалось, что нарушения второго закона возможны лишь при сознательном вмешательстве человека, для обозначения естественных антиэнтропийных процессов упорядочения, имеющих другую природу, чем процесс равновесной организации (например, кристаллизации), стал применяться термин самоорганизация. Здесь приставка само– одновременно подчеркивает и имманентные причины явления и наличие различий природы неравновесного и равновесного упорядочения, связанных с активной или пассивной их ролью в становлении соответствующего порядка.

Рис. 1. Связь антиэнтропийного процесса самоорганизации (1) с энтропийным процессом организации (2) в ходе обменного процесса E = Q + Q = QQ + Q в открытой системе.

Работы в области проявлений процессов самоорганизации в физике, химии, биологии, в науках о Земле и космосе, в науках о человеке и его взаимодействии с природой, в социологии и разных феноменах культуры показали повсеместное распространение самоорганизации на всех уровнях развития материи [32–41]. Распространенность явления самоорганизации наряду с распространенностью альтернативного ему по природе явления организации доказывает дуалистичность материального мира, состоящего из объектов и процессов «организации» и «самоорганизации» и справедливость новой парадигмы естествознания, о которой говорилось выше. С другой стороны, этот факт показывает существование тесной связи фундаментальных процессов организации и самоорганизации, обусловленность одних процессов другими, а также объясняет существование сложных явлений, в которых имеет место сочетание процессов самоорганизации и организации в неразделенном виде и соответствующее их восприятие.

Разумеется, без понимания различий физической сущности альтернативных процессов и при наблюдении и описании суммарного их эффекта возможно искаженное восприятие процесса самоорганизации и смешение его определяющих характеристик с характеристиками процесса организации. Это уже нашло отражение в существующей в литературе путанице в области понимания самого явления самоорганизации, а также при выделении неадекватных действительности определяющих признаков современной синергетики на основе суммарных общих свойств сложных систем, что особенно характерно математическим школам в области синергетики. Конечно, исследование сложных систем, сочетающих оба процесса в неразделенном виде, таких, какие имеют в виду авторы работ [37–39], полезно и нужно как отдельная задача, но такие работы без специального анализа существующего в сложном явлении сочетания и вкладов процессов yr? и yr­ не приближают нас к истинному пониманию явления самоорганизации и правильному определению синергетики как науки о самоорганизации.

В настоящее время уже назрела острая необходимость в наведении минимального порядка в науке о самоорганизации, начиная с определения физической сущности и механизма самоорганизации и уточнения понятийного аппарата соответствующей науки. Для этого надо ориентироваться прежде всего на работы и концепции в области самоорганизации, рассматривающие явление в его индивидуальном виде, в чистом проявлении самого физического принципа самоорганизации, когда идет процесс yr­ и энергия затрачивается E? (yGo>0). Именно такие работы дают понимание физической сути рассматриваемого явления. Поэтому, несмотря па то, что в истоках науки о самоорганизации лежат многие важные исследования в области термодинамики необратимых процессов и рассмотрение проблем универсальности второго закона (например, работы Д. Онзагера [42], разработавшего линейную неравновесную термодинамику и установившего принцип микрообратимости, работы А.М. Тюринга [43], разработавшего теорию «химического поведения» тримолекулярных реакций и теорию антиэнтропийного морфогенеза для нестационарных нелинейных систем и др.), начало науки о самоорганизации надо связывать именно с обобщающими работами и концепциями, касающимися непосредственных оценок физической сущности явления самоорганизации как антиэнтропийного процесса. В полной мере это сделано лишь в работах школы И. Пригожина и в концепции эволюционного катализа.