Открытия, свидетельствующие о глобальной эволюции материи

В 20-х гг. XX в. происходит открытие расширения Вселенной или иначе – ее нестационарности (А.А. Фридман), американский астроном Хаббл обнаруживает «красное смещение» галактик и открывает закон «разбегания» галактик во Вселенной – закон Хаббла v = rH, где Н – постоянная Хаббла.

В 40-х гг. XX в. создается концепция Большого взрыва, указывающая на историческую последовательность появления во Вселенной различных химических элементов.

Дарвинская теория эволюции показывает непрерывное нарастание сложности организации растительных животных организмов (от одноклеточных до человека) через механизм естественного отбора. Эволюционные идеи при наложении их на процесс образования сложных молекулярных соединений, представляют Вселенную на стадии, когда она только «готовилась» к рождению жизни. Об этом говорит тот факт, что из более, чем 100 известных химических элементов основу живого составляют лишь шесть: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их общая доля в живых организмах составляет около 98%. В состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор - они дают примерно 2%. Еще 20 элементов – участвуют в зависимости от среды обитания и состава питания.

Мир химических соединений также не менее диспропорционален или асимметричен. Ныне известно около 8 млн. химических соединений: 96% из них – это органические соединения, составленные из всё тех же 6 – 18 элементов. Из остальных химических элементов природа создала не более 300 тыс. неорганических соединений. Столь разительное несоответствие возможно объяснить, совершенно очевидным отбором тех химических элементов, свойства которых (прочность и энергоемкость образуемых ими химических связей, легкость их перераспределения и т.п.) «дают преимущество» при переходе на более высокий уровень сложности и упорядоченности вещества.

Наконец, сейчас идеи эволюции, движущие силы эволюции любых объектов нашего мира претендует описать новое научное направление (появившееся в 70-

В XX в., по мере изучения природы на всех уровнях организации материи, выяснилось, что каждому уровню присущи эволюционные процессы, приводящие к развитию и совершенствованию всех форм материального мира, а не только растительного и животного мира, как это считалось в XIX в.

В микромире– это эволюционное формирование первичного элементного состава вещества в результате термоядерного синтеза и последовательное образование в природе всех элементов таблицы Менделеева; это также установление процессов самоорганизации и эволюции химических молекулярных систем.

На макроуровне - обнаружен и исследован целый ряд эволюционно развивающихся неживых систем в направлении повышения уровня организации. В живой природе развитие органического мира рассматривается в соответствии с эволюционной теорией Ч. Дарвина.

В мегамире– сформулирована эволюционная теория расширяющейся Вселенной. Зарождение Вселенной выводится из ее некоего исходного состояния в результате Большого взрыва, приведшего, в конечном счете, к ныне наблюдаемому облику Вселенной. История развития Земли, последовательность образования геосферных оболочек в настоящее время рассматривается на основе эволюционной теории.

Сама же идея глобального эволюционизма становится и регулятивным принципом: с одной стороны он дает представление о мире как о целостности, позволяет осмысливать общие законы бытия в их единстве, а с другой – ориентирует современное естествознание на выявление конкретных закономерностей глобальной эволюции материи на всех ее структурных уровнях, на всех этапах ее самоорганизации.

8.3 Теория самоорганизации – синергетика

Сейчас идеи глобальной эволюции, движущие силы эволюции любых объектов нашего мира претендует описать новое научное направление (появившееся в 70-х гг. XX в.) – синергетика (в пер. с древнегреч. – содействие, соучастие). Начало новой дисциплине – синергетике, положило выступление Германа Хакена в 1973 г. на первой конференции, посвященной проблемам самоорганизации. Самоорганизация мыслится как глобальный эволюционный процесс.

Синергетика рассматривается как теория сложных самоорганизующихся систем, как новое междисциплинарное исследование, являющееся по существу научным рубежом современного естествознания.

Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: например, от молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии до эволюции и космологических процессов.

Основной вопрос синергетики – существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом:

«Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие….».

Основные свойства самоорганизующихся систем – открытость, нелинейность, диссипативность (от латинского – dissipatio – разгонять; рассеивать свободную энергию).

Открытые системы – это необратимые системы с факторами времени, случайности, закономерных и флуктуационных процессов, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии и информации, необходимого для существования неравновесных систем, неизбежно стремящихся к однородному равновесному состоянию.

Нелинейные системы – это неравновесные системы с избирательным характером реакции на внешние воздействия среды, со способностью активно воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании на основе положительной обратной связи и скачкообразным характером поведения, приводящим к радикальному качественному изменению системы.

Диссипативные системы – это такие открытые системы, по которым рассеиваются возмущения, и в которых при больших отклонениях от равновесия возникают упорядоченные состояния; это системы с необычной чувствительностью к всевозможным воздействиям и в связи с этим сильно неравновесные; это особое динамическое состояние неравновесной системы с определенным параметром порядка, заключающееся в своеобразном макроскопическом проявлении процессов, протекающих на микроуровне, с явно выраженным качественным отличием от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом и благодаря чему, могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи.

8.4 Закрытые и открытые макросистемы. Эволюционизм «принципа возрастания энтропии»

В классической науке (XIX в.) господствовало убеждение, что материи, изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что в энергетическом смысле и означало неупорядоченность, т.е. хаос. Заслуга в утверждении этого убеждения принадлежит равновесной динамике – одной из классических физических теорий.

Именно она своим вторым началом (законом) термодинамики выделяет односторонность, одонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах. Суть закона раскрывается в формулировке немецкого физика-теоретика Рудольфа Клаузиуса:

«Теплота не переходит самопроизвольно (сама по себе) от более холодного тела к более теплому».

Для отражения этого процесса в термодинамику им же вводится новое понятие – энтропия(1865) – с греч. – поворот, превращение, и устанавливает ее важную особенность: в замкнутой системе энтропия либо остается неизменной в случае обратимых процессов, либо возрастает в случае необратимых процессов.

В эволюционном же понимании, энтропия характеризует меру беспорядка системы, а тенденция к разрушению всякой упорядоченности выражается принципом возрастания энтропии. В этой связи максимальному значению энтропии должно соответствовать полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.

Точная формулировка второго начала термодинамики выражается через понятие энтропии:

«При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает».

Второе начало устанавливает закон возрастания энтропии в системе, не обменивающейся с внешним миром ни энергией, ни веществом, выражает увеличение молекулярного хаоса до тех пор, пока система не достигнет термодинамического равновесия Энтропия позволяет отличать, в случае изолированных систем, обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых (энтропия возрастает). Л. Больцман (1844 – 1906) и М. Планк (1858 – 1947) сформулировали один из важнейших законов природы, связывающий энтропию S и вероятность состояния W системы:

S =k ln W ,

k – постоянная Больцмана. Закон математически иллюстрирует, что чем более вероятно состояние системы (т.е. чем ближе W к единице), тем больше энтропия.

Именно противоречие между вторым началом термодинамики и примерами высокоорганизованного окружающего нас мира было разрешено с появлением более пятидесяти лет назад и последующим естественным развитием нелинейной неравновесной термодинамики открытых систем. Большой вклад в становление этой новой науки внесли И.Р. Пригожин (бельгийский физик русского происхождения Илья Романович Пригожин за работы в этой области в 1977 году был удостоен Нобелевской премии), П. Гленсдорф, Герман Хакен.

Необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных, замкнутых системах рано или поздно приводит к превращению всех видов энергии в тепловую, которая рассеется, т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос.

Если наша Вселенная замкнута, то ее согласно второму закону равновесной термодинамики ждет участь полного хаоса, именно к такому ошибочному выводу о так называемой «тепловой смерти» Вселенной пришел Р. Клаузиус, когда попытался распространить принцип возрастания энтропии на такую Вселенную.

Но дарвиновская теория эволюции первой засвидетельствовала - живая природа почему-то не стремится в состояние термодинамического равновесия и тем более хаоса. Возникла явная нестыковка в новом научном понимании неживой и живой природы.

И только при замене модели стационарной (замкнутой) Вселенной на модель развивающейся (расширяющейся) Вселенной с нарастающим усложнением организации материальных объектов – от элементарных и субэлементарных частиц в начале Большого взрыва до наблюдаемых сейчас звездных систем, наука для сохранения непротиворечивой картины мира запостулировала наличие у материи в целом не только разрушительной – стремление к хаосу, но и созидательной тенденции – стремление к самоорганизации. Наука еще раз убедилась, что материя обладает неисчерпаемыми свойствами, а сама подошла к новому рубежу ее познания – к очередному «порогу» научной революции.

Что касается Вселенной как универсальной системы организации материи, если считать ее открытой системой, то возникает вопрос, что же может служить ее внешней обменной средой? Современная физика полагает, что такой средой для нашей вещественной Вселенной является вакуум.