Основы синергетики и неравновесной термодинамики

Синергетика (кооперативность, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы) — по определению ее создателя Г. Хакена, занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких, как атомы, молекулы, клетки, механические элементы, органы, животные и даже люди. Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.

Основная идея синергетики — идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка

и хаоса в результате процесса самоорганизации. Это происходит при возникновении положительной обратной связи между системой и окружающей средой. Иными словами, под воздействием внешней среды внутри системы возникают полезные изменения, которые постепенно накапливаются, а затем кардинально меняют эту систему, превращая ее в другую, более сложную и высокоорганизованную.

Воздействию окружающей среды могут подвергаться сразу несколько однотипных систем, но в силу различных флуктуаций (отклонений) они могут формировать разные обратные связи, порождать разные ответные реакции, далеко не все из которых могут привести к самоорганизации системы. Можно сказать, что между системами идет своеобразная конкуренция, отбор того типа поведения, такой обратной связи, которая позволяет выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Хакен, это приводит нас в определенном смысле к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический мир, но и на неживую природу, а также на социальные системы.

Синергетика претендует на открытие универсального механизма самоорганизации. Однако объектом синергетики независимо от его природы могут быть только те системы, которые удовлетворяют определенным требованиям. Такими требованиями, в частности, являются открытость, существенная неравновесность и выход из критического состояния скачком, в процессе фазового перехода.

Открытость — важнейшее свойство самоорганизующихся систем, которые постоянно обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Именно открытость является причиной неравновесности систем. Если закрытые системы, для которых и были сформулированы начала классической термодинамики, неизбежно стремятся к однородному равновесному состоянию — состоянию термодинамического равновесия, то открытые системы меняются, причем необратимо, в них важным оказывается фактор времени.

При определенных условиях и значениях параметров, характеризующих систему и изменяющихся под воздействием изменений окружающей среды, система переходит в состояние существенной неравновесности — критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости. Ведь любая система остается сама собой только в определенных рамках. Так, вода остается водой только при температуре от 0 до 100°С при нормальном атмосферном давлении, за границами этих условий она превращается в лед или пар. Естественно, что существование социальной или биологической системы будет зависеть от иных условий, чем функционирование физических или химических систем. Но такие важнейшие показатели, от которых зависит само существование систем, есть всегда. Они называются управляющими параметрами системы.

Из критического состояния существенной неравновесности системы всегда выходят скачком. Скачок — это крайне нелинейный процесс, при котором даже малые изменения управляющих параметров системы вызывают ее переход в новое качество. Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачкообразно превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело.

Итак, самоорганизующиеся системы обретают присущие им структуры или функции без какого бы то ни было вмешательства извне. Обычно они состоят из большого числа подсистем. При изменении управляющих параметров в системе образуются качественно новые структуры. При этом системы переходят из однородного, недифференцированного состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние или в одно из нескольких возможных состояний.

Важно, что этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы. Поток энергии, вещества или информации уводит физическую, химическую, биологическую или социальную систему далеко от состояния термодинамического равновесия. Изменяя температуру, уровень радиации, давление и т.д., мы можем управлять системами извне.

Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

Несколько иной аспект имеет неравновесная термодинамика И. Пригожина. В созданной им науке он поставил задачу доказать, что неравновесие может быть причиной порядка. Новая термодинамика стала способна отражать скачкообразные процессы.

Чтобы система могла не только поддерживать, но и создавать упорядоченность из хаоса, она непременно должна быть открытой и иметь приток вещества, энергии и информации извне. Именно такие системы названы Пригожиным диссипативными.

Диссипативность — это особое динамическое состояние, когда из-за процессов, протекающих с элементами неравновесной системы, на уровне всей системы проявляются качественно новые свойства и процессы.

Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые структуры, происходить переход к порядку из хаоса.

В ходе своего развития диссипативные системы проходят два этапа:

1) период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию;

2) скачок, одномоментно переводящий систему в новое устойчивое состояние с более высокой степенью сложности и упорядоченности.

Особое внимание неравновесная термодинамика уделяет фазе скачка, являющейся разрешением возникшей кризисной ситуации и характеризующейся критическими значениями управляющих параметров системы. Пригожин трактует такой переход как приспособление диссипативной системы к изменившимся внешним условиям, чем обеспечивается ее выживание. Это и есть акт самоорганизации.

Очень важно отметить, что переход диссипативной системы из критического состояния в новое устойчивое состояние неоднозначен. Сложные неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчивого положения в одно из нескольких возможных устойчивых состояний. В какое именно из них совершится переход — дело случая. Это связано с тем, что в системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации. Под действием одной из них и происходит скачок в конкретное устойчивое состояние. Поскольку флуктуации случайны, то и «выбор» конечного состояния оказывается случайным. Но после совершения перехода назад возврата нет. Скачок носит одноразовый и необратимый характер.

Критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, называют точкой бифуркации.

Обнаружение феномена бифуркации, как считает Пригожин, ввело в физику элемент исторического подхода, смогло доказать необратимость времени. При протекании самоорганизации в явном виде обнаруживается «стрела времени» — однонаправленность времени от прошлого к будущему. Классическая термодинамика доказывала необратимость времени, используя второе начало термодинамики. Необратимый процесс возрастания энтропии всегда идет от прошлого к будущему. Тем не менее, в классической механике возможность обращения времени была не исключена. Так, поменяв в уравнениях «плюс» на «минус» перед временем и скоростью, можно получить описание движения данного тела по пройденному пути в обратном направлении. Конечно, весь наш опыт убеждал в невозможности повернуть время вспять, однако теоретически такая возможность оставалась.

Неравновесная термодинамика Пригожина использует для доказательства существования «стрелы времени» скачок — процесс скачка невозможно повернуть назад. После перехода через точку бифуркации система качественно преобразуется. Таким образом, законы неравновесной термодинамики с неизбежностью говорят о необратимости времени. Ведь скачок в точке бифуркации всегда случаен, определяется уникальным сочетанием множества факторов, воссоздать которые вновь (если бы мы захотели повернуть процесс вспять) практически невозможно.

Феномен бифуркации также заставляет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем и в природе в целом. Если в фазе эволюции ход процессов закономерен и жестко детерминирован, то скачок всегда происходит случайным образом, и поэтому именно случайность определяет последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в новой критической точке.

В том, что точки бифуркации — это не абстракция, имеет возможность убедиться каждый человек. Ведь человек и его жизнь тоже являются сложной открытой неравновесной системой. У каждого из нас периодически возникают ситуации, когда мы стоим перед выбором своего дальнейшего жизненного пути. И очень часто наш выбор определяется случайным стечением обстоятельств. Например, человек собирался уехать учиться в другой город, но заболел и остался дома, поэтому пошел учиться совсем в другое место. Этот случайный выбор определил его последующий жизненный путь — выбор работы, знакомство с друзьями, будущим спутником жизни и т.д.

Системный подход и глобальный эволюционизм являются важнейшими составными частями современной научной картины мира. Она выглядит следующим образом. Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма заложена присущая материи способность к самоорганизации, проявляющаяся в критических точках системы. Самая крупная из известных человеку систем — это развивающаяся Вселенная. Вся ее история — от Большого взрыва до возникновения человека — предстает как единый процесс материальной эволюции, самоорганизации, саморазвития материи. При этом весь мир представляет собой единое целое, иерархически организованную систему. Это и есть идея глобального эволюционизма.

Литература для самостоятельного изучения

1. Арнольд А.И. Теория катастроф. М., 1990.

2. Богданов А.А. Тектология. Всеобщая организационная наука. В 2 кн. М., 1989.

3. Бродянский В.М. Вечный двигатель — прежде и теперь. М., 1989.

4. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания. М., 2001.

5. Климентович Н.Ю. Без формул о синергетике. Минск, 1986.

6. Кочергин А.Н. Методы и формы научного познания. М., 1990.

7. Петров ЮА., Никифоров АЛ. Логика и методология научного познания. М., 1982.

8. Петров Ю.А. Теория познания. М., 1988.

9. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.

 

10. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1996.

11. Самоорганизация в природе и обществе. СПб., 1994.

12. Хакен Г. Синергетика. М., 1985.

13. Штофф ВА Введение в методологию научного познания. Л., 1972.

14. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. М., 1987.

Глава 3

Основы естествознания