Явления хаотичности и упорядоченности чрезвычайно важны в синенергетике. Любая нелинейная система за время существования претерпевает перестройки, часто многократные, в своей структуре, проходя этапы усиления хаоса. Как хаос, так и порядок формируются вследствие процессов самоорганизации. Хаос представляет собой кульминационное состояние в борьбе “старого” порядка с “новым”, спонтанно стремящимся заменить “старый”. Синенергетика рассматривает несколько разновидностей хаоса-порядка.
1) “ Хаос-порядок Бог” (“центральный порядок”, по Гейзенбергу) – результат взаимно обусловливаемого действия всеобщих законов развития материи.
2) Абсолютный хаос-порядок характеризует вакуум, отсутствие материи, времени и пространства. В вакууме отсутствуют материальные частицы и, следовательно, силы взаимодействий. Если существуют границы Вселенной, за которыми начинается такой вакуум, то в нем нет событий, а следовательно, пространства и времени, эволюционных процессов. В нем не существует законов движения материи и формирования структур.
3) Термодинамический хаос-порядок. К нему ведет направленный, необратимо протекающий упорядоченный процесс. Такой хаос формируется в силу необратимости процессов и поэтому является детерминированным. Состояние термодинамического хаоса может кратковременно установиться в искусственно создаваемых, закрытых для внешних воздействий условиях, без подвода к системе вещества и энергии, так что в системе отсутствует энергия, производящая работу против необратимости. Состояние термодинамического равновесия может рассматриваться как хаос потому, что положение любой части такой системы неопределенно ни во времени, ни в пространстве. Но обусловлен он упорядоченным движением вещества и энергии в результате действия законов термодинамики. Термодинамический хаос-порядок может возникнуть только при упорядоченных действиях высокоранговых систем. Примером может являться любая техногенная или естественная термодинамическая система, если ее считать закрытой: перетекание жидкости в сообщающихся сосудах или естественных водохранилищах с установлением единого уровня, формирование равнин на поверхности Земли за счет перераспределения вещества с более высоких уровней на низкие, процессы изостазии и др. Во всех случаях при отсутствии сил, препятствующих развитию необратимых процессов, установилось бы статическое термодинамическое равновесие, при котором прекратились бы перераспределение вещества и энергии и динамика системы. В результате возник бы безжизненный хаос-порядок.
4) Динамический хаос-порядок формируется в результате упорядоченного поступления вещества и энергии в количествах, значительно превышающих необходимые для равновесия. Возможен также другой тип динамического хаоса-порядка – стохастический или очаговый. Динамический хаос возникает в случае, если в течение короткого времени к системе подводятся вещество и энергия в таких количествах, которые приводят к нарушению необратимости протекания процессов и разрушению системы. Примером может служить поднятие некоторых блоков земной коры, которое происходит столь стремительно под действием эндогенных сил, что экзогенные процессы не успевают переработать поток вещества и энергии и формируется слабо упорядоченное нагромождение геологических тел.
Важной разновидностью динамического хаоса является хаос катастрофический. Он формируется в результате кратковременного поступления в систему из среды вещества и энергии в количествах, достаточных для полного уничтожения существовавших ранее упорядоченных структур.
Более короткий вариант изложения материала.
Классическая термодинамика – это физическая наука, занимающаяся изучением взаимопревращения различных видов энергии. Она основывается на двух основных постулатах, или началах.
Первое начало термодинамики известно как закон сохранения энергии. Это фундаментальный закон, согласно которому количество важнейшей физической величины – энергии – сохраняется неизменным в изолированной (закрытой) системе; складывается из движения атомов, энергии химических связей и других типов энергии, связанных с состоянием электронов в атомах и молекулах.
Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии: теплоты, связанной с неупорядоченным, хаотическим движением молекул, и работы, связанной с упорядоченным движением. В то же время неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности (хаоса) системы в термодинамике является энтропия. Энтропия всегда положительна.
Иногда используется отрицательная величина энтропии – негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, энтропии – росту хаоса.
Второе начало термодинамики еще называют принципом возрастания энтропии. Эта более точная формулировка второго начала термодинамики утверждает: любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.
Становление современной концепции развития. Идея самоорганизации материи.
Классичечкая (равновесная) термодинамика XIX века изучала механическое действие теплоты, причем предметом ее исследований были процессы преобразования энергии, протекающие в замкнутых системах, стремящихся к состоянию равновесия. В подобных системах для самоорганизации места нет.
В середине ХХ века наука исходит из того, что все системы любого порядка являются открытыми. Было установлено, что при определенных условиях в открытых системах может возникнуть процесс самоорганизации. Самоорганизация – это скачкообразный природный процесс, переводящий открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние – это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного эволюционного развития. Ключ к пониманию процессов самоорганизации находится в исследовании взаимодействия открытых систем с окружающей средой.
Хотя процессы самоорганизации были известны ученым давно, общая теория самоорганизации появилась лишь в 1970-е гг. Сегодня общая теория самоорганизации развивается в основном в рамках двух наук: синергетики и неравновесной термодинамики, во многом дополняющих друг друга.
Синергетика (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 т. д. Это наука о самоорганизации простых систем, превращения хаоса в порядок.
Основа 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 (эта связь ведет к усилению процесса в одном направлении). 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.
Объектом синергетики независимо от его природы могут быть только те системы, которые удовлетворяют определенным требованиям (открытость, существенная неравновесность и выход из критического состояния скачком, в процессе типа фазового перехода).
Открытость – важнейшее свойство самоорганизующихся систем. Именно открытость является причиной неравновесности систем. Если закрытые системы, для которых и были сформулированы начала классической термодинамики, неизбежно стремятся к однородному равновесному состоянию (состояние термодинамического равновесия), то открытые системы необратимо меняются, в них важным оказывается фактор времени.
При определенных условиях и значениях параметров, характеризующих систему и меняющихся 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 100º С при нормальном атмосферном давлении, за границами этих условий она превращается в лед или пар.
Из критического состояния существенной неравновесности системы всегда выходят скачком. Скачок – это крайне нелинейный процесс, при котором даже малые изменения параметров системы (важнейших показателей, от которых зависит существование системы) вызывают ее переход в новое качество. Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачком превращается в лед.
Итак, 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. Создавая эту теорию, он поставил задачу доказать, что неравновесие может быть причиной порядка.
Система в неравновесной термодинамике должна быть открытой и иметь приток вещества и энергии извне, а также создавать и поддерживать упорядоченность из хаоса. Именно такие системы названы Пригожиным диссипативными. Диссипативность – это особоединамическое 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.
Переход диссипативной системы из критического состояния в новое устойчивое неоднозначен. 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. Процесс скачка невозможно повернуть назад. После перехода через точку бифуркации система качественно преобразуется. Таким образом, законы неравновесной термодинамики с неизбежностью говорят о необратимости времени. Скачок в точке бифуркации определяется уникальным сочетанием множества факторов, воссоздать которые вновь (если бы человек захотел повернуть процесс вспять) практически невозможно.
Феномен бифуркации также заставляет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем, 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.
