СИНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КОНЦЕПЦИЯ. ПОРЯДОК ИЗ ХАОСА

Наука всегда оказывается не права. Она никогда не решит вопроса, не поставив при этом десятка новых.

Б. Шоу

Природному Вселенная тесна,

Искусственному ж замкнутость нужна!

Гете. «Фауст»

Большое значение в настоящее время приобрело исследование хаоса и беспорядка. Беспорядок - это не только хаос, но также и нарушенный порядок. Хаос выступает и как разрушитель, и как созидатель. Через него может осуществляться конструктивное развитие. Понятие «хаос» оказалось гораздо более глубоким, чем представлялось ранее.

Различие в особенностях эволюции неживой и живой природы всегда смущало ученых: в неживой природе все стремится к состоянию равновесия, состоянию наименьшего порядка, максимальной энтропии; эволюция живой материи приводит к усложнению видов, к усложнению, упорядочиванию структур, взятых из окружающей среды. Э.Шредингер полагал, что существует две физики - для неживой природы (здесь справедливо II начало термодинамики как частный случай закона возрастания энтропии) и для живой (оно несправедливо). Основоположник статистической механики Л.Больцман пытался объяснить случаи отклонения от закона возрастания беспорядка случайным отклонением системы (Вселенной) от положения равновесия - флуктуацией (fluctuatio лат. - колебание). Но I закон термодинамики справедлив для замкнутых систем, бесконечная же Вселенная явно не является таковой (вообще, большинство природных систем – открытые, «закрытость», чаще всего, искусственное свойство). состояние системы, стремящейся перейти от порядка к хаосу, т.е. в которой происходит рассеяние энергии, называют диссипативным (dissipare лат. – рассеяние). Для поддержания системы на диссипативном (но упорядоченном) уровне (тем более, для перехода в более упорядоченно состояние) требуется больше энергии и система черпает ее из окружающей среды. Диссипативные структуры – упорядоченные структуры, которые возникают при необратимых процессах вдали от равновесия, когда параметры системы превышают определенные критические (пороговые) значения (И.Пригодин). они делятся на пространственные (ячейки Бенара), временные (реакции Белоусова-Жаботинского) и пространственно-временные (структурирование Вселенной).

Процессы возникновения порядка из хаоса в открытых системах начали исследоваться с 30-х годов XX века после работ Л.Онзагера (по неравновесной термодинамике) и получили название процессов самоорганизации.Позже выяснилось, что и живым, и неживым системам при определенных условиях присуща как способность к увеличению порядка, так и способность к разрушению существующих структур. Самоорганизация -появление макроскопических упорядоченных в пространстве и времени структур в первоначально бесструктурной неравновесной среде. Самоорганизуются структуры, которые возникают в пространстве, во времени или в пространстве и времени одновременно. Различают три типа самоорганизации: 1. самозарождения (из совокупности целостностей новой целостности – из одноклеточных - многоклеточных); 2. процессы, обеспечивающие гомеостаз – постоянство организации системы (живой организм); 3. саморазвитие и совершенствование систем, способных использовать прошлый опыт (человек).

Область науки, занимающаяся изучением общих закономерностей процессов самоорганизации (устойчивости, распада и возрождения) в открытых неравновесных системах (открытые системы — системы, обменивающиеся веществом, энергией и информацией с внешним миром), получила названиесинергетики (synergia греч. «совместное действие», термин ввел в 1973 г. американский физик Г.Хакен). Это - выход на новый уровень науки, уровень единства всего существующего, единства различных наук (не только естественных, но и истории, социологии ...). Синергетика занимается познанием сложного, поиском универсальных образцов (паттернов), исследованием самоорганизации сложных систем. Она не вскрывает внутреннего механизма перехода от хаоса к порядку, не показывает, как связаны между собой макроскопические параметры порядка и характеристики явлений на микроуровне (как правило, усредненные, описываемые вероятностями). Этот подход ориентирован, прежде всего, на качественное описание исследуемых процессов. Синергетика ввела случайность на макроскопический уровень.

Наука давно была знакома со свойством самоструктурирования материи. Примерами таких процессов служат периодичность изменения численности популяций кроликов и лисиц, индуцированное излучение лазера, намагничивание ферромагнетика и т. д. Все эти процессы характеризуются начальной неравновесностью системы объектов (территориальное распространение кроликов и лисиц неоднородно, количество возбужденных атомов в лазере и спонтанных переходов электронов с нестабильного верхнего уровня на нижний изменяется в времени неравномерно, ориентация магнитных моментов отдельных областей – доменов - в ферромагнетике случайна) и случайными (хаотическими) отдельными процессами внутри системы при самоорганизации (гибель отдельных особей, появление фотона, инициирующего переход электрона с верхнего уровня и т.п.). однако, в результате совокупного действия этих факторов получается строго упорядоченное состояние: «маятник» численности кроликов и лисиц (максимум первых опережает максимум вторых) (Рис.25), строго монохроматическое излучение лазера вследствие массового перехода электронов с одного уровня в разных атомах, намагниченность (одинаковая ориентация большинства магнитных моментов доменов) ферромагнетика во внешнем магнитном поле (Рис. 26).

Переход от хаоса к порядку происходит скачком, т.е. за короткий промежуток времени (количество - в качество) - это одна из самых удивительных закономерностей процесса самоорганизации. Катастрофы — скачкообразные качественные изменения, возникающие в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. Так, переход воды из жидкого состояния в кристаллическое (лед) происходит скачком при плавном понижении температуры (она является управляющим параметром).

Самопроизвольное, не связанное с регулярными внешними воздействиями, упорядочивание поведения неравновесной системы есть следствие развития в ней определенного вида неустойчивостей: система самоорганизуется, если случайные и коллективные (совместные для многих элементов) процессы уравновесятся. Внешние воздействия случайны, непредсказуемы, в результате их действия в системе возникают флуктуации. При достижении флуктуациями (и управляющими параметрами) определенной пороговой величины существующая организация системы не выдерживает и разрушается, причем пойдет ли система в сторону хаоса или самоорганизуется, перейдет на новый уровень упорядоченности, - неизвестно.. Итак, если параметры системы, находящейся вблизи состояния равновесия, достигают пороговой величины при совокупном воздействии случайных и коллективных факторов, то система переходит в новое состояние – это другая закономерность процессов самоорганизации. Точку порогового перехода называют точкой бифуркации (от лат. bifurcus — раздвоение, разветвление), т.к. в результате такого перехода возможна реализация множества структур. Бифуркация означает многовариантность развития любых структур нашего мира, оставляет ему возможность бесконечного развития, а не только «скатывания» в хаос в соответствии с законом возрастания энтропии - возникающие неоднородности корректируют этот процесс. Таким образом, случайность «встроена» в механизм эволюции - невозможно осуществить жесткий контроль за развитием систем, которые испытывают бифуркационные разветвления. Варианты развития конкретной системы можно предвидеть, но, какой именно из них будет выбран, точно предсказать нельзя (вспомним метеопрогнозы). Введение понятия «бифуркация» в естественные науки привнесло с собой элемент исторического подхода. При самоорганизации выявляется необратимость времени: этот процесс нельзя обратить вспять.

Рассмотрим несколько примеров.

Если смотреть на слой облаков сверху можно обнаружить, что он состоит из упорядоченных структур - прямоугольных и шестиугольных ячеек, упорядоченных впадин и «горбов». Это - результат интенсивной конвекции, в результате которой теплый воздух поднимается снизу вверх, оставляя воду в облаке. Восходящие и нисходящие потоки и создают ячеистую структуру: внутри облака воздух поднимается вверх, вне, в «окнах» - вниз. Такая система ус танавливается постепенно, по мере перехода влажного воздуха в насыщенное состояние, но собственно ячеистая структура - скачком, при достижении определенной концентрации (концентрация, влажность, давление воздуха и т.п. выступают в качестве управляющих параметров). Подобные конвекционные ячейки возникают при нагревании минерального масла (ячейки Бенара, Рис.27).

В 1951 г. советский химик Б.Белоусов описал необычную реакцию в водном растворе бромата калия и сульфата церия с лимонной и серной кислотой: раствор периодически менял цвет с прозрачного на желтый. Причиной существования такого «химического маятника» является одновременное протекание прямой и обратной реакций (восстановления - окисления церия, способного изменять валентность). Смена окраски происходит при достижении концентрации одного из реагентов некоторого порогового значения, в результате чего ускоряется либо прямая (при n₁), либо обратная (при n₂) реакция (Рис.28). Химики мира не смогли сразу признать существование таких «маятников». В 70-е годы, после обнаружения А.Жаботинским и зарубежными исследователями еще нескольких подобных реакций, этот тип реакций получил название реакций Белоусова-Жаботинского.

По одной из гипотез процессы образования галактик и звезд - тоже результат самоорганизации вещества и полей в горячей Вселенной, расширяющейся после Большого Взрыва. Согласно этой теории (советского физика Я.Зельдовича), спустя 2-3 млрд. лет после начала расширения в веществе Вселенной образовались огромные сгущения в виде «блинов» - плоских образований с возрастающей к центру плотностью материи («блины» возникают, если в случайном сгустке вещества неодинаковые силы гравитации создают «избранное» направление сжатия). Многие «блины» соединялись своими краями в образования, напоминающие пчелиные соты (Рис.28). Такая ячеистая структура существовала длительное время, но возникающие в областях соприкосновения турбулентные течения вещества привели в конечном итоге к разрыву ячеек и уплотнению «блинов». При этом неизбежно возникало вращение. Уплотнение происходило неоднородно - так возникали звезды и планетные системы. Все процессы прошли как количественную стадию, так и качественную - в результате скачков характеристик среды.

Еще одна гипотеза о самоорганизующихся системах возникла в биологии, в теории эволюции. Так, Л.Морозов и И.Пригожин считают, что Большой Биологический Взрыв - появление асимметричных молекул и переход к киральной чистоте живых систем - следствие пороговых, скачкообразных изменений, а не просто случайность. Кроме того, к появлению человека привело не только эволюционное развитие видов по Дарвину, но и быстрые революционные изменения, о чем уже упоминалось. Оба эти процесса привели к усложнению и росту разнообразных организационных форм живой материи. Подобное усложнение форм происходит и в неживой природе, и в человеческом обществе и носит название дивергенции (divergere лат. - расхождение).

В последние годы рассматриваются синергетические аспекты информации - происходит становление сети Интернет,осуществляющееся посредством самоорганизации. В этом случае информация выступает как параметр порядка, отражающий коллективные свойства системы.

Итак, самоорганизация и хаос (порядок и беспорядок) являются важнейшими характеристиками материи. Синергетический подход позволяет моделировать поведение любых сложных систем, встречающихся в природе. К числу таких систем могут быть отнесены живые организмы, экологические системы, нейронные сети, сложные экономические и социальные системы, даже стратегии обучения. Синергетический подход позволяет моделировать развитие науки, коммуникационных сетей, человечества вообще, возможные разрешения глобальных проблем современной цивилизации, демографических и экономических кризисов и многое другое. Таким образом, он может лечь в основу проектирования дальнейшего развития человечества.

Синергетика обладает наиболее широкой общностью предмета, для нее необходим целостный системный анализ. Кроме того, синергетика ориентирована на естественные ритмы природы и на непрерывный диалог исследуемых систем с окружающей их средой. Это обеспечивает междисциплинарный синтез знания, возможно – является началом новой философии, основанной на универсальном методе исследования любых природных и социальных систем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Новые открытия в естествознании (большие и маленькие) сейчас совершаются почти каждый день, но серьезные концептуальные идеи изменяются редко. Мы познакомили читателя с некоторыми из них и надеемся, что специалисты «гуманитарных» профессий никогда не будут образованными «однобоко», ведь книга Природы настолько интересна, а ее познание бесконечно.